过程控制装置反应釜液位控制毕业设计.doc

装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称过程控制装置反应釜液位控制学 院 电气信息学院专业班级测控技术与仪器081班姓 名学 号毕业设计(论文)的主要内容及要求：主要内容： 1.介绍控制系统的硬件组成，所采用的控制方案； 2.利用西门子s7-300可编程逻辑控制器实现反应釜液位pid控制；3.使用组态王对系统组态；4.监控液位plc 控制系统的运行情况。要求：1. 以过程控制实验装置中的反应釜液位作为被控对象设计一个控制系统，实现对反应釜液位的恒值控制；2.组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；3.实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线；4.选择合适的整定方法确定pid参数，并能在组态测控界面上实时改变pid参数。5.设计的反应釜液位控制系统要能够实现反应釜液位的自动控制，控制效果好，运行稳定，操作方便。 指导教师签字： 过程控制装置反应釜的液位控制摘 要反应釜自1912年发明以来取得迅猛发展，至今全球仍以每年35%的速度递增。全世界反应釜的消费总量达3500万。我国正处于反应釜生产和消费应用的高速增长期，已广泛应用于石油、化工、轻工、食品、酿酒、制药、家电、水电、机械、建筑、市政和各种民用器具中。不锈钢反应釜具有加热迅速、耐高温、耐腐蚀、卫生、无环境污染、勿需锅炉自动加温、使用方便等特点。在相当多的领域里，反应釜的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前反应釜的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。本次设计的主要任务是利用西门子s7-300plc和组态王软件设计一个恒液位控制系统，使液位维持在设定值附近。 本文首先介绍了过程控制实验装置和反应釜单元的一些基本资料，包括系统组成和工作原理。其次是系统控制方案的设计，采用pid串级控制，以西门子s7-300plc为控制器。然后用plc编程软件进行编程，实现反应釜液位的自动控制。并使用组态王对系统组态，制作监控画面。利用上位机对控制系统的运行进行实时监控。最后，对控制系统的性能进行测试分析，详细介绍了系统的实验步骤、调试过程、以及实验结果分析。关键词：监控系统，plc，pid算法，组态王。 liquid level control of process control device reaction kettleabstractthe reaction kettle have made significant development since the invention in 1912 years，still has a increasing at the rate of 3%-5% every year.the world of the reaction kettle total consumption of 35 million. our country is in the reaction kettle production and consumption of application of rapid growth, has been widely used in petroleum, chemical industry, light industry, food, wine, pharmacy, home appliances, water and electricity, machinery, construction, municipal and all kinds of civil appliances. stainless steel reaction has quickly heating, high temperature resistance, corrosion resistance, health, no environmental pollution, without boiler heating, convenient use, etc. in quite a few fields, and the reaction kettle performance quality decided to the quality of the products is good. at present the reaction kettle control system is a microprocessor most used as the core of the computer control technology, can not only improve the degree of automation equipment and improve equipment control precision. this design is the main task of the use of siemens s7-300 plc and kingview to design a constant level control system,maintain the liquid level nearby the setpoint .this paper first introduces the process control experiment device and the reaction kettle of some basic information unit, including the system composition and working principle firstly. second is the design of system control scheme, pid cascade control, with siemens s7-300 plc for the controller. then use plc programming software programming, realize the reaction kettle liquid level in automatic control. and use kingview on system configuration, using the pc to control the operation of the system for real-time monitoring. finally, to control the systems performance in the test analysis, detailed introduces the system of the experiment, the debugging process steps, and the analysis of experimental results.key words:monitoring system，plc，pidarithmetic，kingview。目 录1. 绪论11.1 hdu4000-2型过程控制综合实训系统11.1.1系统组成11.1.2典型化工流程过程控制综合实训对象系统11.2反应釜描述21.3反应釜内部结构及原理31.3.1反应釜结构31.3.2反应釜工作原理31.4液位控制系统控制要求42. 系统控制方案设计52.1 控制思想52.1.1 总体控制思想52.1.2 控制过程说明52.2 控制方案52.2.1 液位流量串级控制系统52.2.2 主、副调节器控制规律的选择62.3 控制算法72.3.1 pid控制算法72.3.2 pid算法的作用73. 系统硬件结构设计83.1 检测装置83.1.1 扩散硅压力液位变送器83.1.2 磁翻转液位计93.2 执行器123.2.1 电动调节阀123.2.2 变频器143.2.3 水泵153.3 通信模块163.3.1 模拟量采集模块163.3.2 模拟量输出模块173.3.3 通信转换模块173.4 开关电源173.5 硬件连接174. 用西门子s7-300plc实现控制系统设计184.1 plc控制系统设计的基本原则和步骤184.2 plc的选型和硬件配置204.2.1 plc型号的选择204.2.2 s7-300 cpu的选择204.2.3 模拟量输入/输出模块204.2.4 计算机与plc的通信214.3 pid控制器的选取及整定214.3.1 pid控制器的组成214.3.2 主、副回路控制规律的选择224.3.3 调节器正、反作用方式的确定224.3.4 采样周期的分析234.3.5 参数整定234.4 plc程序设计234.4.1 plc程序设计方法234.4.2 编程软件step7244.5 液位控制程序设计264.5.1 程序设计思路264.5.2 程序设计264.6 控制程序及分析335. 利用组态王进行系统组态设计365.1 组态软件描述365.2 系统流程图375.3组态设计385.3.1工程创建385.3.2 定义外部设备和数据变量405.3.3 组态画面创建415.4工程实现425.4.1组态王与plc的通讯425.4.2 系统的运行测试425.4.3 系统抗干扰性能测试43结 论45致 谢46参考文献47附录一 图表目录48vi 1. 绪论1.1 hdu4000-2型过程控制综合实训系统1.1.1系统组成典型化工流程过程控制综合实训系统由：（1） 典型化工流程过程控制综合实训对象系统；（2） 典型化工流程过程控制综合实训系统检测传感执行装置；（3） 智能仪表及电器控制屏台；（4） 典型化工流程过程控制综合实训dcs控制系统组成。1.1.2典型化工流程过程控制综合实训对象系统 典型化工流程过程控制综合实训对象系统采用化工釜式反应系统的工艺控制流程且结构为开放式，学生可进入系统操作。 对象系统由：实训控制对象仿工业设备结构，具有较强现场设备感；具有较丰富的设备种类，包括：l 框架系统：3000x2000x2800mm；（100504mm方钢管，505角铁，606槽钢，扶手护栏：1寸及4分钢管），防锈红丹底漆，喷烤漆处理；l 反应器：采用蒸馏反应釜，不锈钢，高径比分别为1: 2（内胆配置冷却盘管、耐压0.6mpa、夹套加热方式为热水加热），带搅拌电机及及浆叶式搅拌浆）；l 液位容器：采用377x800，及300x800不锈钢密闭容器作为两个高位槽储罐.l 加热容器：377x800加热炉(外带不锈钢包裹的硅酸铝保温棉)；l 压力容器：采用工业300x1000的工业压力储罐做为压力容器，安全且储气容量大，易做压力控制实验；l 换热器：采用1597x1000工业标准列管换热器，换热效果明显； l 滞后盘管：温度滞后控制实验用（滞后时间15秒）；l 管道及阀门：dn25和dn20工业不锈钢管道；永德信铜球阀及闸阀阀门。 系统结构图见化工过程控制实训装置系统结构图。如图1.1所示: 图1.1 hdu4000-2型过程控制综合实训系统1.2反应釜描述反应釜主要应用于石油、聚合、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、缩合等工艺过程的压力容器。根据不同的因素反应釜可分为很多种类，实验室用的是不锈钢反应釜。不锈钢反应釜的适用范围：适用于石油、化工、医药、冶金、科研、大专院校等部门进行高温、高压的化学反应试验，对粘稠和颗粒的物质均能达到高搅拌的效果。不锈钢反应釜的优点具有如下这些优点：1、不锈钢材质具有优良的机械性能，可承受较高的工作压力，也可承受块状固体物料加料时的冲击。2、不锈钢反应釜耐热性能好，工作温度范围很广(-196600)。在较高温度下不会氧化起皮，故可用于直接火加热。3、不锈钢反应釜具有很好的耐腐蚀性能，无生锈现象。4、传热效果比搪瓷反应釜好，升温和降温速度较快。反应釜如图1.2所示：图1.2不锈钢反应釜1.3反应釜内部结构及原理1.3.1反应釜结构反应釜结构：由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成，电加热的配有电加热棒，有的釜内含冷却（加热）盘管。不锈钢材质一般有0cr18ni9（304），1cr18ni9ti（321），00cr17ni14mo2（316l）。 由于用户因生产工艺、操作条件不尽相同，搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等。不锈钢反应釜加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外（内）盘管加热等。密封形式有填料密封、机械密封。支承座有支承式或耳式支座等。使用电加热反应釜夹套内放置导热油，由电热棒加热，同时要保持放空口畅通。转速超过160转以上宜使用齿轮减速机。开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。 1.3.2反应釜工作原理加热不锈钢反应釜夹套内放置导热油，由电热棒加热，夹套上开有进、排油、溢测量、放空及电热棒、测温等接管孔。采用蒸汽加热的不锈钢反应釜则直接在夹套内充蒸汽加热，蒸汽加热反应釜需要有稳定蒸汽热源供应，通常加配锅炉。1.4液位控制系统控制要求1、以过程控制实验装置中的反应釜液位作为被控对象、主回路流量作为调节对象，plc作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个反应釜双闭环控制系统，实现对反应釜液位的恒值控制。2、plc控制器采用pid算法，各项控制性能满足要求：超调量10%，稳态误差0.1；调节时间ts120s；3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线；4、选择合适的整定方法确定pid参数，并能在组态测控界面上实时改变pid参数；5、通过s7-300plc编程软件step7实现plc程序设计与调试；6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论； 7、设计完成后，提交打印设计报告。 2. 系统控制方案设计2.1 控制思想2.1.1 总体控制思想 根据反应釜当前生产现场情况，反应釜的送料完全是人工控制，通过磁力泵从原料罐送到反应釜的，由于产品的不同，混合原料的粘度和比重均不相同，因此单位时间内磁力泵输送的原料重量是不同的变化的，反应釜的化学反应速度，在很大程度上取决于原料，以及氧化剂和还原剂的加入速度。现在只能由人工依据反应釜的温度和出口温度，初略判断反应釜内的化学反应情况，控制阀门开度，这样就很难真正控制好化学反应速度，使产品质量的稳定性和进一步提高反应釜的生产能力都受到了制约。经过仔细的系统分析，参照近代控制论原理，借鉴最新型的控制技术，本方案拟在原料罐磁力泵的出口增加一套电动调节阀，并在氧化剂、还原剂的气动输送泵管路上，再分别各安装电动调节阀。由plc系统根据反应釜内的温度及出口温度，自动调节加料阀门的开度，同时自动调节反应釜夹套冷却水回流阀门的开度，组成一个智能化的多参数的自适应控制系统，以达到进一步综合控制好化学反应速度，最终优化整个反应过程的升温曲线的目的。2.1.2 控制过程说明 本控制系统仍以日本三菱公司q系列plc可编程控制器为核心，上位机采用高性能的组态软件，开发操作可靠、简单易学、实用稳定的监控程序，具有全中文界面，实时数据显示、流量和温控曲线、报警和操作记录，以及完整的生产报表等管理功能，并嵌入反应釜智能化自动控制模块。2.2 控制方案2.2.1 液位流量串级控制系统（1）被调参数：反应釜液位；（2）调节参数：主回路流量；（3）主、副参数的选择主参数的选择：串级控制系统的主回路是一个定值控制系统,副回路要包括主要干扰，我们选择液位作为主被控量。副回路的设计依据以下原则： 副回路应包括尽可能多的扰动.副回路包含的二次扰动以及非线性参数、负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要扰动。在此系统中，主控参数液位的高低与进出水的流量有关，即流量是影响液位的最大扰动信号。在出水流量一定的情况下，我们选取进水流量作为被控副参数。2.2.2 主、副调节器控制规律的选择在串级调节系统中，主、副调节器的工作情况不一样，主调节器起定值调节作用，而副调节器主要起随动调节作用。主参数要求无余差，副参数却允许在一定范围内变动，这样能保证主参数的调节。主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般要求无余差，因此，主调节器选择pid控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化,允许有余差，因此副调节器选择用p控制规律，一般不引人积分控制规律和微分控制规律。液位流量串级控制系统如图： 图2.1 液位-流量串级控制系统结构图液位变送器的主参数测量信号输入主控制器，主控制器的输出作为副控制器的外给定信号，副控制器根据流量变送器的副参数测量信号与来自主控制器的给定信号之间的偏差的大小和方向，经pid运算输出控制信号送去调节阀，控制其开度，调节进水流量达到控制液位的目的。2.3 控制算法2.3.1 pid控制算法pid是一个闭环控制算法。因此要实现pid算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上，下面也将以转速控制为例。pid是比例(p)、积分(i)、微分(d)控制算法。但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是pd,pi,甚至只有p算法控制。我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有p控制，将当前结果反馈回来，再与目标相减，为正的话，就减速，为负的话就加速。现在知道这只是最简单的闭环控制算法。2.3.2 pid算法的作用比例(p)、积分(i)、微分(d控制算法各有作用：比例，反应系统的基本（当前）偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。3. 系统硬件结构设计3.1 检测装置3.1.1 扩散硅压力液位变送器液位传感器是用来对反应釜的液位进行检测，采用工业用的dbyg扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其他ddziiix型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4ma，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20ma。本传感器精度为0.5级，因为二线制，故在工作时需串联24v直流电源。液位传感器用来对反应釜的液位进行检测，采用工业用的dbyg扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制420ma标准信号输出。 液位传感器（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420ma/15vdc）。 一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如420madc等)， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。 压力变送器把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。其原理大致是：将水压这种压力的力学信号转变成 电流（4-20ma）这样的电子信号，压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系。所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大。由此得出一个压力和电压或电流的关系式。压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过 隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。如图3.1所示为液位传感器： 图3.1 液位传感器如图3.2所示为压力传感器：图3.2 压力传感器3.1.2 磁翻转液位计磁翻转液位计可用于各种塔、罐、槽、球型容器和锅炉等设备的介质液位检测。该系列的液位计可以做到高密封，防泄漏和适用于高温、高压、耐腐蚀的场合。它弥补了玻璃板（管）液位计指示清晰度差、易破裂等缺陷，且全过程测量无盲区，显示清晰、测量范围大。磁翻板液位计的零部件材料采用1cr18ni9ti、316l、0cr18ni9ti、1cr18ni9ti衬ptfe（聚四氟乙烯）、pvc、pp 等材料及进口元件，具有优秀的可靠性和抗腐蚀性能。技术参数：测量范围：30012500mm 精确度：指示10mm 测量原理：浮力原理、磁耦合传感技术 测量介质：各种液体及腐蚀、易燃易爆液体介质 输出形式：现场显示、报警、变送器输出 工作压力：6.3mpa 介质温度：450 介质密度：0.45g/cm3 介质粘度：0.15pas 防爆等级：exd bt6.exiact6 防护等级：ip66 材质：各种牌号不锈钢、pvc等 连接方式：法兰dn20、dn25（松套） 使用:磁翻板液位计位计可直接用来观察各种容器内介质的液位高度。它适用于石油、化工等工业领域的液位指示，该液位计结构简单，观察直观、清晰，不堵塞、不渗漏，安装方便，维修简单。玻璃板液位计上、下端安装法兰与容器相连接构成连通器，透过玻璃板可直接观察到容器内液位的实际高度。上下阀门装有安全钢珠，当玻璃因意外损坏时，钢珠在容器内压的作用下自动密封，防止容器内液体外溢，并保证操作人员安全。产品特点： 高灵敏度(避免面板花脸现象)、宽视窗(便于观看)； 各种液体以及高温、高压、腐蚀性和易燃易爆介质液位的连续测量； 现场指示、信号远传(420ma或hart)、一机多能； 显示器以红色指示液位，直观、醒目； 测量范围大、全过程测量无盲区； 显示器与被测介质完全隔离，安全、可靠。可选配报警器、变送器： 液位报警器(干簧管)； 液位报警器(微动开关式)；液位报警器(隔爆式)；液位变送器(本安型)； 液位变送器(静压式) ；uhz系列 顶装浮球(磁浮子、磁翻板液位计 ）。安装与维护：液位计安装必须垂直，以保证浮球组件在主体管内上下运动自如。液位计主体周围不容许有导磁体靠近否则直接影响液位计工f确工作。液位计安装完毕后，需要用磁钢进行校正对翻柱导引一次使零位以下显示红色，零位以上显示白色。 液位计投入运行时应先打开下引液管阀门让液体介质平稳进入主体管，避免液体介质带着浮球组件急速上升，而造成翻柱转失灵和乱翻。若发生此现象待液面平稳后可用磁钢重新校正。 因运输过程中为了不使浮球组件损坏，故出厂前将浮球组件取出液位计主体管外，待液位计安装完毕后，打开底部排污法兰，再将浮球组件重新装入主体管内，注意浮球组件重的一头朝上，不能倒装。如果在出厂时已经将浮球组件安装在主体管内，为保证运输过 程中不伎浮球组件损坏，我们用软卡将浮球组件固定在主体管内，安装时只要将软卡抽出即可。根据介质情况，可定期找开排污法兰清洗主体管沉淀物质。如图3.3所示为磁翻转液位计：图3.3 磁翻转液位计3.1.3 电磁流量计电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在电磁流量计上采用can现场总线。属国内首创，技术达到国内领先水平。如图3.4所示为电磁流量计：图3.4 电磁流量计工作原理： 电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法 拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。 测量原理： 根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度b，导体在磁场内的长度l及导体的运动速度u成正比，如果b，l，u三者互相垂直，则： e=blu(3-35) 与此相仿。在磁感应强度为b的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为d的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线.如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势： e=bd(3-36) 式中，为管道截面上的平均流速.由此可得管道的体积流量为： qv=(3-37) 由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量管内径d成线性关系，与磁场的磁感应强度b成反比，与其它物理参数无关.这就是电磁流量计的测量原理.。需要说明的是，要使式(337)严格成立，必须使电磁流量计测量条件满足下列假定：磁场是均匀分布的恒定磁场；被测流体的流速轴对称分布；被测液体是非磁性的；被测液体的电导率均匀且各向同性。3.2 执行器3.2.1 电动调节阀电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：节电动调节阀能（只在工作时才消耗电能）、环保（无碳排放）、安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。工作原理： 工作电源为dc24v、ac220v、ac380v等电压等级。通过接收工业自动化控制系统的信号（如：420ma）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。电气原理： 电机电源220vac 或者380vac，控制信号420ma，阀里面有控制器，控制器把电流信号转换为步进电机的角行程信号，电机转动，由齿轮，杠杆，或者齿轮加杠杆，带动阀杆运作，实现直行程或角行程。反馈:电机运行，通过齿轮运转，由三接头的滑动变阻器输出阀门的定位信号，此外还有三根线的限位信号（全开、全闭、公共线）。流量特性介绍：电动调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀的相对流量与它的开度之间关系。电动调节阀的流量特性有：线性特性、等百分比特性及抛物线特性三种。安装注意事项：新设计、安装的控制系统，为了确保调节阀在开车时能正常工作，并使系统安全运行，新阀在安装之前，应首先检查阀上的铭牌标记是否与设计要求相符。同时还应对以下项目进行调试：基本误差限、全行程偏差、回差、死区、泄漏量（在要求严格的场合时进行）。如果是对原系统中调节阀进行了大修，除了对上述各项进行校验外，还应对旧阀的填料函和连接处等部位进行密封性检查。调节阀在现场使用中，很多往往不是因为调节阀本身质量所引起，而是对调节阀的安装使用不当所造成，如安装环境、安装位置及方向不当或者是管路不清洁等原因所致。因此电动调节阀在安装使用时要注意以下几方面： （1） 调节阀属于现场仪表，要求环境温度应在2560范围，相对湿度95%。如果是安装在露天或高温场合，应采取防水、降温措施。在有震源的地方要远离振源或增加防振措施。 （2） 调节阀一般应垂直安装，特殊情况下可以倾斜，如倾斜角度很大或者阀本身自重太大时对阀门应增加支承件保护。（3）安装调节阀的管道一般不要离地面或地板太高，在管道高度大于2m时应尽量设置平台，以利于操作手轮和便于进行维修。 （4）调节阀安装前应对管路进行清洗，排除污物和焊渣。安装后，为保证不使杂质残留在阀体内，还应再次对阀门进行清洗，即通入介质时应使所有阀门开启，以免杂质卡住。在使用手轮机构后，应恢复到原来的空档位置。（5）为了使调节阀在发生故障或维修的情况下使生产过程能继续进行，调节阀应加旁通管路。同时还应特别注意，调节阀的安装位置是否符合工艺过程的要求。 电动调节阀的电气部分安装应根据有关电气设备施工要求进行。（6）如是隔爆型产品应按爆炸危险场所电气设备安装规范要求进行安装。如现场导线采用sbh型或其它六芯或八芯、外径为11.3 mm左右的胶皮安装电缆线。在使用维修中，在易爆场所严禁通电开盖维修和对隔爆面进行撬打。同时在拆装中不要磕伤或划伤隔爆面，检修后要还原成原来的隔爆要求状态。 （7）执行机构的减速器拆修后应注意加油润滑，低速电机一般不要拆洗加油。装配后还应检查阀位与阀位开度指示是否相符。如图3.5所示为电动调节阀： 图3.5 电动调节阀3.2.2 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器，它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关，变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑、范围大、效率高、启动电流小、运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。 变频器常见的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点，须按照实际所需进行选择设置，同时也可以根据功能需要选择不同频率给定方式之间的叠加和切换。 三菱fr-s520变频器，4-20控制输入信号，可对流量或者压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或者三相供电，频率可高达200hz。如图3.6所示为变频器： 图3.6 变频器 3.2.3 水泵 水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力，即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。这里采用丹麦格兰富循环水泵。不会影响教师授课减少麻烦。功耗低，220v供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。离心泵工作原理：水泵开动前，先将泵和进水管灌满水，水泵运转后，在叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下，叶轮流道里的水被甩相四周，压入蜗壳，叶轮入口形成真空，水池的水在外界大气压力下沿吸水管被吸入补充了这个空间。继而吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳而进入出水管。由此可见，若离心泵叶轮不断旋转，则可连续吸水、压水，水便可源源不断地从低处扬到高处或远方。综上所述，离心泵是由于在叶轮的高速旋转所产生的离心力的作用下，将水提相高处的，故称离心泵。离心泵的一般特点： （1）水沿离心泵的流经方向是沿叶轮的轴向吸入，垂直于轴向流出，即进出水流方向互成90。 （2）由于离心泵靠叶轮进口形成真空吸水，因此在起动前必须相泵内和吸水管内灌注引水，或用真空泵抽气，以排出空气形成真空，而且泵壳和吸水管路必须严格密封，不得漏气，否则形不成真空，也就吸不上水来。 （3）由于叶轮进口不可能形成绝对真空，因此离心泵吸水高度不能超过10米，加上水流经吸水管路带来的沿程损失，实际允许安装高度（水泵轴线距吸入水面的高度）远小于10米。如安装过高，则不吸水，此外，由于山区比平原大气压力低，因此同一台水泵在山区，特别是在高山区安装时，其安装高度应降低，否则也不能吸上水来。如图3.7所示为水泵： 图3.7 水泵3.3 通信模块3.3.1 模拟量采集模块 模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。remodaq-8017特性如下：模拟量输入通道：8 路差分或 6 路差分,2 路单端 (跳线选择)；输入类型:mv,v,ma(外接 125 电阻)；量程范围：10v，5v，1v， 500mv，150mv，20ma；采样速率：10 次/秒；带宽：15.7hz；精确度：0.1%；零点漂移：20uv/；满量程漂移：25ppm/；cmr：86db；输入阻抗：20m ohms；过电压保护：35v；隔离：3000vdc；输入电压：+10v+30vdc 功耗：1.3w；温度：-2070；湿度：5%90%，无凝露。3.3.2 模拟量输出模块 d/a牛顿7024模块4路模拟输出，电流(420ma) 电压（15v）信号均可。3.3.3 通信转换模块485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300115khz），232口可长距离传输。3.4 开关电源 dc24的开关电源，最大电流为2a，可以满足实验要求。3.5 硬件连接 本系统中，d/a模块中的io0接口为控制器调节阀开度的控制通道，io1为可控硅的电压控制通道，io2为变频器的控制通道。a/d模块中，in0为反应釜液位的检测，in1为主流量的检测，in3为副流量的检测，in4为温度信号的检测，in5为阀位反馈信号的检测，in6为水泵出口压力信号的检测。在d/a模块中，由于模块本身不能提供电源，所以在控制时应串入24v直流电源，输出电流信号控制执行器，agnd为d/a模块公共地。由于变送器输出的都是电流信号，而a/d模块输出的都是电压信号，所以在a/d通道的正负端并联一个250欧姆的电阻，将电流信号转换成电压信号。 系统采用的液位变送器，压力变送器都是二线制的，在检测液位工作时要串入dc24v电源。接线要求：（i/o对应关系表）（1）反应釜液位的检测输出-a/d模块中，in0通道输入；（2）主通道流量的检测输出-a/d模块中，in1通道输入；（3）副流量的检测输出-a/d模块中，in2通道输入；（4）温度信号的检测输出-a/d模块中，in3通道输入；（5）阀位反馈信号的检测输出-a/d模块中，in4通道输入；（6）水泵出口压力信号检测输出-a/d模块中，in5通道输入；（7）主调节阀开度的控制输入-d/a模块中的io0通道输出；（8）可控硅的电压控制输入-d/a模块中的io1通道输出；（9）变频器的输入-d/a模块中的io2通道输出；（10）副调节阀开度的输入-d/a模块中的io3通道输出；（11）模块之间用rs485总线连接；（12）模块与计算机通讯：rs232通讯总线。4. 用西门子s7-300plc实现控制系统设计4.1 plc控制系统设计的基本原则和步骤4.1.1 plc控制系统设计的基本原则 一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。因此，在设计plc应用系统时，应遵循以下基本原则： （1）充分发挥plc功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。（3）保证控制系统安全可靠。（4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择plc的型号、io点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。4.1.2 plc控制系统设计的一般步骤 设计plc应用系统时，首先是进行plc应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行plc应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出plc控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定plc的机型和系统的具体配置。plc控制系统设计可以按以下步骤进行：（1）熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 plc控制系统的控制要求。（2）确定i/o设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）由此确定plc的i/o点数。（3）选择plc选择时主要包括plc机型、容量、i/o模块、电源的选择。（4）分配plc的i/o地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的plc的型号列出i/o设备与plc输入输出端子的对照表，以便绘制plc外部i/o接线图和编制程序。（5）设计软件及硬件进行plc程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，plc控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。（6）联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。开始时，先不带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等负载）进行调试。利用编程器的监控功能，采分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可，全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到eprom中，以防程序丢失。（7）整理技术文件包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等。 plc控制系统的设计步骤可参考下图4.1： 图4.1 plc控制系统的设计步骤4.2 plc的选型和硬件配置4.2.1 plc型号的选择 本温度控制系统采用德国西门子s7-300 plc。s7-300 是是模块化小型plc系统，大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之间也可进行广泛组合以用于扩展。由于s7-300简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。4.2.2 s7-300 cpu的选择s7-300系列的plc有20多种不同型号的cpu，分别适用于不同规模及不同控制要求的项目。本次设计选用的是s7-300 cpu315-2dp。s7-300 cpu315-2dp是全数字化高性能带有大中型程序存储器和profibus dp主/从接口的cpu。除了集中式i/o结构外，它还可用于分布式自动化结构。它在simatic s7-300 中经常被用作标准 profibus dp主站。该cpu也被用作分布式智能设备（dp从站）。它已经依照量化框架作了优化，以便使用simatic工程工具，如： 用scl编程； 用s7-graph进行顺序控制编程； 另外，cpu 为采用软件来实现一些简单的工艺任务提供了一个理想的平台，例如：简单的运动控制； 使用 step 7 块或运行软件“标准/模块化pid控制” 来实现闭环控制任务的解决方案。通过使用 simatic s7-pdiag 可以实现扩展过程诊断。cpu 315-2 dp 安装有： 微处理器，处理器对每条二进制指令的处理时间大约为 50 ns，每个浮点预算的时间为 0.45 s； 256 kb 工作存储器（相当于大约 85 k 条指令），与执行程序段相关的大容量工作存储器可以为用户程序提供足够的空