（机械制造及其自动化专业论文）过程装备与控制综合实验装置的数据采集与控制系统研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，过程装备与控制练台装置的数据采集 与控制系统研究；是本人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者锯址却年且堡a 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定“，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全 文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构遴交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 f i - 内容编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名 巫年立月堡日 ， 指导导师签名：生勿釜：! 畦二毛t z 三年：i _ 月宦日 摘要 本研究掇据目前过程装备与控制工程专业实验装置存在的实际问题一根据用户需 求，针对研制的过程装备与控制工程综合实验装置设计开发了一套综合性、实用性强 的数据采集与控制系统本系统可以满g j ：7 _ 程装备与控制工程专业基础实验教学的要 求。 本文从硬件和软件方面对该实验装置的数据采集处理和电气控制系统进行了设计 与分析应用阿尔泰p c | 2 0 9 6 数据采集卡采集传感器传来的电压或电流信号，送入计 算机完成数据采集。通过建立工业p i d 控制器和上位机的通讯，实现了对压力、流量 的自动控制。通过组态王软件与数据采集卡及智能模快的通讯，设计了实验装置的数 据采集与控制的动态监控画面，以及组态王的a c c e s s 数据库的数据存储。通过计算机 强大的数据处理能力和优越的性能处理各种通信命令、完成数据存储、数据处理、 图形显示、数据导出、打印等功能。 最后，对实验装置进 k t 检测与调试。采用l a b v i e w 编程语言设计了实验报告界 面，对采集的数掘进行计算、分析并利用l a b v i e w 的喃线拟合功能绘制测量数据闻 的关系曲线，完成实验报告。 关键词：数据采集组吝王数据库l a b v i e w a b s t r a c t t h em a j o re x p e r i m e n to fp r o c e s se q u i p m e n ta n dc o n t r o le n g i n e e r i n gi st h ei m p o r t a n t c o n t e n to ft e a c h i n gt oc o n s o l i d a t et h es t u d e n t s 。p r o f e s s i o n a lk n o w l e d g e c u l t i v a t es t u d e n t s p r a c t i c a la n di n f l o 、a t i v e a b i l i t i e s t h e r e f o r e t h i sp a p e rd e s i g n sad a t aa c q u i s i t i o na n d c o a t x o ls y s t e mo fp r a c t i c a l p r o c e s se q u i p m e n ta n dc o n t r o le n g i n e e r i n gc o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n td e v i c e t h i s s y s t e me a r ls a r i s 8 t h er e q u i r e m e m so fp r o c e s se q u i p m e n ta n d c o n t r o e n g i n e e r i n gs p e c i a l t xe x p e r i m e n tt e a c h i n g t h i sa r t i c l ed e s i g na n da n a l y s i st h ee x p e r i m e n t a ld e v i c et od a t aa c q u i s i t i o np r o c e s s i n g a n de l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mf r o mt h ea s p e c t so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eu s ep c i 2 0 0 6d a t a a c q u i s i t i o n c a t dc o l l e c tt h e v o l t a g e o rc u r r e n ts i g n a lf r o ms e n s o rt h e nt r a n s f e r i tt o c o m o u k ra a dc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o nb ye s t a b l i s h i n gi n d u s t r i a lp | dc o n t r o l l e ra n dp c c o m m u n i c a t i o n c o n t r o lt h ep r e s s u r e f l o wr a t ea u t o m a t i c l yb yk i n g v i e ws o f t w a r ea n dd a t a a c q u i s i t i o n c a r da n di m e l l i g e n tm o d u l ec o m m u n i c a t i o n ，d e s i g nt h et e s t s y s t e mo fd a t a a c q u i s i t i o na n dc o n t r o lo f d y n a m i cm o n i t o r i n gp i c t u r e a sw e l lo st h ec o n f i g u r a t i o nd a t a b a s e o fa c c e s sd a t as t o r a g et h r o u g ht h ec o m p u t e rap o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sa n d s u p e r i o rp e r f o r m a n c e p r o c e s s i n gav a r i e t yo fc o n u n u n i c a t i o nc o m m a n d d a t as t u m g ed a t a p r o c e s s i n g g r a p h i cd i s p l a y d a t ae x p o r t ，p n n ta n do t h e r f u n c t i o n s f i n a l l ) 7 ，w et e s ta n dd e b u g g i n gt h ee x p e f i m e n t d e v i c et h el a b v i e wp r o g r a m m i n g l a n g u a g ei su s e dt od e s i g nt h ee x p e r i m e n t a lr e p o r ti n t e r f a c ef o rd a t ac o l l e c t i o n c a l c u l a t i o n a n a l y s i s ，a n du s el a b v i e wc u r v ef i t t i n gf u n c t i o nm a p p i n gm e a s u r e m e n td a t at h er e l a t i o n c u r v eb e t w e e nc o m p l e t ee x p e r i m e n t a lr e p o r t k e ) w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o nk i n g v i e h d a t a b a s el a b 、_ i e w 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 2 过程装备与控制实验装置的发展现状 13 数据采集系统的基本功能及组成3 14 组态王在工业过程控制中的应用3 15 本过程装备与控制综台实验装置的特点 4 6 本文研究的主要内容 4 7 本章小结 5 第二章过程装备与控制原理及总体结构设计6 21过程装备与控制综台实验装置的设计原则 6 22 过程装备与控制练合实验装置实现的功能 7 23 系统的总体结构设计 7 24 实验装置的技术要求 一 8 25 实验装置的总体结构 8 26 过程装备与控制实验原理及其装置 9 27 p i d 控制及其理论 一 18 28 本章小结 1 9 第三章过程装备与控制综台实验装置的硬件设计2 0 31 总体设计 一 2 0 32 实验装置的总体结构 2 0 33 实验装置的主要配置 2 1 34 实验装置主要元器件的选择 2 1 35 电气系统设计 2 3 36 数据采集系统 2 5 37 通讯方式 2 8 38 本章小结 2 8 第四章过程装备与控制综合实验装置的软件开发2 9 41 过程控制软件系统的功能及结构 2 9 42 组态王软件概迷 2 9 43 组态王软件的主要功能： 3 0 44 实验系统的组志王界面设计一 3 2 45 定义数据库变量 3 9 46 组态王与a c c e s s 数据库的连接 4 2 47 定义i o 设备及通讯参数设置 4 3 48 本豪小结 4 4 第五章实验装置的涮试及数据分析4 6 51 l a b v i e w 与a c c e s s 数据的连接 4 6 52l a b v le w 的曲线拟合 4 6 53 实验数据的采集与计算 4 7 54 实验数据的误差分析 5 0 55 本章小结 5 0 第六章总结与展望i l 61 结论 5 1 62 研究展望 5 1 致谢 5 3 参考文献 5 4 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 “过程犍并o 控制l 程”钮匙枇卅敦什部1 9 9 8 l ，对尚等学校术科专业日求进行 调整、n 味“化j 吐桥与机械”0 业的堆础l 。发腱形成。睁 - i i 内容涵盖了机槭r 程、自动控制、衍号榆删和测试等空义学科不仪要求学生掌握过程装备方面的知以 w j 且还要求学撵控制工程接础、控制系统蹬汁、信号测试、计算# 【应j 千| 等多方面的知 谚”，而h 该如lj ，实骑内容既多义盘。基_ j 此e 自# 许多相关商校、科研机构、公司企 业均研, sl i t1 些过程装备与控制i ：枞的实验设舞，柬补_ 觅专实验设备的1 二足。但是， 现有的谈专业的典验设备，均1 字在着每台i 5 备能够完成的实验项h 有限，最多为4 - 5 个- 而且不同垃舒即每台设格和每台设备所能完成的实验项目存在着较大重复，所以， 给用户购买殴舒滞柬不便山于每台改备的价格较高，一般为2 0 ，3 0 打元，在一台蹬 备上所能做的实验项目又太少、要恕完成艇个专业的全部实验就需要购置多台实验 装置，而装置之问有存在重复，就造成了成本高、资源浪费等问题。为此本文针对 所研制的综台性较强的过程装备与控制工程实验装黉1 设计丌发了一套浚装置的数据 采集处理及控制系统由于泼装置的综台性大大节省了实验设备的成本，可以完成 过程装备与控制r 程专业全部基础宴验的教学要求。奉实验装置有机地结合了传统的 化机实验( 如离心泵性能测定实验、应力测定实验】、工艺性能实验( 如换热实验、 压力降测试实验) 和各种参数控制实验( 如；i 力、流量控制等) ，真j f 做到了多用选。 另外实验台备组件均为实物构件，学生通过实验也取得了对其中的设备、机泉、各 种传感器硬其它掩删与控制仪器、仪表的感性认u i 。 1 2 过程装备与控制实验装置的发展现状 过雕装舒i 摔制i 。程孥业实验足巩吲学啦所学却知议，培养学生动手能力和付l 新思维能力的蕊蛆教学环节。 b p 1 ，l l n 娄实验设备价格昂炎而n 生产这种实验世 箭的厂家并小多，i f 场j 一微难买到能够满足高校教学要求的实验设蔷大多高校部是 f 1 行研制或委托科目f 机构研制。l i l i i ，虽然很多高校都配置了过程装备与控制工程 业实驰装置阻性本l 部是只能满足部分谍料的实验要求卟能满足浚业婪求的所 订基础止验谍的敦学。对l i 谍程蛭求的仝杯典验i ：能 瑚仉靠实验城置l t , t i ，丽这 儿台实验装诮1 t ，j 以完成的仃此吱骑琏暖复的造成资猫l 亍r 贽。为此，我们需要设汁 种能满足限孥u 川j 实验谍群的综舟陆实验驰筒。 6 技逃京t 一过“装箭教学噬器的”敏和f l j 制l 二经静! 祟了f 富的技术经验。龇 看我阴纤济址吐剐教育堆、i k f j 快谜技腥1 6 1 睁实验教学吐箭急缺的用境。我i i ，i 教 学殴备的笈胜i lj 。起步较慨，j 盘求州岫能l 酃小够先进件多公司和企业以技高等院 | 交部n 搛索钏i ”过程装静控制蛮验啦备i - 1 我l i i 柏代柱惟的能够牛产过样装蔷oo 控 制i 。烈贸螗设衔+ 家p 嘤订北 化r 大学，1 1 京峨倍尔教学仅器仃限公- w 等， 上海同育教学仪器设备制造有限公司研制的多功能综合实验装置如图11 所示，硬 件部分由内压容器、高位水箱、离心泵、电动调节阀、变频器、流量及压力传感器、 应变仪、操作台等部件组成：软件部分包括各种自动检测、控制与通讯技术；压力、 压差、温度、液位、转速及转矩的测试技术：微机数据采集技术。北京化工大学生产 的过程装备与控制综舍实验装置由动力系统( 电机和多级泵) 、换热系统、加热系统、 数据采集系统、测试系统以及控制系统等组成，可以满足基本实验课的教学，但也存 在明显的不足，其电动调节阀依靠手动旋钮来调节大小，控制精度不高，流量控制的 震动波动较大；另外t 不能实时查询数据中保存的数据，在采集过程中对数据没有保 存到数据库或数据丢失不能及时发现，造成实验失败的麻烦。如图2 所示为北京化工 大学过程装备控制综合实验装置。 圈i 1 上海同育教学仪器设备公司的综台实验装鲎 图l2 北京化| 二大学过程装蔷与控制综台实验 13 数据采集系统的基本功能及组成 数据采集就是用传感器将工业对象的物理参量( 如压力、温度、流量，位移、速 度) 转换为电压或电流形式的模拟信号，再通过a d 转换模块转换为计算机可以识别 的数字量，同时将这些数字量通过显示仪表或以曲线的方式显示出来。这样，工作人 员可以根据采集的参数，判断实际的工业生产的运行状况。而且，工作人员可以将采 集的数据保存起来，进行统计和工业生产的评估。除此之外，数据采集的另一个功能 就是对采集过柬的信号进行反馈，通过计算机软件设置控制参数，经过d a 转换模块 功能驱动工作负载( 如电动机，电动调节阀、变频器) 的电压或电流信号，达到控制 检测对象的目的l 。 数据采集系统一般由传感器与变送器、信号调理器，输入，输出板卡、计算机主机 及系统软件等部分组成。传感器要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。 信号调理器是对输入信号的放大和滤波。输入，输出板实现对采集信号的模数数模转 换，计算机系统的功能主要是数据采集和存储，以及人机对话。计算机数据采集与处 理系统的结构如图1 _ 3 所示。 世1 3 计算机采集与处理系统的结杩 1 4 组态王在工业过程控制中的应用 组态的意思就是工业控制模块的组合，包括通用的l j o 接口设备、r s 2 3 2 、p c i 总 线等通讯设备。使用工业控制计算机、计算机外围设备和组态软件就能构成一个组卷 控制系统。由于将技术才成熟的模块集成化用户不需要自行设计复杂的电路和软件 编程，从而使工业控制变得简单高敬h i 。 组志王软件是北京亚控科技发展有限公司开发的一种通用的工业监控软件它以标 准的计算机硬软件为工作平台，组成新型的工业自动控制系统，是国产组态软件中性 能最优越，功能摄强大的组态软件，已经广泛应用在石油化工、电力、邮电通迅、污 水处理、设备检测和食品等行业。本文将通过组态王建立过程装备与控制的数据采集 监控系统，监控中心从实验现场的传感器采集数据，以动画形式直观的显示在监控画 面上，然后将实时数据保存到a c c e s s 数据库中进行数据库的查询，报表打印及输出 凡 15 本过程装备与控制综合实验装置的特点 本实验装置是典型的机电一体化装置，将信息检测技术，控制技术，信息处理技 术应用到一块，是一个综台性的实验装置。采用了组态王软件与数据采集卡和传感器 等外部设备的连接，对过程控制实验的性能参数进行蜜时采集与显示，并将采集到的 实验数据存储在a c c e s s 数据库中，利用l a b v i e w 的数据库读取及绘图功能进行数据 处理和绘制性能参数的关系曲线。在组态王动画显示界面实现了实验数据的实时显示， 数据保存查询，各类报衰生成打印等功能。具有下列主要特点： ( 1 ) 本实验装置结合了传统的化工机械实验( 如离心泵性能测定实验、应力测定 实验) 、工艺性能实验( 如换热实验、压力降测试实验) 和各种参数控制实验( 如压 力、温度、流量控制等) ，真正做到了多用途。另外实验台各组件均为实物构件， 学生通过实验也取得了对其中的设备、机泵、各种传感器及其它检测与控制仪器、仪 表的感性认识。 ( 2 ) 通过组志王软件系统，学生可自行设计自己感兴趣的实验，并在该装置上进 行验证，为提高学生的创造性思维能力提供培养平台。 ( 3 ) 用l a b v i e w 编程语言编写了实验数据处理系统。数据计算、显示和关系曲 线的绘制都通过l a b v i e w 自动完成，节省了大量的计算时间，提高了实验效率。 ( 4 ) 自动化程度高、技术性能好。实验时所有的检测数据均由计算机自动采集和 处理检测、控制组件精度高、技术性能好。 1 6 本文研究的主要内容 本文针对过程装备与控制工程专业实验课的教学要求，研究了满足该专业实验课 教学实验内容的过程装备与控制工程综合实验装置数据采集及控制系统。以工业控制 计算机为控制平台，组态王软件和数据采集卡为中心，配以各种传感器和智能仪表 采用了变频控制拄术，p l d 调节技术，r s 2 3 2 等通讯方式，完成了对过程控制实验数 据的采集和处理。 论文的研究内容主要包括： ( 1 ) 分析了过程装备控制实验装置的背景及意义，改装置的特点、组成及能实现 的功能。介绍了数据采集系统的功能及组志王在控制技术在数据采集与处理系统中的 应用。 ( 2 ) 提出丁过程装备数据采集与控制系统的设计原则和总体结构实施方案。设计 了总体实验台装置和控制台的结构及其控制功能。介绍了以下过程装备与控制6 个基 础实验课的原理、实验步骤。针对恒压力和恒流量控制实验，研究了p i d 控制的原理 分析了其工作过程。 ( 3 ) 根掘系统要求t 进行了系统总体结构的设计。分析了系统总体电气原理结构， 设计了系统电气控制原理结构和具体的控制方法。对实验系统的主要原器件进行了选 择并研究了其在实验系统中的作用。 ( 4 ) 研究了组态王软件在数据采集与控制实验系统的应用。运用组态王设计了试 验系统数据采集与控制的动态监控画面。研究了组态王软件与数据采集卡及智能模快 的通讯以及组态王的a c c e s s 数据库的数据存储。 【5 ) 对试验系统进行了软件和硬件方面的调试并进行实验数据的测量与存储。用 l a b v i e w 编程语占编写了实验数据处理系统，完成了对实验数据的计算及关系曲线绘 制。 17 本章小结 介绍了课题的目的及研究意义，了解了过程装备与控制实验装置的现状及其国内 外发展。针对实际情况提出综合实验装置的设计思路，本实验装置要实现的功能和特 点。介绍了数据采集技术的组成以及组态王软件在过程装备与控制中的应用。 第二章过程装备与控制原理及总体结构设计 21 过程装备与控制综合实验装置的设计原则 h i 于过程装* 与控制综合实螗城苒1 既要满足过j f 】i | 装箭与挖制# 业主婴号1 k 渫的实 验教学z 嘤苟啦为过 j ! 装备与控制如的业谍教】j | | j 从事多方n 1 科研l 作提供衄件 成软件r 台。所以制定此方案时屯分考啦满足投资少c 一用l 丽积少，操作疗便维护 打使，性能呵靶故障苹低等要求总体构思如f 。 参j ! i 幽内儿他院校过程装舒1 j 控制1 样专业的培养方案和实验大纲结合学校教 学的实际情况，一州定过程装备与控a z 4 龟幢的簦求确定完成实验教学的蜒验项目。然后 根据所要完成的吱验项目，来设计过程装备与控制综合实验装静，以满足会部实验项 目的需要。同时借鉴其他高校实验没备的成熟经验，本着高起点、综合性、实用性强 的原则提j “了木设计方案。 1 、综合性 所设计的过r 装备与控制实验系统是一套综合性较高的实验裴置，通过巧妙的设 计和组合，町以满足该专业主要专业课程的实验教学要求，出可以在装置上合理增加 其它设备，迸性灵活改装完成其它相关实验。 2 、先进性 整个装置设计具有一定的前瞻性。温度、压力、流量、液位等过程参数全部采用 传感器进行数据采集，采用组态王软件进行实验流程的显示，采用计算机进行数据的 处理和控制，其先进性在全阿同类高校中处于d 口列。 3 ，j 放性 整个装置采j 组合a 体系结掏，易于拆装私i 扩充。町以使独立的实验体系和其它 实验装置简单； 舟，提高了资掘的利用率。尽量粟”j 标准外蚋件。 4 、町 r 允盹 装置结构应儿囱良好的町扩充与可延展性。往此基础l 进行简竹的改造。就卅以 增加较多的嵌输项目满址其他媒程的实验要求。 5 、n j 靠悱 水文不仪篮吐汁技术先进手j f ：欣柏过程装箭站喻系统，l 町j ! ：l 执整体结构，技术方 案、裟箭性能用i 转理措施等 厕考啦保“f 祭个实验系统的一f 靠性和稳定性。 6 、曩全悱 】_ i 袅裟胃，1 - 健多设备部槭j ：j f 、山容器，i 仃征的艟雎悱。i 州此严格按照家 业个标准技，l ，f 器柑戈标“j ：胤范旧蛭求进行啦汁和制造。 7 、蜕济一眺 过f 。f 装器1 ，j i 、制f 雅# 业实验教学火荆- l 啪娜个实驰坝| 1 部州以州堂独枷0 窭 螗犍背束完成，【过程皱缶o 样：刚犍驰装苒1 把6 个实验顺f 1 综合到套装靛中，夫人 降低了成本，有效利用了实验室面积，经济适用性好。 22 过程装备与控制综台实验装置实现的功能 过程装备与控制实验要求学生掌握流体机械的性能参数，压力容器、换热器t 管 道的受热、受压的变形情况。能够通过实验参数的采集进行设备的运行状况分析，并 合理控制，达到熟练操作过程设备，安全生产的目的。 该实验装置可以完成过程装备与控制工程专业要求的6 门实验课的学习包括离 心泵性能测试实验、离心泵恒压力控制实验、离心泵恒流量控制实验、换热器挠热性 能实验、换热器壳体应力测定实验、换热器管程壳程压力降实验。它不仅能够满足过 程装备与控制工程专业本科生实验教学的要求，还可以为包括容器应力测试、离心泵 性能测试、换热器的结构设计、性能检测、微机自动控制在内的多方面科研工作提供 硬件及软件平台。 通过组态王软件可以实时动态显示采集过柬的实验数据，逼真形象的组态王实验 演示界面能够加深学生对实验的学习和实验步骤的掌握与理解。用l a b v i e w 编程语言 编写的实验数据处理系统。数据计算、显示和关系曲线的绘制都通过l a b v i e w 自动完 成，提高了实验效率。 23 系统的总体结构设计 数据采集卡 圈2 l 系统总体结构圈 本文设计的数据采集与控制系统主要能够实现两个任务。一是检测传感器采集的 信号实现信号的a d 转换，进行处理与保存：二是通过数据采集卡的d a 输出功能 实现对电动调节阀和频频器的控制功能，达到对被检测量的调节。系统可i = 上分为以下 部分： 信号采集压力、流量、温度、转矩转速传感器 信号调理与转换数据采集卡，包括转换及放大功能 信号处理工控机组卷王及l a b v i e w 控制与输出温度、压力、流量调节控制器电动调节法，变频器 信号的显示及存储显示器，a c c e s s 数据库 以上的设备必需加上所需的输入设备如开关、键盘等便组成了一个完整的采集系 各部分的关系如2 】图所示。 实验装置旮勺技术要求 表2 i 装置的技术要求 实验装置的总体结构 实验装置总体结构如图2 2 昕示。所有元器件都固定在一个支架上面，支架下面 ，冷水泵电机、转矩转速传感器、压力流量传感器以及电动调节同与控制台相竭 器采集的信号送到控制台进行显示与处理。其次，控制台拉出控制信号控制电自 电动调节阀的开口大小来调节压力与流量。控制台操作界面如图2 3 所示。实j 匝用到了静念电阻应变仪。 圈2 2 过程装备与控制1 ：程综台实验台结构圈 降水象电机2 - 转矩转速传感器3 多级离。象瑞心泵山口压力表5 离o i 口力女 目n7 斗目 * * 茈# 热89 - m t 目1 0 日$ g m m l l m # 1 2 + 女* 自 嘲 幽2 , 3 控制台面板示意图 圈中： 1 一总控制开关 2 一温度显示控制器( ) 3 一流量显示控制器( l s ) 4 压力显示控制器( p ) 5 一流量手动与自动调节( 按下为自动，弹起为手动) 6 一电机启动控制( 左转为直接启动，右转为变频启动) 7 一压力手动与自动调节( 按下为自动弹起为手动) 8 一压力调节按钮 9 一流量调节按钮 10 冷水泵开 1 l 一冷水泵关 l2 热水循环泵( 左转为关，右转为开) 13 一热水泵( 主转为荚，右转为开) 26 过程装备与控制实验原理及其装置 2 6 1 离心泵性能测试实验 离心泵的主要性能是指流量、扬程、功率、效率可通过实验方法予以测试 ( 1 ) 流量q 的测试 本实验果用液体涡轮流量变送器铡量流量。 ( 2 ) 扬程h 的测定 离心泵的扬程h 可根据柏努利方程计算如下： h ：垦二+ 血+ 生二垂 偌2 9 ( 2 i ) 式中h 为水泵的扬程，且和p 为离心泵入1 1 压力值( 为负值) 和出口压力值 “、h 。是入口压力表测量点接头处管内和出口压力表测量点接头处管内水流速度，可 根据流量和接头处管内径确定。：表示压力表与真空表测量点之间的垂直距离。p 为 水的密度，p = 1 0 0 0k g m 3 ：g 为重力加速度g = 98 i m s 2 m 。 在本实验装置中，由于离心泵入口压力测量表和出口压力测量表安装高度相同故 止卸、真空表测量点接头处管内径d 一= 4 0 m m 、压力表测量点接头处管内径dc = 2 5 m m ( 3 ) 功率测定 轴功率n ( 电机传到离心泵泵轴上的功率) ：塑 9 5 5 4 ( 2 2 ) 式中：m 一转矩单位：n m ： n 一泵转速单位：。p m 。 有效功率n e ( 单位时间内离心泵所做的有用功) ：旦鲤 。1 0 0 0 ( 23 ) 式中：卜流量单位：m h 。 ( 4 ) 效率q ( 离心泵的功率和电动机轴的输出功率之比) - = 等x m 。 垃。， 在实验中，通过传感器测定离心泵的进出1 ：1 压力、流量、转矩和转速。经过计算 得出性能参数扬程( h ) 、轴功率( n ) 和效率( t 1 ) 。根据曲线拟合的原理用采集 到的离散数据点绘制出该泵在恒定转速下的扬程一流量( h o ) 曲线；轴功率一流量 ( n - q ) 曲线及泵效率一流量( q q ) 曲线并进行分析。该实验装置主要由多级离心泵 转子流量计、换热器、储水池、压力传感器、控制柜等设各组成。试验装罱结构如下 如昕示； 酗2 4 离心泵性能测试实验装置 2 6 2 离心泵恒压力控制实验 削2 5 离心泵恒压力控制实验装置 离心泵恒压力控制系统是单回路简单控制系统。通过在离心泵出口管路上安装的 e j j 传感器阿将离心泵出口压力转换成电压信号电压信号经信号调理模块放大调理 后输出至工业调节嚣( p i d 控制器) p c 工业调节器将压力信号与压力设定值比较后， 按p j 调节规律输出4 2 0 m a 电流作为控制信号，驱动变频调速器控制电机的转速 利用改变电机转速的大小来控制水泵的输出水压。控制系统的信号流程如图2 , 6 所示。 图2 6 信号流程甘 乒 s 一 鼽 些 竺燃书士丑“f 留27 离心泵恒压力控制系统圈 控制参数如下： ( 】) 被控变量y ：离心泵出1 3 压力p ； ( 2 ) 设定值y s ：对应于被控变量所需保持的目标值t 在本实验中为0 4 m p a ： ( 3 ) 测量值y m ：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为离心泵出 1 3 压力值p ： ( 4 ) 操纵变量( 或控制变量) ：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵转速n 。 使用交流变频调速器作为执行器对离心泵转速进行控制。交流变频调速器的输入信号 为4 2 0 m a 的电流。 ( 5 ) 干扰信号( 或外界扰动) n 干扰信号主要来自于外界因素，干扰信号将引起被 控变量的输出值偏离蛤定值。在本实验中采用突然改变流量的方法，通过改变流量阀 开口的大小人为模拟外界扰动给控制变量施加干扰信号； ( 6 ) 偏差信号e ：被控变量的输出值与设定值之差，e = y s y m ： y 茁一离心象出口压力值p ： y p 一离心泵出口压力设定位。 ( 7 ) 控制信号u ：工业调节嚣将偏差按p i d 调节规律计算得到的量； 离心泵恒压力控制系统采甩比例积分控制规律( p i ) 对离心泵出口压力进行控制。比例 积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，数学表达式为： lr “( ，) = kp e ( t ) + i 。e ( f ) d t 】 ( 25 ) o 百一1 怫 例2 8 阶跃干扰信号 厂 川划ll 艟 假定在时间 to 之前系统稳定，且被调参数离心泵的出口压力p 等于设定值。若 在踟时刻，外加流量阶跃干扰( 图27 ) ，离心泵出口压力开始变化井按衰减振荡的 规律经过一段时间后，离心泵出口压力逐渐趋于稳定，完成了一次过渡过程。实验装 置如图25 所示。 2 , 6 3 离心泵恒流量控制实验 离心泵恒流量控制系统属于单回路简单控制系统，通过安装在离心泵出口管路上 的涡轮流量传感器l t 将离心泵出口流量值转换成脉冲信号，这个脉冲频率经频率电 压( f v ) 转换器转换成电压信号后输出至流量调节器l c ，l c 将流量信号与流量给定 值比较后，按p i d 调节规律输出4 2 0 m a 电流信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开 口大小，达到控制离心泵出口流量的目的。该实验装置主要由多墩离心泵、涡轮流量 计、p i d 调节器、换热器、压力传感嚣、电动调节阀、储水池等组成。离心泵恒流量 控制系统方框图如图2 9 所示。 图2 9 离心泵恒流量控制采班方框囤 控制系统的控制参数如下： ( 1 ) 被控变量y ：离心泵出口流量q 。 ( 2 ) 定值( 或设定值) y s ：对应于被控变量所需保持的目的值，在本实验中取1 4 u s 。 ( 3 ) 测量值y m ：本实验中测量值为离心泵出口流量值q 。由传感器检测到的被 控变量的实际值。 ( 4 ) 操纵变量( 或控制变量) ：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵出口流 量。使用电动调节阀作为执行机构对离心泵出口流量的大小进行控制。电动调节阀的 输入信号为4 2 0 m a 的电流，输出为阀门开度0 l g m m 。 ( 5 ) 干扰信号( 或外界扰动) 干扰主要来自于外界因素，干扰将引起被控变量偏 离给定值。在本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口压力，人为 模拟外界扰动给控制变量造成干扰，如图21 0 所示。 ( 6 ) 偏差信号e ：被控变量的实际值与给定值之差， e = y s y m 。 y m 一离心泵出口流量值q 。 y s 一离心泵出口流量设定值。 ( 7 ) 控制信号u ：工业调节器将偏差按p i d 调节规律计算得到的量。 离心泵恒流量控制系统采用比例积分控制规律( p 1 d ) 对离心泵流量进行控制。比例 积分( p 1 1 控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，p i d 调节规律的数学表达式为 圳喝卜+ 寺m 警 旺s ， 压力p 时问 豳2 】0 阶跃干扰信号 假设系统在t ，时间之前处于稳定状态，且调节参数离心泵的出口流量q 等于设定 值。若在l = t 。时刻，转动压力阀门增加压力阶跃干扰离心泵出1 2 1 压力开始变化并按 衰减振荡的规律经过一段时间后离心泵出口流量逐渐趋于稳定，完成了一次调节过 程实验装置如图2 1 1 。 晶篡 幽2i l 离心泵恒流量控制实验 2 6 4 换热器换热性能实验 在换热器的工作过程中冷流体和热流体分别处在换热管的内壁和外壁，热流体 在流动过程中将热量通过管壁输送给冷流体形成冷热交换。当换热器处在外界时 若没有保温措施换热器的热量会有损失，即热流体放出的热量大于冷流体吸收的热 量。 热流体放出的热量为： 9 = m ，r 。( 五一正) ( 2 7 ) 其中，q 、矾分别为单位时间内热流体放出的热量和热流体的质量流率i 和疋 分别为热流体的进口温度和出口温度，c 。为热流体的定压比热- 在本实验温度范围 内可视为常数。 冷流体获得的热量为： 82 m ，f 也一1 ) ( 28 ) 其中，q ，m ；分别为单位时间内冷流体放出的热量和冷流体的质量流率，和f 二 分别为冷流体的进口温度和出口温度，c 。为冷流体的定压比热，在本实验温度范围内 可视为常数。 损失的热量为： 衄2 q q ( 29 ) 热量传递的驱动力是冷流体和热流体间的温度差，对于逆流传热，平均温差为 ”嵩篙 晓， 式中：，l = 互一，2 、2 = 五一f 1 在本实验中，主要测试换热器的换热能力和了解传热驰动力的概念以及它对传热 速率的影响e 通过计算求的传热速率q 和传热驱动力a t ，之间的关系嘲。 实验装置主要由多级离心泵、转子流量计、换热器、电动调节阀、加热炉、热水 泵、热水循环泵、储水池、温度、压力、流量传感器、控制柜等设备组成实验装置 见图2 2 总体结构。 2 6 5 换热器壳体应力搠8 定实验 换热嚣壳体的应力一般不能直接观察，但是不管表面变形是多么微小总是可以测 量的。只要找到应力与变形( 应变) 的关系便可以通过测量变形达到测量应力的目 的。由材料力学可知，材料在弹性范围内，应力与应变关系符合胡克定律。对于两向 应力状态的换热器来说由广义胡克定律可以导出下列公式： 周同应力：2 i 专( 氏+ 嵋：) ( 2 1 1 ) 轴月应力：d - 2 i ! ( - + w 一) ( 21 2 ) 式中e 和”舒别为换热器材料的弹性模量和泊松比：。和：分别为周向应变和轴 向应变。本宴验使用的电阻应变仪就是把微小的应变电阻变化信号转换为电压信号。 经放大器放大后，向记录仪器输出模拟应变变化的电信号。 在换热器的工作过程中，冷热流体分别通过营程和壳程，其壳体上产生的应力来 自于流体的压力载荷( 壳程压力p 。、管程压力只) 、温度作用下引起的热膨胀载荷及 重力与换热器支座反作用力。换热器的轴向刚度较大，弯曲可以忽略。 在实际工作中，温度传感器是安装在换热器外侧的管道上，从传感器的测量点到 换热器出口和入口处有一段距离，在管道与外界冷空气存在热对流的情况下会有部 分热量损失掉p 】。固此，传感器测得的数据并不等于换热器出入口的温度，换热器入口 和出口的温度可估算如下。 如图2 1 2 所示，五、巧分别为换热器管程热水入口和出口温度，、，：分别为挟 热器壳程冷水入口和出口温度，其中入口温度7 ，和测量值是一致的。 流体在管道中的热损失等于流体经过管道时放出的热量，由于管道内部是水，外 部为空气( 设温度为) 流体流经管路损失的热量等于流体经过管壁传出的热量，因管 内为水管外为空气( 设温度为t 。) ，总传热系数k 可近似等于水的传热系数，于是 岛= s ( 互善一“) ：怫，( 一) 一n c ，正+ s 彭一。一。! ! ：互 2 鼍五- 其中：s ，= 碱： 一管内径矿= o0 2 5 m ； , l - - g 传辱器到换热器热水入口的长度， = 03 m ； k 。一从传感器到换热器热水入口管程总传热系数； x n2 a r - 2 。z ，x 。2 , x r ，o 8 x p ，3 3x ( ，u 。, 。“ 。：。， ( 2 ) 计算疋 的计算与i 相似，根据 ! ( 半“h 伽圳得：( 2 1 6 ) 咿t 2 吨! k , 2 t o + ! 喹量 ? r 矗c ，一半 其中： 换热面积s ：= 磁：为管内径一= o0 2 5 m ：从换热器热水出口处到传感 器安装点的长度：= 03 m 。 从换热器热水出口到传感器的管程总传热系数茸：计算如下： n2 口n 。2 7 。鲁x 月? 8x ，。3 3x 嫠 。“ 。：。， ( 3 ) 计算f ， 与l 和疋计算相似，；计算如下：由 铲。一半“h 即一z _ f 1 ) 得；( 2 1 9 ) t 舭，”岛k 。+ ! 喽盘 i j n 一旦磐 其中：换热面积s ：= z 一，为管内径d = 00 2 5 m ：扶换热器冷水出口处到传感 器安装点的长度t ，- 03 m 。 从换热器热水出口到传感器的管程总传熟系数蜒：计算如下： k 一，一o0 2 7 x 鲁叫k 帕 该实验装置主要由多级离心泵、换热器、 电动调节阀、加热炉、热水泵、热水循环泵、 储水池、控制柜等设备组成。 2 6 6 换热器管程和壳程压力降测定实验 ( 22 1 ) 压力传感器、温度传感器、流量传感器 高位水箱、y j 2 2 转换箱、电阻应变仪 圈21 3 换热器压力分布示意翻 换热器工作时，流体在换热器内、流动含有压力损失，一是流体在流道中的损失， 二是流体进出口处的局部损失。通过测量管程流体的进口压力p 。和出口压力p 便 可以得到管程流体流经换热器的总压力损失印，= n 一p ，! ；通过测量壳程流体的进口 力p 。和出口压力，便可以得到壳程流体流经换热器的总压力损失卸，= ，一p 本实验的目的就是分析压力损失和流速之间的关系，如图21 3 所示。 2 - p 1 d 控制及其理论 过程装备与控制是自动控制理论与工业过程控制、设备，以及自动化仪表和计算 机技术结合引用的交叉学科。过程控制的基础是自动控制理论，同时它也与化工机械、 过程机理以及自动化仪表和计算机技术密切相关。一个完整的过程控制系统包括传感 器、控制器、执行机构、计算机i o 输入输出接口。控制系统的被控量( 检测量) ，经 过传感器送入控制嚣，控制器经过计算将反馈信号传送给执行机构。不同的控制对象 其执行机构是不相同的，比如本文中对压力的控制执行机构是变频器它通过改变电 源电压来控制电机转速从而达到控制压力的目的；流量控制的执行机构是电动调节 阀。 长期以柬工业过程控制采用p i d 控制规律实现单输入单输出的负反馈控制，是一 种以古典控制理论为基础的控制方法。p i d ( 比例积分微分) 控制器的发展经历半个 多世纪的发展因其控制算法简单、实用，目前使用仍非常广泛。 p i d 控制系统的结构 c 口图21 4 所示。p i d 控制器的输出值p ( ，) 取决于系统给定值 r ( t ) 和系统输出值y ( t ) 的偏差e ( 1 ) 、偏差的积分、偏差的微分的线性加权组合，即 h + 扣m ，剖刮小x 扣m n 掣 旺：， 式中：n 为积分时问常数；t d 为微分时闻常数：坼为比例系数：蜀一订为积 分系数：k o = 如而为微分系数。 目21 4p i d 控制系统的绪构图 在p i d 控制器中，比例部分是始终起作用的基本分量，产生与偏差成正比的输出 信号，以便消除控制量和设定量之间的偏差：积分部分产生与偏差的积分值成正比的 输出信号，可以消除系统的余差：微分部分产生与偏差的变化率成正比的输出信号， 以可以加快控制器的调节速率t 缩短调节震荡过程时间，减少超调，改善系统的稳定 性。利用这三部分的有效组合，可以得到快速敏捷、平稳准确的调节效果。因此，使 用p d 进行工业控制韵关键是选择正确的比例、积分和微分之间的组台关系i 。 28 本章小结 通过分析过程装备与控制实验系统的设计方法设计了整体实验装置的结构和控制 台。分析了要完成的6 个实验的原理和实验装置，为后续的电气设计和软件设计提供 了理论依据。针对对恒压力和恒流量控制实验介绍了p 1 d 控制的原理和方法。 第三章过程装备与控制综合实验装置的硬件设计 硬仆世| 1 址。# 个实螗装背的毡础，是整个