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常规 检测 控制工程 专业 综合 实验设计

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常规量检测与控制工程专业综合实验设计,常规,检测,控制工程,专业,综合,实验设计

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过程装备与控制工程专业综合实验设计（常规量检测与控制部分）摘要： 为了满足教学科研的需要，本课题设计了用于流量、液位、温度、压力等控制与检测的综合实验台。设计中采用了单回路反馈控制电路基本原理，将测量值与给定值进行比较，得到的偏差控制调节阀的开度，达到使水槽液位控制在给定值上。为了体现专业特色，还对立磨进行了控制，将选粉机选出的细粉送到皮带秤上，得到的重量被送入放大器，通过积分器运算后得到的数据与预先存储的数据进行比较来控制进料量的多少。另外，磨辊上的力是通过液压系统来控制的，较好地实现了设计要求。关键词：综合；控制；检测；反馈The Comprehensive experimental design for the process equipment and control engineering major(the part of routine measure checking and conventional measure)Abstract： In order to meet the demands of teaching and research,This topic designsall experiment platform for controlling and testing about flow ,liquid location,temperature and pressure.In the design ,it adopts the control circuit cardinal principle of sideloop feedback,and compars measure value with given value.the offset controls the degree of aperture to control the liquid location at the given value. In order to embodies specific features,it controls the stand mill,too.it takes thin power to the belt to weigh, and then put the result to the amplifier.Then it compares the date getten with the beforehand to control the amount of charge. In addition, the power on the roller is controled by hydraulic pressure system.It achieved the claim better.Key words: Combine ; control ; test ; feedback参考文献1周力平PLC在小型化工生产过程控制中的应用J湖北化工，1997(3)：63-64.2杨祥刊，李保金主编.水泥设备标准手册M. 北京: 中国建材工业出版社，1995.3何离庆主编.过程控制系统与装置M.重庆大学出版社,2002.4王毅. 教学过程控制的认识与实践J. 大连水产学院,1994(3)：33-36.5朱昆泉，许林发主编.建材机械工程手册M. 武汉: 武汉工业大学出版社,2000. 6曲忠庆,王君慧. 计算机在过程控制中的应用和发展J.洛阳农专学报,1994 (1)：53-57.7俞金寿主编.过程自动化及仪表M.北京：化学工业出版社,2002.8 林中达. 过程控制系统的实时性分析J. 东南大学学报,1995(4)：94-97.9陈凤谋. 过程控制中多任务并行模式J.广西科学,1995(2)：14-17.10 翁维勤、孙洪程主编.过程控制系统及工程M.化学工业出版社,1995.1前言 本实验装置为常规量检测与控制的实验装置，它可以进行流量、液位、温度、压力的检测与控制 。为了体现专业特色本课题对CAM3225磨也进行控制。本次课程设计大致可分为两块：其一、实验装置的工艺部分的设计及选型部分如泵、阀、液微计等的选型，我们都采用标准件，因这是实验装置所以要求所选的装置都要尽量符合本实验装置的需要并配备齐全，为不久的将来能做出次实验装置做准备。其二、实验装置的控制电路设计及软件程序的设计。本课题来源于学校综合实验台，其方案流程是用差压变送器测量水槽液位，将测量值与给定值进行比较得到偏差，调节器按次偏差发出控制命令，控制调节阀开度，达到使水槽液位控制在给定值上的目的。为了体现专业特色,又增加了对立磨的控制,立式磨的控制设计的方案流程主要是：物料由料仓经喂料机送给CKP磨，经过CKP磨磨出来的粗粉再次被送入磨内进行研磨，细粉被送出，送出的细粉被送到皮带称上，经过皮带称称重后，得到细粉的重量，这个数据被送入放大器、积分器运算后得到的数据与预先存储的数据进行比较来控制进料量的多少。另外，磨辊上的力是通过液压系统来控制的，而液压系统也是由电路控制的。因在工业生产中，有很多像过热蒸汽的温度控制、污水废液的酸碱度中和处理和贮藏液位控制等需要为学生提供一个研究次项目的实验平台，而设计了这个适用的液位平衡控制系统实验装置。而CKP预粉磨系统的突出特点是产量高、能耗小、工作性能稳定。在生粉磨方面立磨和传统球磨机已经平分秋色，各占一半左右。但是在选用的立磨之中，目前约80%是进口的，而在进口立磨之中，丹麦史密斯公司的ATOX型立磨则占有70%以上的份额。预计到2005年我国水泥工业2000/d,以上生产线选用生料立磨的比例将上升到70%左右，其中国产立磨的份额也将增至20%以上。另外，在水泥和煤的粉磨中，随着人们认知水平的提高，立磨的选用率必将有相应的增长，特别是立式煤磨，已有基本适用的国产设备，尤应采取积极态度，认真推广选用之。 本课题的基本条件是单回路液位控制系统方块图，其技术要求是工艺部分都用标准件、在控制部分要求用单片微机控制来设计电路编写一套程序.实验装置的工艺部分的设计及选型、实验装置的控制电路设计及软件程序的设计是要解决的主要问题。2 国内外发展概况及现状进入新世纪以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、促进环境卫生等方面起着越来越大的作用。过程控制的发展与控制理论、仪表、计算机以及有关学科的发展紧密相关的，过程控制的发展大体上可以分为下表21所示的三个发展阶段。70年代以前可以看作是第一阶段。表21 阶段过程控制的三个发展阶段70年代以前7080年代90年代控制理论经典控制理论现代控制理论控制论、信息论、系统论、人工只能等学科之间的交叉控制工具常规仪表（电动、液动、气动）分布式控制计算机（DCS）计算机网络控制要求安全、平稳优质、高产、低消耗市场预测、快速响应、柔性生产、创新管理控制水平简单控制系统先进控制系统综合自动化（CIPS）这一时期应属于自动化孤岛模式的阶段，其控制目标只能保证生产平稳和少出事故。7080年代是发展的第二阶段，分布式工业控制计算机系统（DCS）的出现为是先进控制创造了条件，多变量预测控制等先进控制方法的应用，使控制达到了新的水平，在实现优质、高产、低消耗的控制目标控制目标方面前进了一大步，值得指出的是在70年代中期，出现了现代控制理论是否适用于过程控制的困惑，这迫使人们去研究生产过程的特点与难点，以缩小理论与应用之间的鸿沟。80年代后期，工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，人工智能和智能控制受到人们的普遍关注，信号处理技术、数据库、通讯技术以及计算机网络的发展为实现高水平的自动控制提供了强有力的技术工具。过程控制开始突破自动化孤岛传统模式，采用CIM的思想和方法来组织、管理和指挥整个生产过程，出现了集控制、优化、调度、管理于一体的新模式。在连续工业中，也将这种模式称为综合自动化或CIPS（computer integrated processing systems）.可以看到，过程控制在这阶段的目标已从保持平稳和少出事故转向提高产品质量、降耗节能、降低成本、减少污染，并最终以效益为驱动力来重新组织整个生产系统，最大限度地满足动态多变市场的需求，提高产品的市场竞争力。当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以前所未有的速度和规模飞速前进。综观这一时期，可以归纳为如下三个主要特点。a. 简单控制向先进控制发展早期的控制受经典控制理论和常规仪表的限制，难以处理工业过程中存在的复杂性、耦合性、非线性等，只能按某种原则将复杂系统分解成若干相对独立的单变量系统。这种简单控制是一种分散自治控制。随着企业提出的高效益、高柔性的要求，上述控制方式已不能适应，先进控制便应运而生，先进过程控制（ advanced process control ）是指一类在动态环境中，基于数学模型，借助充分的计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。这种新的控制策略实施后，系统运行在最佳工况，达到所谓的 “卡边控制”。据资料报道，一个乙烯装置投资163万美元实施先进控制，完成后预期可获得效益600万美元/年。目前，国内许多大企业均纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。b. 封闭的分布式计算机控制系统转向具有国际统一标准的开放式系统1975年Honeywell公司推出第一台分布式计算机控制系统（DCS），实现了分散、监控视集中的功能，提高了系统的可靠性和灵活性，为连续工业自动化建立了丰功伟绩。但是DCS的一个致命弱点就是封闭性。随着综合自动化的潮流和计算机科学与技术的发展，Fisher-Rosemount,Honeywell等欧美十余家公司经过激烈的竞争，最后终于连手，将共同推出一种国际标准的现场总线（fieldbus）控制系统，它被公认为具有时代特点的新一代分布式计算机控制系统，它的出现标志着控制工具的又一次重大变。它的主要特点为：开放性、只能化现场仪表、数字信号传输、彻底分散性。c. 单一控制系统向综合自动化系统发展本质上讲，工业企业自动化在90年代以前仍是自动化孤岛模式。进入90年代，国内外企业界在国际市场剧烈竞争的刺激下，已把注意力转移到节能降耗、少投入多产出的高效生产模式上。企业开始把提高综合自动化水平作为快速挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前自动化发展的趋势。有一种炼油厂的综合自动化模式。在整个系统中，信息是由底层不断经过加工处理向上层传递，而各种指令也由最高层逐级分解，以指令形式向下层传递。每个层次的运行周期不等，从底层向上，以秒、分、时、日、旬，乃至月、季来计算。这种递阶系统，把全厂各层控制功能与企业管理相结合，实现从原料进厂到产品出厂的全部控制与分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成，进而实现充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统（ humanware ）的集成，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能生产系统。这就是CIM思想在连续工业中的体现。据报道，国外目前约有100个炼油厂和化工厂企业在建立一体化信息系统，在欧洲有13家炼油厂、北美至少有15家炼油厂、远东和澳洲有14家炼油厂正在实施CIM计划。她们的基本思想都是集控制、优化、生产调度、计划排产和优化决策于一体，以达到节能降耗、提高产量和质量、增加产品市场竞争能力的最终目标。有关统计资料也已经表明了综合自动化的重要作用。我国在连续工业方面，自1990年开始，已进行了一些综合自动化试点。近年来，连续工业CIM已列入国家科委863CIMS典型应用工程和国家计委“八五”、“九五”攻关任务。可以预料，综合自动化的实施和发展将给国民经济建设带来巨大的经济效益和社会效益，是一个十分诱人的发展方向。实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有着十分重要的意义。 当前，一项在今后几年内可能大大改变过程控制系统面貌的新技术现场总线正处于迅速发展中。这是用于现场仪表与控制室之间的全数字化、双向、多站的通迅系统。通迅总线地直延伸到现场仪表，使得许多现场仪表可以在同一总线上进行双向多信息数字通信。现场总线用全数字化、双向、多站的通迅方式来替代目前使用的420ma单变量单向模拟传输方工式。随着这一技术的不断完善，一种更高层次的自控技术工业现场网络也将逐步应用于工厂或工艺流程的过程控制系统。就目前该课程的教学来看，大部分内容还处在80 年代以前的水平，严重地落后于当代过程控制技术发展的现状，另外我国的工业过程控制仍处在经典过程控制和程序化、数字化的数字处理技术并存的局面，过程控制装置及仪表工业还处于较落后状态，且与世界先进水平的差距越来越大。为能访问到所有现场设备的信息，而不一定要到集中的控制室才能获得。工业现场网络包括三个组成部分，即符合现场总线标准的智能现场设备、规格可变的控制的管理技术水平台以及集成的模块化软件。可以用工业现场网络结构装备整个工厂，也可从一台设备或几个回路开始，然后再方便地扩充规模。容易想象，未来的控制系统，是用控制器用户操作站、PL和软件将所有现场设备的功能更方便地集成在一起的控制系统。实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有十分重要的意义。3 总体方案设计3.1 实验装置介绍控制技术基本实验装置为液位自控实验装置，它可以进行压力、温度、流量、液位等多种控制系统内容的实验。今后的控制系统实验都将在实验装置进行。实验将工艺装置部分的测量信号直接送到计算机的信号调理板，仪表的电源、D/A、计算机电源、水泵的按钮开关、信号灯等设备，组装成一个电控箱，该电控箱安装在工艺装置部分中部。图3-1 实验装置工艺流程图图3-1中有三只水槽。其中槽1、槽2为被控对象。它们的液位高度L1及L2分别通过两台差压变送器测出，槽3为储槽，是为了构成水的循环而设置的。储槽3中的水通过水泵1或2抽出，经孔板和控制阀后送入槽1或2（视手动阀1.2.3.4的开闭而定），两路水管中的水流量大小分别通过各自的变压器（与孔板配合）回到储槽3中，这样对水来说始终处于循环状态。本实验装置除比值实验外，一般情况下，所在的管道为主物料管道，F2管线则专供作为加干扰用。3.2 单回路反馈控制电路基本原理图3-2 控制系统方块图本实验装置中的液位控制系统为单回路控制系统。该系统方块图如3-2所示：单回路控制系统是指只有一个测量变送器；一个调节器；一个调节阀连同被控过程。对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统。由于单回路控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足一般工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯时延和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控质量要求不太高的场合。单回路控制系统虽然简单，但是，它的分析、设计方法是其他各类复杂控制系统分析、设计的基础。所以，掌握了单回路控制系统的分析和设计方法，就不难设计其他更为复杂的过程控制系统。3.3 工艺方案的拟定3.3.1 实验装置的工艺部分设计方案根据实验装置的需要选择水泵、水管、水龙头、电动执行器，根据水泵的流量特性选选择水槽的材料和尺寸，再根据水槽的尺寸选择传感器的类型和尺寸和液位计，估算控制柜的尺寸，再综合各个元件大体定整体框架尺寸。最后设计控制箱。磨的部分：物料由料仓经喂料机送给CKP磨，经过CKP磨磨出来的粗粉再次被送入磨内进行研磨，细粉被送出，送出的细粉被送到皮带称上，经过皮带称称重后，得到细粉的重量，这个数据被送入放大器、积分器运算后得到的数据与预先存储的数据进行比较来控制接触器CR的动作以实现整个电路的控制。另外，磨辊上的力是通过液压系统来控制的，而液压系统也是由电路控制的。关键是设计的整个系统是用接触继电器控制了还是用PLC控制了，前者控制线路复杂，价格比较便宜，但控制不够稳定，后者是现在工业生产上正在使用的控制元件，控制精度高，性能稳定，使用寿命长，但价钱比较贵考虑了方方面面，我决选定用PLC控制系统。3.3.2 实验装置的控制部分设计方案磨机的主轴转动由电机M1拖动，磨机主轴转动不需要正反转控制。但电机M1的功率很大由于磨盘需承受很大的压力，压力大了，电机的工作电流也会增大，所以要防止电机烧坏，在电路中加入过电流继电 ；另外，主电机的运转要考虑的另一个大的问题，这么大的电机的启动电流很大，所以要用减压启动回路。在粉磨过程中要考虑的问题，防止一些坚硬的异物进入磨内，如有这种现象出现，应使主电机M1立即停止转动，而且压力立即降低，以免伤到整个磨机系统。磨盘的转动是Y180M-2,Y系列（IP44）封闭式三相异步电机带动的，我这里采用的星型三角形减压起动，这种方式的起动电流只有 正常工作的1/3扭矩是正常工作时的1/，能够很好的保护电路。入磨输送部分主要应考虑选哪种方式给磨机喂料，考虑到产量和磨机的效率，还有成本费用，所以用电子皮带称给它喂料，通过电子皮带称上的喂料机的控制压力。液压系统的继电接触控制是立磨系统中的一全重要部分，只能对液压系统如何对磨盘进行压力控制的还有其它一些辅助功能。液压系统中的液压泵是由电动机带动，直接全压起动。当电动机带动液压泵时该系统向液压缸供油，随着时间的延长，缸里压力越来越大，加在磨盘上的力也越来越大，二个缸的动作基本一致的，当缸内压力达到压力继电器的上限时，主液压泵供油结束Y12-，换向阀6处于中位，二位二通电磁换向阀 Y14+、Y15+使系统保压，但由于实际情况中，系统中的任何液压元件都要有泄漏，使系统中的压力逐渐下降，当下降到压力继电器下限时，泵8、9又都开始工作，使系统中的压恢复，当达到压力继电器的上限时，泵8、9都停止工作，就这样循环的为缸保压，它们的电机都用全压启动，用熔断器、热继电器对电路保护。 电气控制箱置于专门的操作室。民器板与控制板之间，以及电控箱与执行系统之间的连接，采用接线板进出线方式。根据实验需要初步选择单片机、键盘、显示器、A/D转换器、D/A转换器、放大电路的选择，画出电路图，在编写程序，最后上机调试。其控制思路为：打开水泵、水龙头1及水龙头3。将液位变送器测量的液位经A/D转换送入单片机控制系统。将此信号与键盘设定值进行比较。单片机控制系统输出差值信号，经D/A转换、电压/电流转换后控制电动执行器的开闭，从而实现液位的平衡。电机、电器的绝缘，导线的绝缘损坏或线路发生故障时，都可能造成短路事故。很大的短路电流和电动力可能使电器设备损坏或发生更严重的后果，因此要求一旦发生短路故障时，控制线路能迅速地切除电源的 保护叫短路保护。常用的短路保护元件有熔断器和短路器等。其保护原理及保护元件的选择方法、短路器的整定要求。 电动机长期超载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时还会使电动机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护元件是热继电器。由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬间动作，所以在使用热继电器作过载保护的同时，还必须有短路保护。作短路保护的熔断器熔体的额定电流不能大于4倍热继电器发热元件的额定电流。过电流保护广泛用于直流电动机或绕线转子异步电动机。对于三相笼型异步电动机，由于其短时过电流不会产生严重的后果，故可不设置过电流保护。过电流电流保护往往由于不正确的起动和过大的负载引起的，一般比短路电流要小，在电动机运行中产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转动的重复短时工作制电动机更是如此。直流电动机和绕线转子异步电动机控制线路中，过电流继电器也起着短路保护的作用，一般过电流的动作值为起动电流的1.2倍。 必须强调指出，短路、过载、过电流保护虽然都是电流型保护，但由于故障电流、动作值以及保护特性、保护要求以及使用元件的不同，它们是不能互相取代的。3.4 CKP磨液压系统的分析调压回路的功用在于调定或限制液压系统的最高工作压力，或者使执行机构在工作过程不同阶段实现多级压力变换。一般由溢流阀来实现这一功能。如图32为最基本的调压回路。当改变节流阀2的开口来调节液压缸速度时，溢流阀1始终开启溢流，使系统工作压力稳定在溢流阀1调定压力附近，溢流阀1作定压阀用。若系统中无节流阀，溢流阀1则作安全阀用，当系统工作压力达到或超过溢流阀调定压力时，溢流阀开启，对系统起安全保护作用。如果在先导型溢流阀1的遥控口上接一远程调压阀3，则系统压力可由阀3远程调节控制。主溢流阀的调定压力必须大于远程调压阀的调定 图3-2 调压回路压力。在CKP磨的液压系统中没有节流阀，溢流 阀只是起安全保护作用。卸载回路是在系统执行元件短时间不工作时，不频繁启停驱动泵的原动机，而使泵在很小的输出功率下运转的回路。因为泵的输出功率等于压力和流量的乘积，因此卸载的方法有两种，一种是将泵的出口直接接回油箱，泵在零压或接近零压下工作，一种是使泵在零流量或接近零流量下工作。前者称为压力卸载，后者称为流量卸载。当然，流量卸载仅适合于变量泵。定量泵可借助M型、H型或K型换向阀中位机能来实现泵降压卸载，如图33。因回路需保持一定控制压力以操纵液动元件，在回油路上应安装背压阀a。该液压回路是用在主回路 图3-3 卸载回路中，对整个系统起卸载作用。右图34中的是采用二位二通电磁阀控制先导行溢流阀的卸载回路。当先导型溢流阀1的遥控口通过二位二通电磁阀2接通油箱时，泵输出的油液以很低的压力经溢流阀回油箱，实现卸载。为防止卸载或升压时产生压力冲击，在溢流阀遥控口与电磁阀之间可设置阻尼b。这个回路的应用主要考虑保压和停止工作时设计的，当系统处于保压时，电磁铁失电，油路截至；当液压缸不工作时，这时活塞杆要退回，换向阀电磁铁得电，油液可以从该回路流油 图3-4 电磁阀箱。 这里我要介绍的是保压回路，这个回路在我的设计系统中起着很重要的作用，在我的设计系统中它是我的整个液压系统的主干回路我只介绍我用到的自动补油保压回路。 右图35中在回路中增设了一台小流量高压泵5。当液压缸加压完毕要求保压时，有压力继电器4发讯，换向阀2处于中位，主泵1卸载；同时二位二通换向阀8处于左位，由辅助泵5向封闭的保压系统a点供油，维持系统压力稳定。由于辅助泵只需补偿系统的泄露量，可选用小流量泵，功率损失小。压力稳定性取决于溢流阀7的稳定性能。CKP磨的液压系统中主要采用类是该回路的思想，用小流量高压泵5来保压。 图3-5 卸载回路4 实验装置的工艺部分设计及设备选型4.1 水泵的选择图4-1 离心泵特性曲线水泵用来整个系统的供水，管道式结构安装。本实验的循环介质采用清水，管路直径为10mm，实验台采用丹麦格兰富UPA-90AUTO型单级循环水泵。噪音低，不会影响教师授课。寿命长，减少使用的麻烦。泵可以分为离心泵和容积泵两大类；容积泵有往复泵、旋转泵之分，在石油、化工等生产过程中，离心泵的使用最为广泛。离心泵主要由叶轮和机壳组成，叶轮在原动机的带动下作高速旋转运动。离心泵的出口压头由旋转叶轮作用于液体而产生离心力，转速越高，离心力越大，压头也越高，因离心泵的叶轮与机壳之间存在空隙，所以当泵的出口阀完全关闭时，液体将在泵内循环，泵的排量为零，压头接近最高值。此时对泵所做的功被转化为热能向外散发，同时泵内液体也发热升温，故离心泵的出口阀可以关闭，但不宜处于长时间关闭状态。随着出口阀的逐步开启，排出量也随之增大，而出口压力将慢慢下降；泵的压头H，排量Q和转速n之间的函数关系，称为泵的特性，如图4-1：离心泵的特性；由10 H=R1n2-R2Q2 （41）式中R1、R2为比例常数。泵是安装在工艺系统的管路上运行的，因此要分析泵的实际排量与出口压头，除了与泵本身的特性有关外，也要考虑到与其连接的管路特性，所以有必要对管路特性作一些分析。管路特性就是管路系统中流体流量与管路系统阻力之间的关系。通常管路系统的阻力包含四项内容。四项阻力分别如下：a. 管路两端的静压差引起的压头hp：由10 hp= （42） 式中P1、P2分别是管路系统的入口与出口处的压力。为流体密度，g为重力加速度。由于工艺系统在正常操作是P1、P2基本稳定，所以这项也是比较稳定的。b. 管路两端的静液柱高度HL，即升扬高度。在实际工艺系统中，管路和设备安装就绪后，这项将是恒定的。c. 管路中的摩擦损失压头hf。hf与流量的平方值近似成正比例关系。d. 控制阀两端节流损失压头hV 。在阀门开度一定时，hV也与流量的平方值成正比关系，当阀门的开度变化时，hV也跟着变化。管路总阻力为HL，则： HL=hp+HL+hV+hf （43）上式即为管路特性表达式。当系统达到稳定工作状态时，泵的压头H必然等于HL，这是建立平衡的条件，上图中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点C，即是泵的一个平衡工作点。工作点C的流量应符合工艺预定的要求，可以通过改变hV或其它的手段来满足这一要求，这也是离心泵的压力（流量）的控制方案的主要依据。先对整个实验装置进行估计，再选择适合此装置的水泵确定其参数所以我选择凯节理公司的CP系列清水泵CP 系列清水泵是属于电机与水泵直联的漩涡电泵，结构简单，体积小，重量轻，具有较高的扬程，流量相对较小，适合输送温度不超过80C的清水或物理化学性质类似于清水的液体。适用于家庭水井的抽水、汽车冲洗、喷泉供水、花园灌溉等场合。其参数如表4-1：表4-1 水泵参数型 号机座号功 率最大流量(L/min)最大扬程(m)最大吸程(m)转 速(r.p.m)管 径(mm)净重(Kg) 外形尺寸(mm)WHPCP-45631250.1735309285025X255262X137X1524.2 水管的选择根据所选离心泵口径的大小，可以选择直径25mm壁厚为1mm的不锈钢水管不锈钢水管参数如表4-2所示表4-2 水管参数产品名称公称直径（mm）产品代码壁厚（mm）不锈 钢水 管00150015000.820002000125002500320032001.24000400050005000650065002800080001000100001500150002.520002000034.3 水龙头的选择水龙头主要是根据所选水管的直径来选择。由于选择的是直径25mm的水管，所以水龙头与水管的配合端的口径也为25mm。由于水龙头没什么讲究所以选择普通水龙头所以选择了型号为YW1001的水龙头，该水龙头表面镀铬,螺纹为1/2,重为195g。4.4 流量计的选择在选择流量计时，不是从管道口径或管内流速出发的而是将液体、气体或蒸汽换算成与水或空气相当的标准流量，然后根据标准流量值从说明书中选择适当的口径。管道口径最好与流量计口径相同，当有差异时，应配用异径管。本实验选用LZD型电远传转子流量计，本流量计的配套仪表是输入信号范围为010MA。4.5 各种按钮的选择按钮的选择依据主要是根据需要的触电对数，动作要求是否需要带指示灯，使用场合以及颜色等要求。刀开关主要用于接通和切断长期工作设备的电源及不经常起动及制动、容量小于7.5KW的异步电动机。选择它的依据主要根据电源种类、电压等级、短流容量及需要极数。当用刀开关来控制电动机时，其额定电流要大于电动机额定电流的3倍 。组合开关的选择依据是电源种类、电压等级、橱头数量。当采用组合开关来控制5KW以下小容量异步电动机时其额定电流一般为（1.52.5）IN，接通次数小于（1520）次/h，常用的组合开关为HZ10系列。 4.6 接触器的选择接触器分直流和交流两大类，交流接触器主要有CJ0及CJ10系列。在一般情况下，交流接触器的选用主要依据是接触器主触头的额定电压、电流要求，辅助触头的种类、数量及其额定电流，控制线圈电源种类、频率与额定电压，操作频繁程度负载类型等因素。具体做法如下：a. 主触头的额定电流应大于、等于负载电流，对于电动机负载可按下面经验公式计算主触头电流IN：由7IN= （44）式中，PN为控制电动机额定功率（KW）；UN为电动机额定线电压（V）；k为经验系数取11.4。在选用接触器额定电流应大于计算值，按被控制电动机的容量进行选取。b. 主触头额定电压应大于控制线的额定电压。c. 接触器触电数量、种类应满足控制需要，当辅助触电的对数不能满足要求时，可用增设中间继电器方法来解决。d. 接触器控制线圈的电压种类与电压等级应根据控制线路要求选用。简单控制线路可直接选用380V、220V。线路复杂，使用电器较多时，应选用127V、110V或更低的控制电压。4.7 继电器的选择a.中间继电器、电流继电器、电压继电器的选择依据主要是：被控制或被保护对象的特征，触头的种类、数量、控制电路的电压、电流、负责性质等因素。线圈电压、电流应满足控制线路的要求。如果控制电流超过继电器触头额定电流，可将触头并联使用也可以采用触头串联使用方法来提高触头的分短能力。b.时间继电器选用时应考虑延时方式、延时范围、延时精度要求、外形尺寸、安装方式、价格等因素。c.热继电器发热元件额定电流，原则上按被控制电动机的额定电流选取，并依此选择发热元件编号和一定的调节范围。4.8 熔断器的选择电流是选择熔断器的关键，它与负载大小、负载性质密切相关。对于负载平稳、无冲击电流，而对于像电动机一类有冲击负责，熔体额定电流可按下式计算值选取。单台电动机长期工作：由7 IR=（1.52.5）IN （45）多台电动机长期共用一个熔断器保护：由7 IR=（1.52.5）INmax+IN （46）式中，INmax为容量最大一台电动机的额定电流；IN是除容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和。4.9 传感器的选择我选择的是投入式压力传感器其原理如下：钢弦固定在上下夹块之间，弦中央固定一块纯铁，靠近纯铁安装磁钢和线圈，下夹块固定在膜片上。当有一脉冲电流流过线圈时，纯铁块由于被电磁力吸引，当脉冲电消失后，纯铁块连同钢弦在初始张力的作用下产生机械振动，引起线圈中的磁通量变化，从而在线圈中感应产生周期变化的电动势并以交流电信号的形式从线圈两段输出。由于弦的机械能耗损和磁钢及线圈的电磁能量损耗，使振幅逐渐减小，但频率可看成不变。当外界压力作用于膜片时，膜片中心发生变形，从而导致弦的张力发生了变化，这是钢弦在电脉冲作用下，振动的频率亦发生变化，输出电信号的频率也发生相应的变化，将传感器和二次仪表及微机系统连接，就可以进行压力测量如图42：图4-2 投入压力传感器原理图4.10 电动执行器的选择根据实验装置需要我选择DJK型角行程电动执行机构4.10.1 用途DKJ型电动执行机构是DDZ-II型电动单元组合式检测调节仪表中的执行单元。它以电源为动力，接受统一的标准信号0-10mA（直流），将此转变成与输入信号相对应的转角位移，自动地操纵风门挡板、阀门，完成自动调节任务，广泛用于发电、冶金、石油、化工、轻工业等部门。使用DKJ型电动执行机构的自动调节系统，配用DFD-09型电动操作器，可实现调节系统手动和自动无扰动的切换。4.10.2 型号DKJ-210 出轴力矩：100N.m出轴每转时间：100S供电电源：单相VAC消耗功率：20W重量：31Kg4.10.3 主要技术性能输入信号0-10mA DC 回差1.5%出轴力矩100N.m纯滞后1S出轴每转时间100S 电源电压220V 50Hz出轴有效位移 0-90（转角） 使用环境温度输入电阻200欧伺服放大器0-+50输入通道3个互相隔执行机构-10-+55死区3%使用环境湿度伺服放大器85执行机构 95%4.10.4 工作原理DKJ型电动执行机构是用一个单相伺服电动机为原动机的位置伺服机构，其系统方块如图43下：ZPE伺服放大器SD单相伺服电动机WF位置发送器J减速机DJD电动操作器图4-3 DKJ型电动执行机构系统方块图4.11 CPU的选择因为选择单片机来实现这次实验装置的自动控制，所以选择芯片很重要。这里选择的是51系列的CPU51子系列的主要功能有：8位CPU；片内带振荡器，振荡频率范围为1.2-12MHz；可有时钟输出；128个字节的片内程序存储器（8031无）；趁许存储器的寻址范围为64K字节；21个字节专用寄存器；4个8位并行I/O接口，可多机通信；2个16位定时器/计数器；中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级；111条指令，含乘法指令和出发指令；有强的位寻址、位处理能力；片内采用但总线结构；用单一+5V电源。52子系列单片机与51子系列单片机的不同在于：片内数据存储器增至256个字节；片内程序存储器增至8KB（8032无）；有3个16位定时器/计数器；有6个中断源。其他性能均与51子系列相同。这样看来52系列的单片机的功能在某些方面比51子系列强的多，但是由于这里的实验装置所需要的只要51子系列的就足够了所以选择51子系列的单片机。51子系列的单片机可分8031、8051、和8751三种机型，8031内无程序存储器；8051内有4k字节的掩膜程序存储器；8751内有4k字节的EPROM。这三种芯片没有多少本质的区别，它们所代表的是三个不同的版本。8051是目前最流行的51系列单片机芯片：8位CPU、128B RAM、4KB ROM、23个特殊寄存器、4个8位并行口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。8751：仅仅是将8051的4KB ROM改为4KB EPROM。8031：与8051相比较，不含有ROM，算不上是完整的单片机。一旦使用，就需要扩展ROM，比较麻烦。 并且市场上这种单片机渐渐被淘汰。所以根据实验装置的需要这里选择的是89C51的单片机。作为CPU的芯片选择AT89C51：带有4K字节闪速存储器的8位微控制器AT89S51这是一个带有4K字节闪速可编程可擦除只读存储器的低功能，高性能的CMOS8位控制器，它与工业标准80C51的指令设置和管脚输出相兼容。它可以与MSC-51产品兼容；具有4K字节内部可编程闪速存储器；它可以进行1000次写/擦除；它的数据可保持10年；它的2髋工作电压范围为2.7-6V；它的全静态工作时的频率为0HZ-16MHZ；它具有三级程序存储锁存；它有32根可编程I/O接口线；它有2个16位定时/记数器；有5个中断源；有可编程串行口；有低功率休眠和功率下降模式；其极限参数为：工作环境温度范围：-55-125存储温度：-65-150与地相连任一脚电压-1.0-7.0V最大工作电压：6.6VA直流输出电压：5.0MA4.12 如何根据控制要求选择PLC机型如何根据控制要求来选择机型是使用可编程控制器的很重要的一步，在选择PLC时，根据自己的需要，既不能选择比实际运用多的多的点数，也不能使点数不够用，FX2N 系列每一种都有它的扩展模块，要尽可能充分利用。在选择时考虑到以下几点就可以了。a.分析系统类型是属于单位控制对象的小系统，还是慢过程大系统，或者实时控制快速系统等。工业现场对控制器响应速度有何要求。b.有多少点开关量输出，是直流电压输入还是交流电压输入，电压分别为多c.有多少点开关量输出，采用何种输出方式，常用的输出方式有继电器输出、双向晶闸管输出及晶体管输出等方式。输出功率分别为多大。d.有多少模拟量输入和多少模拟量输出，各自的精度要求为多少，采样的速率要求有多高。e.需否扩展配置，若需扩展配置，是采用本地扩展配置，还是采用远程扩展配置，或者二者都要；若有远程扩展配置，是接终端还是接模块。f.是否有特殊控制要求，如高速计数器、位控及运动控制单元、温度单元、凸轮定位器、PID单元、语音单元等。g.是否有通信及组网的要求，通信及联网打算采用何种方式。不同厂家的设备是否兼容，比如：要选择的PLC，其通信及网络是否支持已选择好的智能装置等。h.对于可靠性要求有多高，需否冷备份或热备份。i.控制机房与工业现场是分开还是一起。j.输入、输出单元及内存容量等应考虑一定的冗于配置，以备以后的扩展。4.13 选择单片机的理由 近几十年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高、灵活通用等优点，因此在各种专业控制中也得到了广泛的应用。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已经渗透到了诸多学科和各种领域乃至人们生活的方方面面。单片机在各个技术领域中的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：单片机构成的应用系统具有较强的可靠性；系统扩展和系统配置比较典型而规模的应用系统；由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测控功能由软件实现，故具有柔性特点；有优异的性能价格比。机等等！而其中8位单片机又有很多派别，在中国主流分为：PIC、MCS51、AVR等等！自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。纵观20年来单片机发展里程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。4.13.1 单片机寿命长这里所说的长寿命分两个方面:一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作10年，20年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁，产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的CPU类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。4.13.2 8位、16位、32位单片机共同发展这是单片机技术发展的另一个动向。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通信、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足的发展。以MOTOROLA68k为CPU的32位单片机为例，1997年的销售量达8千万枚。过去认为由于8位单片机功能越来越强，32位机越来越便宜，使16位单片机生存空间有限，而16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。4.13.3 单片机的速度越来越快MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了许多。MOTOROLA单片机则使用了锁相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟频率。68HC08单片机使用4.9M外部振荡器而内部时钟达32MHz，而M68K系列32位单片机使用32K的外部振荡频率，内部时钟可达16MHz以上。4.13.4 低电压低功耗自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺所代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3um工艺发展1.5、1.2、0.8、0.5、0.35进而实现了0.2um工艺，全静态设计使时钟频率从直流电到数十MHz任选，都使功耗不断下降。MOTOROLA最近推出任选的M.CORE可在1.8V电压下以50MHz/48 MIPS全速工作，功率约为20mW。几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在36V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供电的单片机已经问世。4.13.5 低噪声与高可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路，增强了“看门狗”的性能。MOTOROLA也推出了低噪声的LN系列单片机。寿命长、8位、16位、32位单片机共同发展、速度快、低电压、低功耗、低噪声、高可靠性技术这正符合了实验装置的需要所以在这里选择单片机来实现这次实验装置的自动控制。5 设计计算5.1 水槽尺寸计算 根据所选水泵的参数，流量Q为6.0/h，即6/60=0.1 /min。在实验中，打开水泵抽水时，水装满水槽的时间既不能太长也不能太短。为了节省实验时间，需要在23分钟内使水槽中的水达到实验所需要的的液位。对于单回路反馈控制的实验，可以选择两分钟内使实验装置中水位达到平衡。水泵的流量Q为0.1 /min。实验装置中水位达到平衡的时间h为3min。设三个水槽的总体积为V。则V=Qh =30.1=0.3 由V 可初步选择两个装有两个液位变送器的水槽即槽1和槽2的尺寸为600400300(mm)的水槽、用于水循环的槽3为700500300（mm）的水槽。此时总体积：V=2（600400200）+700500300 =0.297液位平衡时间h=V/Q=0.397/0.1=2.97min由于计算所得的时间h在所需要的时间范围23分钟之内，这就说明水槽的尺寸选择合适。选择白口铁作为三个水箱的材料，壁厚为5mm， 槽1中的水通过水管流入槽2，槽2中的水又通过水管流回到槽3中。样对于水来说，始终处于循环状态。其中槽3为储槽，是为了构成水的循环而设置的。5.2 框架的材料选择及尺寸的确定框架选用不锈钢根据所选的水泵、流量计、液位传感器、电动执行器、水管及水龙头的尺寸确定框架结构的尺寸。箱架的断口截面尺寸为4040（mm）。箱架设置为三层：上两层框架距离=水槽高+留出的水管水龙头尺寸和压力传感器的高度 =300+70+100+60 =530（mm）底层框架距离 =水槽高+留出的水管水龙头尺寸=300+70100+602 =590（mm）整体结构： 长=335+700+435=1465mm） 宽=140500140=780（mm） 高=530+530+590=1650（mm）为了使实验装置的结构紧凑，电控箱的尺寸设计为400200200（mm）。 5.3 通过计算选择各种电器元件 a. 皮带输送机的电熔器及熔断器FU2的选择：由7 IRN = （51）型号为RL160，外形尺寸为接触器KM4的选择：由7 IC= （52） 型号CJ10-10，外形尺寸为 热继电器FR2的选择：由7 I （53） 型号JR16B-20/3b. 入磨输送机的电熔器及熔断器FU3的选择：由7 IRN= （51） 电熔器、熔断器及热继电器的型号与皮带输送机相同。c. 斗式提升机的电熔器及熔断器FU4的选择：由7 IRN= （51） 型号为RL1-60，外形尺寸为 接触器KM4的选择：由7 IC= （52） 型号为CJ10-10，外形尺寸为热继电器FR2的选择：由7 I （53） 过电流继电器KI1、KI2的型号为DL-54Q，外形尺寸为6 结论在本次电气控制的设计中主要有以下几个优点： a)实行了由继电器控制向PLC控制的转变，提高了自动化程度，降低了工人的劳动强度，操作简单，效率高。 b)不仅用PLC控制机械，还实现了用PLC控制系统的电磁换向阀，实现了液压系统的控制。 c)虽然PLC有它的很多优点，但还是要对继电器控制的系统有一定的了解，因为它们是在原理上相通的。d)在保证质量的前提下，能适应大规模生产的需要，并且对工人的技术要求也不高。所以本设计达到了预期的效果，但还存在以下不足之处：a)设计的控制系统在逻辑上并不是很完美，而且存在很大的缺陷，降低了生产的效率。b)报警系统在我的设计中并没涉及到，它在整个系统中对生产的安全起到很重要的作用。c)系统在设计时还有手工操作的并没很好的实现自动化。 参考文献1周力平PLC在小型化工生产过程控制中的应用J湖北化工，1997(3)：63-64.2杨祥刊，李保金主编.水泥设备标准手册M. 北京: 中国建材工业出版社，1995.3何离庆主编.过程控制系统与装置M.重庆大学出版社,2002.4王毅. 教学过程控制的认识与实践J. 大连水产学院,1994(3)：33-36.5朱昆泉，许林发主编.建材机械工程手册M. 武汉: 武汉工业大学出版社,2000. 6曲忠庆,王君慧. 计算机在过程控制中的应用和发展J.洛阳农专学报,1994 (1)：53-57.7俞金寿主编.过程自动化及仪表M.北京：化学工业出版社,2002.8 林中达. 过程控制系统的实时性分析J. 东南大学学报,1995(4)：94-97.9陈凤谋. 过程控制中多任务并行模式J.广西科学,1995(2)：14-17.10 翁维勤，孙洪程主编.过程控制系统及工程M.化学工业出版社,1995.致谢 本次设计的设计的内容是过程装备与控制专业综合实验设计。设计中采用了继电器控制和PLC控制，使以前学的知识得到的巩固，对PLC的各种型号及工作原理都有了更深的理解。本