化工自动化仪表实训正文.doc

绪 论本实训平台的设计结合了目前各大院校化工测量及仪表、检测技术及仪表、热工自动化及仪表、非电量测量与控制技术、过程控制等课程实验大纲的要求。通过该实验装置的使用和学习，学生能够掌握有关化工仪表及自动化的基本知识，对有关仪表的安装、调试及使用有一定的了解，并对化工生产中如何进行液位、温度、压力和流量等参数的自动化控制有基本的认识。本实验装置的设计思想主要是通过学生使用本实训平台，首先完成传感器与检测技术等一系列基本实验，来掌握传感器与检测技术课程所要求的基本原理、操作技能和动手能力，以及对化工生产现场的工业自动化仪表有一定程度的认识，并掌握其使用方法。还能通过完成几个综合性实验，对控制系统有一个较为全面的认识，形成基本解决实践问题的知识体系。并能进一步让学生自己组合和设计各种不同的实验系统，进行创新性实验，培养其创新思想和能力。本实验指导书中大量篇幅描述了实际工业现场常用的仪器仪表，并对传感器及仪表进行有针对性的解析，在第一章中，对本套系统作了整体的介绍，包括硬件和软件部分；第二章中对化工中最常用的离心泵进行了介绍；第三章对工业现场应用普遍的执行器电动调节阀作了详细的技术描述；第四章对本套装置中四块三类仪表进行了详细介绍；第五章对装置的主题传感器和变送器进行了叙述讲解；第六章实现了对四大热工参数的自动控制；第七章着重讲解了无纸记录仪在化工生产现场中的一个重要应用；第八章可完成一些开放性的实验项目，如组态编程和控制实验。在解析说明过程中侧重于对学生动手能力的锻炼，在常用的四大热工参数的传感器检测手段上，都作了两种以上的选型，使学生对传感器的工作原理有一个比较认识过程，另外增加了两种执行机构，使参数变得可控，进而可以使用者在认识传感器的基础上进行控制类实验，使实验装置不仅具有良好的自动检测功能，同样具有更高的自动控制功能。本实验指导由于编者时间仓促和水平能力有限，很多内容是作者的经验和见解，欢迎高校老师的批评指正，以使本实验指导书日臻完善。第一章 实验装置的结构组成和系统认识实验1.1 实验系统认识实验本套系统将现场对象系统和二次仪表操作台结合为一体，在操作对象系统的同时，可以就地查看显示仪表的相关信息。实验装置中配备有压力、流量、温度、液位传感器，除温度输出阻值外，其它三种均有相应的变送器对传感器输出信号进行变送，以输出电流信号给仪表（或远传）使用。为实现对上述四大热工参数的自动调节，本套装置中，还配备有相应的调节执行器- -电动调节阀和调压模块，前者可以对压力、流量和液位进行自动调节控制，后者可实现温度的平滑连续调节。控制箱中装有四块工业常用的仪表，可以同时采集三路现场信号进行对比显示，也可经三路不同的信号同时显示在一块仪表中，并能对实时变化的参数进行存储和绘制实时和历史曲线。本套装置还配备上位机监控系统，利用组态软件将仪表所有数据采集显示并绘成曲线，通过对过程参数变化曲线的对比，能更直观有效的分析传感器变送器的各大性能指标，为方便实验针对每一时刻参数的具体数值作查询，上位机软件中具有数据报表功能，可以同时记录所有仪表采集的变量值，对本套实验装置中所有的参数，本软件工程都对应开发了相应的自动控制实验项目，另外还可自行开发实验项目。1.1.1 系统结构流程图如下：图1-1-1 THPHG-1对象系统流程图1.1.2 上位机工程实验项目如下：图1-1-2 THPHG-1工程主菜单1.2 实验装置硬件组成本套装置为对象和现场变送器显示二次仪表一体式结构设计，对象系统中由液位水箱、复合加热水箱、仪表控制箱、各类检测装置、两套执行器、一套水路动力系统以及一个接线箱组成。1.2.1 液位水箱：液位水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化。为严格按照压力变送器量程需要，水箱高度需与传感器量程对应起来，水箱尺寸为：直径*高=250*550mm。水箱由缓冲槽、工作槽、采压孔、出水管和溢流管组成，进水时水管中的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经隔板边缘流入出水管，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部连接有电容式、扩散硅和差压液位压力变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=66cm3543，能同时满足液位水箱和复合加热水箱的实验供水需要。储水箱内部有椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。 1.2.2 复合加热水箱：复合加热水箱由两层水箱结构组成，内层为加热水箱，配备有1KW电加热管，尺寸为：直径*高=200*370mm。其顶盖上还布有一条进水管路和两只温度传感器，分别为PT100和Cu50热电阻，插入深度垂直居中、水平偏前。加热水箱中设有进水管路，还有溢流保护口，保护顶盖不承受较大压力。整个内层加热水箱悬浮于外层有机玻璃水箱中，加热筒底部由一圈接触面积很小的圆形支架固定在外层有机玻璃水箱内。外层冷却水箱同样拥有独立的进水管路和溢流保护出水管，可以有效降低内层加热水箱内液体水的温度，其体积较大，外圆尺寸为：直径*高=35cm*35cm。1.2.3 仪表显示控制箱：仪表控制箱左上方标有本套装置的具体型号，面板示意图如下图1-2-1：控制面板部分包含的主要器件：1.2.3.1 单相带漏电保护断路器：本套装置为单相三线220V10/50Hz供电，整机容量时，需对泵的特性曲线进行修正。2.2.3.3 离心泵转速对特性曲线的影响 离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的，当泵的转速改变时，泵的流量、压头及轴功率也随之改变。当液体的黏度不大，且转速变化小于20%时，可认为泵的效率不变，此时泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系为 （2-2）式中 ，转速为时的性能参数；，转速为时的性能参数；上式称为比例定律，据此式可将某一转速下的特性曲线转换为另一转速下的特性曲线。2.2.3.4 离心泵叶轮直径对特性曲线的影响 当离心泵的转速一定时，对同一型号的离心泵，切削叶轮直径也会改变泵的特性曲线。当叶轮直径的切削量不超过5%时，认为泵的效率不变，泵性能参数变化同样有近似关系 （2-3）上式称切削定律。第三章 电动调节阀的工作原理及特性认识实验电动调节阀是本套装置的执行单元之一，执行单元是构成控制系统不可缺少的重要组成部分。任何一个最简单的控制系统也必须由检测环节、调节单元及执行单元组成。执行单元的作用就是根据调节器的输出，直接控制被控变量所对应的某些物理量，例如液位、温度、压力和流量等参数，从而实现对被控对象的控制目的。因此完全可以说执行单元是用来代替人的操作的，是工业自动化的“手脚”。3.1 电动调节阀工作原理概述3.1.1 电动调节阀的工作原理：执行器按照使用能源的种类，可分为气动、液动和电动三种，本套装置采用的是智能型单座调节阀。顾名思义它是由电动执行器进行操作的，它接受调节器的输出电流420mA信号，并转换为相应的输出轴直线位移，去控制调节机构已实现自动调节。电动调节器的优点则是能源采用方便，信号传输速度快，传输距离远等。执行器有执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它可以按照调节器的输出信号量，产生相应的推力，以带动智能调节阀的主推动轴产生直线位移，主推动杆总位移为16mm，控制单座调节阀0100%的开度连续变化。而调节机构（调节阀）是执行器的调节装置，它受执行机构的操纵，可以改变调节阀阀芯与阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的。本执行器的结构如图3-1-1所示，电动执行器首先接受来自调节器的输出信号，以作为执行器的输入信号即执行器的动作依据；该输入信号送入信号转换单元，转换信号制式后与反馈的执行机构位置信号进行比较，其差值作为执行机构的输入，以确定执行机构的作用方向和大小；执行机构的输出结果再控制调节器的动作，以实现对被控介质的调节作用；其中执行机构的输出通过位置发生器可以产生其反馈控制所需要的位置信号。图3-1-1 电动执行器的工作原理从上述描述和图3-1-1可知，电动调节阀执行机构的动作构成了负反馈控制回路，这是提高执行器调节精度、保证执行器工作稳定的重要手段。为保证电动执行器输出与输入之间呈现严格的比例关系，必须采用比例负反馈构成闭环控制回路，下图3-1-2为本套装置的电动执行器的工作原理示意图：图3-1-2 电动执行器原理图其中Ii表示输入电流，表示输出轴转角，两者存在如下关系： （3-1）K是比例系数。上图3-1-2中伺服放大器由前置磁放大器、可控硅触发电路和可控硅交流开关组成，如下图所示：图3-1-3 伺服放大器原理图伺服放大器将输入信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其偏差经伺服放大器放大后，再控制执行机构中的伺服电机作正反转动；电动机的高转速小力矩，经减速后变为低转速大力矩，然后进一步转变为直行程输出。位置发生器的作用是将执行机构的输出转变为对应的420mA反馈信号If，以便与输入信号Ii进行比较。3.2 调节阀的流量特性测试实验3.2.1 调节阀的流量特性曲线:调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系，即 （3-2）式中为相对流量，即某一开度流量与全开流量之比；/为相对行程，即某一开度行程与全行程之比。目前常用阀的理想流量特性分为：直线特性、对数（等百分比）特性、快开特性和抛物线特性四种曲线，如下图3-2-1所示：图3-2-1 调节阀的理想流量特性曲线在实际工业场合用的最多的是第一种线性调节阀，此种阀较易配合各种管路和流量传感器完成流量控制，本套装置也是采用线性调节阀。实际应用中，理想特性曲线较难得到，因为当将调节阀实际接入管道时，其特性会受多种因素的影响，如连接管道阻力、前后压差、多管路融合与分支等，所以很难得到理想流量特性描述的四种曲线，本套装置也不例外，但在大部分区域内调节阀依然保持线性工作状态。3.2.2 调节阀的流量特性测试1、实验目的： 掌握实验步骤及数据的测试方法。 通过实验测试数据验证电动调节阀的特性在大部分曲线范围内工作属于线性的。 分析为什么调节阀的流量特性曲线和理想特性曲线是有区别的。2、实验设施：化工自动化仪表实验平台、实验导线、计算机、MCGS组态软件、RS485/232转换器；3、实验原理：为了测量调节阀的特性曲线，首先需要把对象系统的管路开通，确保水能在动力系统的驱动下流经电动调节阀和流量计，最后将水打出水管，管路流通见下3-2-2图。对于本套装置的流量测量装置主要有三种：电磁流量计、涡轮流量计和孔板流量计，在考虑测量精度和流体压力损失较小的情况下，优先选用电磁流量计进行测量，然后流经涡轮流量计，将阀前管道尽可能地放长，并将电磁流量计输出信号送到智能仪表测量端用于现场显示和上位机监控，通过上位机绘制曲线即可判断电动调节阀的特性曲线是否为线性。图3-2-2 电动调节阀流量特性测试流程图4、实验步骤： 实验之前先将储水箱中贮足水量，一般接近储水箱容积的4/5，然后将阀F1-2、F1-3、F1-7全开，其余手动阀门关闭； 将仪表控制箱中的1#通讯线（接有两块智能调节仪和一块流量积算仪）经RS485/232转换器接至计算机的串口上，本工程初始化使用COM1端口通讯； 将仪表控制箱中“电磁流量计”的输出对应接至智能调节仪的“05V/15V输入”端，将智能调节仪的“420mA输出”端对应接至“电动调节阀”的控制信号输入端； 打开对象系统仪表控制箱的单相空气开关，给所有仪表上电； 智能仪表基本参数设置：Sn=33、DIP=0、dIL=0、dIH=1200、oPL=0、oPH=100、CF=0、Addr=1； 打开MCGS组态环境，选择“化工仪表工程”，按“F5”进入运行环境，点击“进入实验工程”，然后进入实验“主菜单”，选择“实验一、电动阀流量特性测试实验”； 在实验界面中有“通讯成功”标志，表示计算机已和三块仪表建立了通讯关系；若显示“通讯失败”并闪烁，说明有仪表没有与上位机通讯成功，检查转换器、通讯线以及计算机COM端口设置是否正确； 通讯成功后，本实验需要手动控制智能调节仪的输出，以控制电动调节阀的开度改变管道流量的大小。建议使用仪表的手动按钮修改仪表的420mA电流输出值，如果使用上位机控制实验界面中的手动输入功能，设置完成后需要查看现场仪表有无设置进去，如果没有设置进去可以多设置一到两次，在接下来的实验项目中如果有用到手动输出功能的地方，都需作此查看，以下实验不再一一重复。 首先手动控制智能调节仪的输出到20%，打开仪表控制箱中的“离心泵”旋钮开关（所有实验项目中除流量批量控制实验中使用离心泵的自动开关外，其他实验均使用手动开关，离心泵的手自动开关位于离心泵黑色接线盒的右侧，标有“一”字样为自动状态，标有“二”字样为手动状态，选择手动状态后，就可以直接使用仪表控制箱中的离心泵二位旋钮开关来控制离心泵的运转状态）； 待实验界面中“调节阀流量”稳定后，点击实验界面中的“取点并连线”按钮，曲线即可取出本次电动调节阀的开度以及电动调节阀的相对流量点，以与下一个点连线；重复和本步骤，依次将电动调节阀的开度增加5个百分点，直到80%为止，观察并分析电动调节阀的线性度。5、实验报告及要求： 画出本实验对象系统方框图； 根据实验测试数据，分析电动调节阀的特性； 分析影响电动调节阀特性曲线有别于理想特性曲线的因素有哪些，并一一列举。3.3 电动调节阀的流量系数流量系数直接反应了流体流过调节阀的能力，是调节阀的一个重要参数。流量系数定义为当调节阀全开、阀两端压差为0.1MP、流体密度为1时，每小时流过调节阀的流量值，通过或计。例如，调节阀的流量系数C=40，则表示此调节阀压差为0.1MP时，调节阀全开每小时能够流过的水量为40m3。对于不可压缩流体，流过调节阀的流量为： （3-3）考虑选取截面积A的单位为cm3，压力和的单位为Pa，密度的单位为g/m3，则上式需修为： （3-4） （3-5） （3-6）流量系数C定义为： （3-7） （3-8）从上式可知，流量系数C值取决于调节阀的接管截面积A和阻力系数。其中阻力系数主要有阀体结构所决定，口径相同，结构不同的调节阀，其流量系数不同。通常生产厂商所提供的流量系数C为正常流向时的数据。本调节阀的技术指标见下节。3.4 电动调节阀的主要技术指标3.4.1 执行机构：型 式：智能型直行程执行机构输入信号：420mA输入阻抗：250输出信号：420 mADC输出最大负载： 650断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0100%间预置的任意值电 源：220V10%/50Hz推力规格：1KN行 程：16mm阀作用型式：任意设置正/反作用,本套装置设定为反作用方式防护等级：IP65基本误差：1.0%死 区：0.5+5%，本套装置设定为0.5%环境温度：-10+653.4.2 阀体：公称通径：20mm公称压力：PN1.6MPa连接形式：法兰连接材 料：不锈钢阀体上 阀 盖：常温型 -17+220填 料：聚四氟乙烯3.4.3 阀内组件：阀内结构：金属密封材 料：316+N0.6流量特性：线性泄 流 量：金属密封基本误区：+/-1.0%死 区：1.0%可调范围：5013.4.4 流量系数：6第四章 仪表的认识及使用实验仪表控制箱从上到下安装有四块仪表，分别为无纸记录仪、智能调节仪（两块）、流量积算仪；四块仪表均带有通讯功能，从上到下四块仪表默认地址为8、1、2、3，波特率均为9.6K，其中因无纸记录仪与智能调节仪不是同一厂家，驱动不同，所以不能挂在同一计算机串口上，它下面的三块仪表在本套装置对应的软件工程中是同时挂接在了计算机的同一个通讯串口上的，用于完成相关上位机监控实验。4.1 无纸记录仪的认识和使用实验4.1.1 无纸记录仪的功能及作用：无纸记录仪主要作用在计算机通讯区域以外的盲区、需要现场数据显示或其它功用场合，可以进行数据记录、实时曲线显示、历史曲线查看等功能，需要进行数据回收时，可以将无纸记录仪与便携设备建立通讯关系，上传无纸记录仪记录的数据信息，它也可以使计算机实时通过无纸记录仪采集现场数据。4.1.2 无纸记录仪的参数和使用：详见无纸记录仪的使用说明书。4.1.3 无纸记录仪的数据采集：本无纸记录仪只作现场显示功能使用，无控制算法调节和控制信号输出功能。无纸记录仪不同于智能调节仪，它不但可以三通道同时采集智能调节仪的所有信号（包括各种标准规格的电压、电流、热电阻和热电偶），而且可以采集频率信号；它拥有仪表无法显示的现场曲线实时、历史绘制功能，以便操作员能更清楚的了解到设备前期的运行趋势情况。本套装置无纸记录仪如果设置的记录变量的间隔为1秒，最多可以连续记录36个小时的数据，如果将记录间隔改为4分钟，那么它可以记录360天的数据。因为无纸记录仪的三通道均为万能输入，所以当需要改变默认通道的输入信号的规格时，就需要将无纸记录仪的后盖打开，通过跳线来与输入信号对应起来，具体信号与跳线的对应关系可参看使用说明书。4.2 智能调节仪的认识和使用实验4.2.1 智能调节仪的功能及作用：智能调节仪不仅可以采集本套装置中所有传感器和变送器的输出信号在仪表上进行显示，还可以进行设定值控制、模糊PID算法闭环控制、输出420mA线性电流信号控制执行器动作、与上位机建立RS485 通讯关系等等，即可作为现场独立控制器，也可与上位机组成监控网络，是工业现场最常见、和可靠的控制器之一。4.2.2 智能调节仪的参数和使用：详见智能调节仪的使用说明书，本套装置的AI-818智能调节仪与使用说明书上介绍的AI-808P仪表相同（仪表在上电时会显示本块仪表的型号）。4.2.3 智能调节仪的常用功能：4.2.3.1 数据的采集：在仪表进行数据采集前，需要知道本套装置传感器、变送器的输出信号的规格：液位检测： 电容式液位变送器：DC15V 扩散硅液位变送器：DC15V 差压式液位变送器：DC15V流量检测： 电磁流量计：DC15V 涡轮流量计：DC15V压力检测： 电容式差压变送器：DC15V 管道静压变送器：DC15V温度检测： 管道输送介质水温PT100：PT100热电阻 复合加热水箱水温PT100：PT100热电阻 复合加热水箱水温Cu50：Cu50热电阻综上说述，所有传感器及变送器的输出信号分为三种：15VDC、PT100热电阻、Cu50热电阻信号。当采集电容式液位变送器时，仪表需要设置参数为：输入规格Sn=33，输入下限显示值DIL0cm，输入上限显示值DIH50cm，如果想提高显示范围，可将输入下限设为0mm，输入上限设为500mm。设置范围为050cm是与装置上传感器的量程一一对应的，电容式压力变送器的量程为05KP，对应液位高度就为050cm，其它电压输出的变送器