A3000试验台管道压力和流量接偶控制系统设计本科毕业设计

第一章绪论1.1选题背景及A3000实验台介绍过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成部分。通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。在现代工业生产过程中，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、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。A3000过程控制实验系统是以工业现场工艺设备为背景，以自动化教学要求和自动化工程师认证技能测试要求为依据推出的实验、培训和测试平台。1.1.1A3000总体架构A3000测试平台总体物理系统如图1-1所示。（控制系统有30多种，现场系统可能具有现场总线。）图1-1A3000测试平台总体物理系统图逻辑结构如图1-2所示。图1-2逻辑结构图A3000现场系统特性：1.尺寸：1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度）。全不锈钢框架。2.电力：三相接地四线制380V±10%，单相三线制，220V±10%，3.能耗：最大额定用电6kw/h。自来水120L，可重复使用。A3000控制系统特性：1.尺寸：800(宽度)X60（深度）X1950（高度）。标准工业机柜。2.电力：单相三线制，220V±10%，3.能耗：最大额定用电1kw/h1.1.2测试平台现场系统物理受控系统包括了测试对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器），从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。下面使用示意图和流程图方式介绍现场系统的结构、原理、操作和维护。为了防止动力设备静电积累而触电或者损坏设备，所以系统必须可靠接地现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一台锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统。现场系统工艺流程图如图1-3所示。图1-3现场系统工艺流程图1.2解耦的概念耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。解耦就是用数学方法将两种运动分离开来处理问题，常用解耦方法就是忽略或简化对所研究问题影响较小的一种运动，只分析主要的运动。数学中解耦是指使含有多个变量的数学方程变成能够用单个变量表示的方程组，即变量不再同时共同直接影响一个方程的结果，从而简化分析计算。通过适当的控制量的选取，坐标变换等手段将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的数学模型，即解除各个变量之间的耦合。最常见的有发电机控制，锅炉调节等系统。软件开发中的耦合偏向于两者或多者的彼此影响，解耦就是要解除这种影响，增强各自的独立存在能力，可以无限降低存在的耦合度，但不能根除，否则就失去了彼此的关联，失去了存在意义。在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用，也即系统中每一个控制回路的输入信号对所有回路的输出都会有影响，而每一个回路的输出又会受到所有输入的作用。要想一个输入只去控制一个输出几乎不可能，这就构成了“耦合”系统。由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。三种解耦理论分别是：基于Morgan问题的解耦控制，基于特征结构配置的解耦控制和基于H_∞的解耦控制理论。在过去的几十年中，有两大系列的解耦方法占据了主导地位。其一是围绕Morgan问题的一系列状态空间方法，这种方法属于全解耦方法。这种基于精确对消的解耦方法，遇到被控对象的任何一点摄动，都会导致解耦性的破坏，这是上述方法的主要缺陷。其二是以Rosenbrock为代表的现代频域法，其设计目标是被控对象的对角优势化而非对角化，从而可以在很大程度上避免全解耦方法的缺陷，这是一种近似解耦方法。选择适当的控制规律将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的控制问题。在解耦控制问题中，基本目标是设计一个控制装置，使构成的多变量控制系统的每个输出变量仅由一个输入变量完全控制，且不同的输出由不同的输入控制。在实现解耦以后，一个多输入多输出控制系统就解除了输入、输出变量间的交叉耦合，从而实现自治控制，即互不影响的控制。互不影响的控制方式，已经应用在发动机控制、锅炉调节等工业控制系统中。多变量系统的解耦控制问题，早在30年代末就已提出，但直到1969年才由E.G.吉尔伯特比较深入和系统地加以解决。解耦的方法有三种：完全解耦控制，静态解耦控制和软件解耦完全解耦控制，对于输出和输入变量个数相同的系统，如果引入适当的控制规律，使控制系统的传递函数矩阵为非奇异对角矩阵，就称系统实现了完全解耦。使多变量系统实现完全解耦的控制器，既可采用状态反馈结合输入变换的形式，也可采用输出反馈结合补偿装置的形式静态解耦控制，一个多变量系统在单位阶跃函数（见过渡过程）输入作用下能通过引入控制装置实现稳态解耦时，就称实现了静态解耦控制。对于线性定常系统（A，B，C），如果系统可用状态反馈来稳定，且系数矩阵A、B、C满足关于秩的关系式，则系统可通过引入状态反馈和输入变换来实现静态解耦。多变量系统在实现了静态解耦后，其闭环控制系统的传递函数矩阵G(s）当s=0时为非奇异对角矩阵；但当s≠0时，G(s）不是对角矩阵。对于满足解耦条件的系统，使其实现静态解耦的状态反馈矩阵K和输入变换矩阵L可按如下方式选择：首先，选择K使闭环系统矩阵（A－BK）的特征值均具有负实部。随后，选取输入变换矩阵，式中D为非奇异对角矩阵，其各对角线上元的值可根据其他性能指标来选取。由这样选取的K和L所构成的控制系统必定是稳定的，并且它的闭环传递函数矩阵G(s）当s=0时即等于D。在对系统参数变动的敏感方面，静态解耦控制要比完全解耦控制优越，因而更适宜于工程应用。软件解耦，说起软件的解耦必然需要谈论耦合度，降低耦合度即可以理解为解耦，模块间有依赖关系必然存在耦合，理论上的绝对零耦合是做不到的，但可以通过一些现有的方法将耦合度降至最低。做事情要想事半功倍，就要高处着眼，触摸到事情的脉络。当今流行着各种眼花缭乱的软件框架，不管是struts，还是spring,hibernate，还是.net，还是各种前端UI框架，其设计的核心思想是：尽可能减少代码耦合，如果发现代码耦合，就要采取解耦技术；解耦方法有但不限有如下几种：（a）采用现有设计模式实现解耦，如事件驱动模式、观察者模式、责任链模式等都可以达到解耦的目的；（b）采用面向接口的方式编程，而不是用直接的类型引用，除非在最小内聚单元内部。但使用该方法解耦需要注意不要滥用接口。（c）高内聚，往往会带来一定程度的低耦合度。高内聚决定了内部自行依赖，对外只提供必须的接口或消息对象，那么由此即可达成较低的耦合度。解耦控制是多变量系统控制的有效手段。在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用,这就构成了“耦合”系统。由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。在解耦控制问题中，基本目标是设计一个控制装置，使构成的多变量控制系统的每个输出变量仅由一个输入变量完全控制，且不同的输出由不同的输入控制。在实现解耦以后，一个多输入多输出控制系统就解除了输入、输出变量间的交叉耦合，从而实现自治控制。对于输出和输入变量个数相同的系统,如果引入适当的控制规律,使控制系统的传递函数矩阵为非奇异对角矩阵系统就实现了完全解耦。使多变量系统实现完全解耦的控制器，既可采用状态反馈结合输入变换的形式，也可采用输出反馈结合补偿装置的形式。1.3管道压力和流量的解耦控制管道流量压力控制系统就是一个耦合的系统，如图1-4，系统阀1和系统阀2对管道压力的影响同样强烈，对流量的影响程度也相同。因此当压力偏低是开大控制阀1，流量也将增加，此时通过流量控制器而关小阀2，结果又使管道中的压力上升，阀1和阀2相互作用相互影响着，这是一个典型的关联系统，关联系数与温度等其他因素无关，具有一致性。流量也有类似的情况图1-4管道压力和流量耦合系统图1.4设计内容1.4.1设计要求熟悉控制工艺流程、串级控制的原理，了解串级控制的特点，查阅相关科技文献，掌握控制、检测、通讯等技术要求；对控制系统进行建模（包括机理建模和实验建模）；掌握液位和流量系统对控制的要求，提出控制方案（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容），完成硬件设计（其中还包括理论分析、设计计算、实验及数据处理、设备及元器件选择等），根据工艺要求合理优化，完成软件需求的系统分析和编制；撰写设计说明书，绘制图纸；指定内容的外文资料翻译。1.4.2设计思想本文讨论的是A3000实验台管道压力和流量的解耦控制，当流量增大时，调小变频器，同时管道压力也变小，增大调节阀，压力变小，但流量又会增大。为了解决这种耦合带来的不便，通过解耦，采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个控制的作用。即让电动调节阀只控制压力，变频器只控制流量。如图1-5所示：图1-5管道压力与流量解耦控制示意图A3000实验台管道压力与流量系统主要包括的对象有：下水箱，储水箱，电动调节阀，变频器，增压泵和送水管道以及管道中用到的旋塞阀。这些设备由实验台上两个支路并联构成：涉及的支路1由增压泵，储水箱，涡轮流量计，部分供水管道以及管道中用到的旋塞阀；涉及的支路2由涡轮流量计，压力变送器，电动调节阀下水箱，部分管道以及管道中用到的旋塞阀。由变频器控制增压泵的出水量来调整管道中的压力与流量；由电动调节阀控制阀门的开度也能调整管道中的压力与流量如图2，水介质由泵P101（变频器U-101驱动）从水箱V104中加压获得压头，经手阀QV-103（用于两个支路连接）、流量计FT-101、压力传感器PT101、电动阀FV-101、水箱V103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，水箱只作为一连通器，其中，给水压力由压力变送器PT-101测得，给水流量由FT-101测得。本例为解耦调节系统，调节阀FV-101为被控变量压力PT-101的操纵变量，变频器U-101为被控变量流量FT-101的操纵变量，两条支路各自的调节器的运算输出通过解耦器的函数解耦运算，分别去控制各自调节回路的操纵变量。管道中流量、压力控制系统就是相互耦合的系统。变频器和调节阀都对系统的压力和流量造成影响，因此，当压力偏大而开大调节阀时，流量也将增加，如果此时通过流量控制器作用而调小变频器，结果又使管路的压力下降，变频器和调节阀互相影响，这是一个典型的关联系统。关联的系数与温度等参数无关。由于系统变频器调节I支路流量，调节阀调节II支路流量，为了实现解耦实验，需要并联两个支路。并管之后还可以选择使用II支路的电磁流量计来进行流量测量。在解耦设计方面，我们可以通过前馈补偿解耦法或者对角阵解耦法，使得一个被调节量仅与一个调节器输出量之间有关系，而与另一个独立。从而达到解耦目的而设计中要解决的设计难题是，一个PID控制只有一个过程值输入一个输出，要解决两输入两输出的问题，需要设计解耦器，使用两个PID控制器；并且解耦器的设计是比较困难的，而两个输入和输出组合一个PID调解器也是设计中的难题。控制阀和变频器对系统压力的影响程度同样强烈，对流量的影响程度也相同。解决这些难题需要通过数学建模来解决，这一点我会在第二章第二节会讨论到。第二章系统方案选择2.1常见控制规律的类型比例积分微分调节（PID调节）：PID调节器的动作规律是(2.1)或(2.2)式中δ、TI和TD参数意义与PI、PD调节器相同。2.2控制方案的比较选择单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求，因此，它是一种最基本的、使用最广泛的控制系统。但是也有另外一些情况，譬如输入输出对象是多变量，别且之前还存在耦合，这往往要用到多个控制回路，这时单回路控制系统就无能为力了。另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而解耦控制系统就是解决多变量耦合，改善控制精度和控制质量极为有效的控制系统。压力和流量是工业生产过程中常用的两个参数，对压力和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。而两者之间又使典型的耦合关系，所以必须采取解耦控制才能取得较好的控制效果2.3解耦控制系统数学模型的建立2.3.1机理建模和实验建模的运用对于管道中流量、压力控制系统这个相互耦合的系统，变频器和调节阀都对系统的压力和流量造成影响。因此，当压力偏大而开大调节阀时，流量也将增加，此时通过流量控制器作用而调小变频器，结果又使管路的压力下降，变频器和调节阀互间互相影响，这是一个典型的关联系统。关联的系数与温度等参数无关。如图2-1所示图2-1管道压力与流量解耦控制我们固定P1在小范围内，由于不涉及温度等问题，所以该过程基本上只与压力和开度有关，是时不变的。如果把P1定义成未知数，则可以列出一个方程。使用对角矩阵法进行解耦算法。如图2-2所示。图2-2解耦控制系统框Gc1为流量-变频器的调节器，反作用；Gc2为压力-调节阀的调节器，正作用。对于对象，被调量与调节量具有y=Pμ关系，这里换一个变量符号。公式（2-1）Y1Y2加入控制系统，那么调节量来源于解耦器，调节器(可以是一个PID调节器，等等)输出就是解耦器输入。U1对于采用了解耦器的系统传递函数Y1综合上面的关系，如果G矩阵的逆存在，则我们可以设计D就等于它的逆乘以一个对角阵(可以是单位矩阵)，这样可以使得一个被调节量仅与一个调节器输出量之间有关系，而与另一个独立。从而达到解耦目的。根据我们实验测得P0=80，P2=5，P1设为未知数x。实际数值P0=150kPa*80%水柱，P2=150kPa*5%水柱。那么增益矩阵为(80-X)/75(5-X)/75解耦矩阵(80-X)/(85-2X)(5-X)/(85-2X)注意压力与流量有一个限制关系。简单的，在变频器为35Hz，调节阀开度50%时，这个压力和流量将作为系统稳定时的给定值，然后在这个值附近变动。不能变化太大，否则无法稳定。如果量程范围不一样，或者水泵特性改了，则整个矩阵不同。为了统一，设置如下：(80-X)/(85-2X)(5-X)/(85-2X)2.3.2PID参数的整定方法1)衰减振荡法PID控制器参数整定由于工业生产安全稳定性要求，在不允许进行等幅振荡试验，或者对象特性无法达到等幅振荡的场合，可以采用衰减振荡法进行PID控制器参数整定。与临界比例度法比较而言，参数整定步骤完全相同，唯一的区别是采用纯比例作用得到4:1衰减振荡时的纯比例增益，Ks4:1衰减的阶跃干扰的响应曲线为参数整定计算依据。令Ts为4:1衰减振荡周期，PID参数估算方法参见表2-1。衰减振荡法控制器参数整定的优点是，整定质量较好、对工艺过程干扰较小、安全可靠。缺点是，对于时间常数小的系统不易测取衰减振荡周期TS，干扰频繁的系统也不宜使用。表2-1衰减振荡法PID控制器参数整定计算表控制规律P(Kc)I(Ti)秒D(Td)秒PKSPI0.83KSO.5TSPID1.25KS0.3TS0.1TS2)用经验法整定调节器的参数经验法是依据阶跃响应曲线的形状，调整控制器参数，具有简单方便，适用于记录曲线不规则，外界干扰频繁的控制系统等优点。缺点是参数整定花费时间长、整定结果因人而异，没有明确的标准。经验法的步骤如下：1．首先进行纯比例凑试。置积分时间最大Ti=∞，微分时间为零Td=0。参考表2-1大致选择控制器的比例增益Kc（或比例度PB）的初值。将控制器投自动，对设定值施加一个偏移，记录响应曲线并观察曲线形状，尽量得到4:1的衰减响应曲线。通常，加大增益Kc响应曲线振荡加强，减小Kc响应曲线振荡减弱。每改变一次Kc都要对设定值施加一个偏移，并记录响应曲线，观察曲线形状，直到满足要求。2．第二步进行积分作用凑试。先选择一个初始积分时间值，减小积分时间，积分作用增强；加大积分时间，积分作用减弱。同比例凑试，每改变一次积分时间，都要施加阶跃干扰，并观察响应曲线。由于加入积分作用后系统稳定性有所降低，应将比例增益Kc减小10～20%左右，以便补偿加入积分作用后导致的系统稳定性下降。3．如果需要，最后加入微分作用。微分时间越大，微分作用越强。微分时间Td大约是积分时间Ti的1/3～1/4。加入微分作用后，可适当加大Kc，减小Ti。表2-2经验法P.I.D.参数范围系统P.I.D参数KcPB(%)Ti(秒)Td(秒)流量1-2.540-1006-602-10压力1.4-2.330-7020-1802-20温度1.6-520-60180-60010-100液位1.25-254-80按照以上三个步骤，经过反复凑试直到满意。经验法P.I.D.参数范围如表2-2所示。通常，对于数字式控制器而言，P.I.D.的调整范围如下：KC=0.1~200(PB=999~0.5%)、Ti=1~9999s、Td=0~9999s3)响应曲线法PID控制器参数整定前面三种方法都不需测试对象的动态特性，并且是在闭环系统中进行参数整定。而响应曲线法是在开环情况下，测试广义对象动态特性的控制器参数整定方法。本方法步骤如下：1．首先测取广义对象在阶跃输入下的响应曲线。2．在响应曲线的拐点处作切线，通过切线与初始值和新稳态值的交点，可以测得广义对象的时间常数TP和纯滞后时间τ。于是可以得到一阶惯性加纯滞后通道传递函数简化模型，表达了广义对象动态特性。按照表2-3提供的计算公式，计算得到控制器的最佳参数值。表2-3响应曲线法PID控制器参数整定计算表控制规律P(Kc)I(Ti)秒D(Td)秒PTp/KpτPI0.9Tp2.3τPID1.2Tp2τ0.5τ闭环加阶跃干扰试验整定参数的效果，由于可能出现测试误差，可适当修改相关参数，直到响应曲线满意为止。响应曲线法应用普遍，具有较高的准确度，测试时对生产过程的干扰不大。然而，当广义对象是非自衡过程时无法应用本方法。2.4控制器的选择2.4.1PLC的基本结构PLC,即可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：1）电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去2）中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。4）输入输出接口电路1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。5）功能模块如计数、定位等功能模块。6）通信模块2.4.2PLC的特点及应用PLC其主要特点如下：1.抗干扰能力强，可靠性高2.控制系统结构简单，通用性强3.编程方便，易于使用4.功能完善5.设计、施工、调试的周期短6.体积小，维护操作方便。，使用情况大致可归纳为以下6钟类型：（1）开关量的逻辑控制（2）模拟量控制（3）运动控制（4）过程控制（5）数据处理（6）通信及联网。由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降和PLC功能的不断完善及增强两方面的原因，目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、造纸、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。2.4.3PLC的工作阶段PLC的3个工作阶段。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段。完成上述3个阶段即称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。PLC的扫描工作过程框图如图2-3所示，它清楚地描述了PLC扫描的工作过程。图2-3PLC的扫描工作过程1）输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。2.4.4PLC对输入/输出的处理规则根据上述工作特点，归纳出PLC对输入/输出的处理原则如下。（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新器件的通/断状态。（2）程序如何执行取决于用户所编写程序和输入/输出映像寄存器的内容及各元件映像寄存器的内容。（3）输出映像寄存器的数据，取决于输出指令的执行结果。（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。（5）输出端子的通/断状态，由输出锁存器决2.4.5软PLC的介绍软PLC开发系统实际上就是带有调试和编译功能的PLC编程器，此部分具备如下功能：①编程语言标准化，遵循IEC61131-3标准，支持多语言编程（共有5种编程方式：IL，ST，LD，FBD和SFC），编程语言之间可以相互转换；②丰富的控制模块，支持多种PID算法（如常规PID控制算法、自适应PID控制算法、模糊PID控制算法、智能PID控制算法等等），还包括目前流行的一些控制算法，如神经网络控制；③开放的控制算法接口，支持用户嵌入自己的控制算法模块；④仿真运行，实时在线监控，在线修改程序和编译；⑤强大的网络功能支持基于TCPIP网络，通过网络实现PLC远程监控，远程程序修改。软plc的应用特点为：①体现了IPC，PLC和DOC先进技术的集成。可充分利用PC平台上的硬件和软件资源，使控制系统更具特色；②系统更开放，应用更方便。软件PLC通过自己开发工具提供的OPC功能和Active控件，既可连接Office软件，也可连接用VB，VC开发的软件；③基于PC+现场总线+分布式IO的控制系统简化了复杂控制系统的体系结构，提高了通信效率和速度，降低了投资成本。2.4.6单片机简介单片机也被称为微控制器（MicrocontrollerUnit），单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，它主要是作为控制部分的核心部件。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领2.4.7控制器的选择尽管软PLC技术具有很大的发展潜力，但是这项技术的实现需要解决一些重要的题。其中主要是以PC为基础的控制引擎的实时性问题。软PLC首选的操作系统是WindowsNT，但是它并不是一个硬实时的操作系统。传统PLC具有硬实时性，正因为如此它才能提供快速、确定而且可重复的响应。而要让WindowsNT具有硬实时性，必须对它进行扩展，使得PC的控制任务具有最高的优先级，不因为NT的系统功能和用户程序的调用而被抢占。单片机缺点：速度慢，功能不强，精度低，适合民用，商用，不适合工业用途。PLC是专为工业自动化设计的，在控制电路这一块，功能的强大是前两者无法比拟的，通过多种多样的扩展模块，使外部接线量小、内部工作性能的可靠性高，易学易懂，虽然单个CPU贵，但性价比是最高的。因此，我选择了PLC作为控制器。第三章供配电设计及器件选型3.1主回路部分 在本设计中，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。电能在生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高生产效率，降低生产成本，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。因此，做好供配电工作对于发展工业生产实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，做好供配电设计，对于节能、支援国家经济建设，也具有重大的作用。系统的供配电要切实的保证各个器件的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：（1）安全在电能的供应、使用中，不应发生人身事故和设备事故。（2）可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求。（3）优质应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。（4）经济供电系统的投资要少，运费要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。图3-1主回路图由于此次设计基于A3000实验台，因此供配电设计也是基于实验室而设计。给所有设备进行供电时，选择三线四相制接线。此次供配电部分设计中，主要是给液位变送器、PLC、PC、变频器、增压泵以及照明供电.其中水泵选择了两相接线。断路器QF可以对线路、电气设备及电动机实行保护，当发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时，自动切断电路，起到保护作用;熔断器FU在当电路发生严重过载或短路时，熔体熔断而切断电路，达到保护的目的;PC,变频器需要220V的交流电供电；而PLC只需要24V直流供电，电动调节阀需要24V交流供电，因此可将220V交流电经开关电源降到24V直流电和交流电以供使用。3.2控制回路设计控制回路如下图所示。图3-2电气接线图当系统上电后，同时，若此时KA3线圈得电，指示灯HL2点亮，表示整个控制回路上电。若此时选择手动挡，则在按下SB2按钮后，线圈KA得电，触点KA闭合保持自锁，维持线圈KA得电，指示灯HL3点亮，表示变频器正转启动。如果此时选择自动挡，则线圈KA2得电，触点KA2闭合，将这个选择信号传输给PLC，PLC得到此信号后输出让线圈KA1得电，同时触点KA1闭合使线圈KA得电，指示灯HL3点亮，变频器正转启动。若变频器故障，则线圈KA4失电，常闭触点KA4吸合，将故障信号传送给PLC，PLC得到故障信号后输出让线圈KA5和线圈KM得电，相应的触点吸合或断开，达到断开变频器控制回路供电和变频器供电的目的。表3-1元件说明名称作用继电器KA变频器正常运转状态继电器KA1允许自动状态继电器KA2自动状态输出继电器KA3控制回路上电状态检测继电器KA4变频器故障继电器KA5断开控制回路继电器KM断开变频器供电断路器QF3上电；过流保护；指示灯HL1变频器正转启动指示指示灯HL2系统上电指示指示灯HL3变频器故障报警按钮开关SB1断开手动状态回路按钮开关SB2手动状态开始按钮按钮开关SB3断开选择开关SA手/自动状态切换3.3PLC选型3.3.1PLC选型S7-200系列PLC是德国西门子公司声场的一类小型的PLC。其优点有上述的出色表现，因此，S7-200系列PLC一经推出便受到了广大工程技术人员的青睐。S7-200系列PLC是一种小型的PLC系统，其功能非常强大，许多功能可以达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，在西门子公司刚推出S7-200系列后，马上就收到了广泛的关注。S7-200系列中的CPU22*系列，具有了多种功能模块和人机界面可供选择，使得系统的集成非常方便，并且其在网络中的强大功能，很容易地可以组成PLC网络。同时它具有功能齐全的变成和工业控制组态软件，使得在控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200系列PLC的强大功能使其无论是单机或连接在网络上，都能实现复杂的控制功能，其出色的表现体现在以下几个方面。（1）极高的可靠性。（2）极丰富的指令集。（3）易于掌握。（4）便捷的操作。（5）丰富的内置集成功能。（6）实时特性。（7）强劲的通信能力。（8）丰富的扩展功能。S7-200系列PLC的一个完整组成系统如图3-3所示，它主要由以下几部分组成。图3-3S7-200系列PLC系统组成S7-200系列PLC的存储系统由RAM和EEPROM两种类型的存储器构成，如图图3-4CPU的存储系统组成所示，CPU模块内部配备了一定容量的RAM和EEPROM。同时，S7-200系列PLC的CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。在CPU模块内部的超级电容和电池模块用于长时间的保存数据，用户数据可通过主机的超级电容存储若干天。S7-200系列PLC的CPU的存储容量如表3-2所示表3-2CPU的存储容量主机CPU类型CPU221CPU222CPU223CPU224用户程序区1存储容量2048KB2048KB4096KB4096KB用户程序区2存储容量1024KB1024KB2560KB2560KB用户存储器类型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。综合分析各类PLC的特点，最终选西门子公司的S7-200系列的PLC。图3-5CPU224端子图本系统由八个数字量输入点，六个数字量输出点构成被控对象。由于CPU224集成24个输入点和16个输出点，共计40个数字量I/O点，完全能满足控制要求。此PLC可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。CPU224端子图3-5。3.3.2I/O扩展模块特点及选型当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以连接扩展模块，利用这些扩展模块进一步完善CPU的功能。常用的扩展模块有两类，即模拟量输入／输出扩展模块、特殊功能模块。模拟量扩展模块类型如表2-6所列。表3-3模拟量扩展类型S7-200主机的特殊功能模块有多种类型，例如：功能模块有EM253位置控制模块、EM277Profibus-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1以太网模块、CP243-2AS-I接口模块等。3.3.3EM235工作原理及应用EM235是最常用的模拟量扩展模块。CPU通过此模块可以采集于本模块相连接现场的模拟信号，比如：压力、流量等。可接受电流、电压信号，也可连接两线制变送器。EM235有4路模拟量输入通道，同时还包括了一路模拟量输出通道，输出电压、电流信号用于连续的控制EM235模拟量扩展模块接线图，如图3-6。图3-6EM235模拟量扩展模块接线图图3-6演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。（后面将详细介绍）表3-5说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。由表3-5可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。表3-4EM235的常用技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）0～10V0～5V0～1V0～500mV0～100mV0～50mV电压（双极性）±10V±5V±2.5V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV电流0～20mA数据字格式双极性全量程范围-32000～+32000

单极性全量程范围0～32000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出±10V

电流输出0～20mA数据字格式电压-32000～+32000

电流0～32000分辨率电流电压12位

电流11位由表3-5可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。输入校准：模拟量输入模块使用前应进行输入校准。其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。其步骤如下：切断模块电源，选择需要的输入范围。接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。用一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。读取适当的输入通道在CPU中的测量值。调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。必要时，重复偏置和增益校准过程。表3-5DIP开关设置EM235开关单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW3SW4SW5SW6

ON单极性

OFF双极性

OFFOFF

X1

OFFON

X10

ONOFF

X100

ONON

无效

ONOFFOFF

0.8OFFONOFF

0.4OFFOFFON

0.2EM235输入数据字格式：下图给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置图3-7EM235输入数据字格式可见，模拟量到数字量转换器（ADC）的12位读数是左对齐的。最高有效位是符号位，0表示正值。在单极性格式中，3个连续的0使得模拟量到数字量转换器（ADC）每变化1个单位，数据字则以8个单位变化。在双极性格式中，4个连续的0使得模拟量到数字量转换器每变化1个单位，数据字则以16为单位变化。EM235输出数据字格式：图3-8给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置图3-8EM235输出数据字格式数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数在其输出格式中是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。模拟量扩展模块的寻址：每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。例如：AIW0，AIW2，AIW4……、AQW0，AQW2……。每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。图3-9演示了CPU224后面依次排列一个4输入/4输出数字量模块，一个8输入数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块，一个8输出数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块的寻址情况，其中，灰色通道不能使用.图3-9寻址示意图假设模拟量的标准电信号是A0-Am（如：4-20mA），A/D转换后数值为D0-Dm（如：6400-32000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A＝f（D）可以表示为数学方程：A＝（D-D0）×（Am-A0）／（Dm-D0）＋A0。根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系D＝f（A）可以表示为数学方程：D＝（A-A0）×（Dm－D0）／（Am-A0）＋D0。具体举一个实例，以S7-200和4—20mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是6400—32000，即A0＝4，Am＝20，D0＝6400，Dm＝32000，代入公式，得出：A＝（D-6400）×（20-4）／（32000-6400）＋4假设该模拟量与AIW0对应，则当AIW0的值为12800时，相应的模拟电信号是6400×16／25600＋4＝8mA。又如，某温度传感器，-10-60℃与4-20mA相对应，以T表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：T=70×（AIW0-6400）／25600-10可以用T直接显示温度值。3.4元器件选型3.4.1增压泵特点及选型增压泵，顾名思义就是用来增压的泵，其用途主要有热水器增压用、高楼低水压、桑拿浴、洗浴等加压用、公寓最上层水压不足的加压、太阳能自动增压、反渗透净水器增压用等等（1）微型不锈钢增压泵特点不锈钢制结构、卫生清洁。体积小巧、安装方便。噪音低、寿命长用途：热水器水压不足增压，因热水器水压不足点不着火的问题，安装全自动家用增压泵使您使用自如。可以直接用金属软管连接。公寓水塔加压公寓最上层住宅因水箱的落差太小导致水压不足、水量过小而造成热水器不能点火使用。鱼池鱼缸用水循环，可以补充鱼池新鲜氧气，水中过滤污物循环供水。工业设备冷却循环，氩弧焊、激光仪器、注塑机、食品机械、医疗设备等工业设备冷却循环、生活锅炉供水等。（2）增压泵的选型自动型S12WZ-8S15WZ-10S18WZ-18普通型S12WG-8S15WG-10S18WG-18性能参数：最大流量：20~35升/分。最高扬程：10~18米。电机输入功率：90~260瓦。电机输出功率：40~120瓦。进出口内径：12~18毫米。额定电压：220伏3.4.2变频器特点及选型（1）变频器的基本构成和工作原理变频器亦叫做电动机变频调速器，是一种静止的频率变换器。它把电力配电网的50Hz恒定频率的交流电，变成可调频率的交流电，供普通的交流异步电动机做电源用。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效率连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的启停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适用于各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本有着图3-10所示的基本结构。图3-10变频器的基本构成变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基极）驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电动机提供必要的保护。此外控制电路还通过A/D，D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。（2）变频器的分类变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。（3）变频器的选型方法表3-7单相200V级参数如下表FR-D720S-0.75K-CHT0.751.52.2适用电机容量(KW)*0.751.52.2输出额定容量（KVA）*额定电流（A）4.27.010.0过载额定电流*3150%60s200%0.5s(反限时特性)电压*4三相200V~240V电源额定输入交流电压*频率单相200V~240V50Hz\60Hz交流电压容许波动范围170~264v50Hz\60Hz频率容许波动范围±5%额定容量（KVA）*2.34.05.2保护结构（JEN1030）封闭式（IP20）冷却方式自冷强制风冷大约重量（Kg）由于单相电动机和三相电动机的有功功率P与电压的有效值E，电流的有效值I以及功率因数cosQUOTE之间有如下关系单相三相为了得到相同的驱动转矩（即有功功率），采用三相变频器是的驱动电流只是单相变频器驱动电流的1/3。由于在使用单相变频器时需要给出更大的驱动电流，所以在选择变频器时也应该加以注意。在管道压力和流量解耦控制系统中，选用变频器的目的是为了高效安全的恒压控制水泵电机的转速，从而控制水介质的流量。因此为非腐蚀性介质，海拔一千五百米常温下工作，不需要长电缆运行，又因为三菱变频器体积小，故障率低，运行可靠，通过分析我选择三菱FR-D720S–0.75K-CHT,型变频器。（4）三菱FR-D720–0.75K-CHT型变频器的接线与操作图3-11三菱变频器三菱变频器有多种模式，可以通过PU/EXT按钮切换。内部设置为模式3。具体看后面叙述。如果为PU模式，则可以面板操作。按RUN键开始运行，按STOP键关闭输出。通过转轮设定频率，按SET键有效。如果为EXT模式，打开变频器正转启动开关，变频器就开始按照给定的电流输出。即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装、维护等工作。变频器拆卸如图3-12所示。图3-12安装拆卸图变频器接线如图3-13所示。图3-13三菱变频器接线图在把STF启动拨动开关断开后，可以设置到面板控制模式。通过旋钮进行频率设定。面板如图3-14所示。图3-14面板操作变频器操作模式有多种：设定模式PR79为模式0，则可以切换PU操作或外部操作。设定模式PR79为模式1，则可以PU操作。设定模式PR79为模式2，则可以外部操作。设定模式PR79为模式3，则4-20mA频率设定，STF,STR启动。设定模式PR79为模式4，5其他操作模式。最常用的有两种：A3000的PU操作就选择模式0，通过PU键切换到PU操作，然后通过旋钮设定频率，RUN按钮启动。4-20毫安操作选择模式3，通过启动开关启动，然后加入外部4-20毫安控制。调试与操作步骤：变频器上电，液晶屏显示为0.首先断开STF和SD的连接(启动旋钮)，按键PU/EXT设置PU操作模式，PU显示灯亮。旋转旋钮直到显示为希望的频率值(设30)，约5秒闪灭。在数值闪灭期间，按SET键，设定频率数值。闪烁3秒后，显示屏回到0.0显示状态，按RUN键运行。按键STOP/RSET变频器停止工作。3.4.3电动调节阀特点及选型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，正被越来越有77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：电动调节阀节能（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）。阀门按其所配执行机构使用的动力，按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三1）阀门结构由电动执行机构和调节阀连接组合后经过机械连接装配、调试安装构成电动调节阀。2）主要零件零件材料：阀体、阀盖、填料压盖、阀杆、阀瓣、密封圈、指示标、阀杆螺母、螺帽套材料：灰铸铁、铸钢、不锈钢、不锈钢、黄铜3）工作原理工作电源：DC24V,AC220V,AC380V等电压等级。输入控制信号：DC4-20MA或者DC1-5V。反馈控制信号：DC4-20MA（负载电阻碍500欧姆以下）通过接收工业自动化控制系统的信号（如：4~20mA）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。新型电动调节阀执行器内含饲服功能，接受统一的4-20mA或1-5V·DC的标准信号，将电流信号转变成相对应的直线位移，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连续调节。4)流量特性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5)应用领域电力、化工、冶金、环保、水处理、轻工、建材等工业自动化系统领域。电动调节阀最适宜安装为工作活塞上端在水平管线下部。温度传感器可安装在任何位置，整个长度必须浸入到被控介质中。电动调节阀一般包括驱动器，接受驱动器信号（0-10V或4-20MA）来控制阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远程监控。7)电气原理动作原理：电机电源220VAC或者380VAC，控制信号4~20mA，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）。通过分析我选择霍尼韦尔ML7420A6033E,其参数具体如下：电源：24Vac(±15%)50Hz/60Hz

功耗：7VA最大（24Vac）

输入信号：0~10Vdc或2~10Vdc

信号源输出阻抗：1KΩ

负载：最大1mA

轴杆推力：600牛顿

执行器行程：20mm

环境温度：-10℃~+50℃

储存温度：-40℃+70℃

最大阀介质温度：150℃，若介质温度超过150℃3.4.4手动调节阀选型手动阀门我选择旋塞阀。旋塞阀主要优点：（1）适用于经常操作，启闭迅速、轻便。（2）流体阻力小。（3）结构简单，相对体积小，重量轻，便于维修。（4）密封性能好（5）不受安装方向的限制，介质的流向可任意。（6）无振动，噪声小。旋塞阀安装注意事项：①、要留有阀柄旋转的位置。②、不能用作节流。③、带传动机构的旋塞阀应直立安装。\o"二通不锈钢旋塞阀"二通不锈钢旋塞阀其型号是X43W-1.0P/R适用介质范围：硝酸类、水公称压力范围：1.0Mpa/10公斤表3-8二通不锈钢旋塞阀主要性能规范：型号公称压力PN(MPa)试验压力PS(MPa)适用介质工作温度壳体密封X43W—1.0P1.01.51.1硝酸类≤250X43W—1.0R1.01.51.1醋酸类-20~1503.4.5熔断器选型（1）熔断器的概念熔断器是一种利用物质过热熔化的性质制作的保护电器。当电路发生严重过载或短路时，将有超过限定值的电流通过熔断器而将熔断器的熔体熔断而切断电路，达到保护的目的。（2)熔断器的分析选型本设计所选熔断器用于保护电动机，所以熔断器额定电流应为IFN=3*（P/V）.本设计中泵，所以泵线路因选熔断器的额定电流应为IFN=3*（P/V）=3*[(250+400)/220]=8.86A额定电压应不低于220V。在本设计中熔断器保护的是小容量的电动机，一般考虑它的过流保护即可，这时熔体的熔化系数可适当小些，应采用熔体为铅锡合金的熔丝或RC1A系列熔断器。故本设计选择RC1A-10型的熔断器。其基本技术数据如下表所示：表3-9瓷插式熔断器基本技术数据型号额定电压/V额定电流/A熔体额定电流/A熔体材料极限分断能力/KARC1A-10380106,10铅锡合金丝断路器选型（1）断路器的概念低压断路器又称自动开关，俗称＂空气开关＂也是指低压断路器，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。（2）断路器的分析选型断路器的额定电流要不小于线路的计算负荷电流。计算负荷电流=有功功率/(1.732*220*0.8)=(250+400)/（1.732*220*0.8)=2.13A。线路的额定电压为220V，故本设计选用DZ20G-1250型断路器。其主要技术数据如下表所示:表3-10塑料外壳式低压断路器主要技术数据型号额定电压/V壳架等级额定电流/A断路器额定电流/A瞬时脱扣电流整定值备注DZ20G-100交流380直流2201001,20,32,40,50,63,80,100配用10IN保护电动机用7ING为高分断能力型3.4.7中间继电器选型（1）概念中间继电器(intermediaterelay)：用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。一般是直流电源供电。少数使用交流供电。（2）分析选型在本设计中最大负荷电流=Pmax/U=650/220=2.95A。泵线路因选中间继电器的最大负荷电流应为最大负荷电流=Pmax/U=650/220=2.95A，线路的额定电压为220V继电器的线圈的电流类型应为交流，工作环境是常温，湿度适中，没有强电磁干扰的室内环境，所以所选中间继电器的型号为JZ7-44。3.4.8转换开关（1）概念转换开关又称组合开关，与刀开关的操作不同，它是左右旋转的平面操作。转换开关具有多触点、多位置、体积小、性能可靠、操作方便、安装灵活等优点，多用于机床电气控制线路中电源的引入开关，起着隔离电源作用，还可作为直接控制小容量异步电动机不频繁起动和停止的控制开关。转换开关同样也有单极、双极和三极。（2）分析选型根据本设计的情况选择LW6-2型的转换开关，其触头排列特征如下表所表3-11系列转换开关触头排列特征型号触头座数触头座排列形式触头对数LW6-22单列式63.4.9按钮（1）概念按钮：是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开‘控制电路（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。（2）选型本设计中电路电流不超过5A，故选择按钮型号为LA18-22。其主要技术数据如下表所示：表3-12控制按钮技术数据型号规格结构型式触点对数按钮常开常闭钮数颜色LA18-22500V5A元件221红或绿或黑或白3.4.10涡轮流量变送器特点及选型LWGB系列涡轮流量传感器（以下简称传感器）基于力矩平衡原理，属于速度式流量仪表。传感器具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏，安装维护使用方便等特点，广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸等行业，是流量计量和节能的理想仪。LWGB型涡轮流量传感器是在LWGY基本型涡轮流量传感器的基础上增加24VDC供电4-20mA两线制电流变送功能，特别适合于与显示仪、工控机、DCS等计算机控制系统配合使用。(1)

结构特征传感器为硬质合金轴承止推式，不仅保证精度，耐磨性能提高，而且具有结构简单、牢固以及拆装方便等特点。(2)工作原理流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量或总量。在一定的流量范围内，脉冲频率f与流经传感器的流体的瞬时流量Q成正比。本次设计采用的是LWGB-15涡轮流量变送器。其参数如表所示：表3-13涡轮流量计参数表型号精度范围输出供电电压LWGB-151.00-3m34-20mADC24V3.4.11压力变送器特点及选型压力变送器是指以输出为标准信号的压力传感器，是一种接受压力变量按比例转换为标准输出信号的仪表。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4~20mADC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。压力变送器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。下面就简单介绍一些常用压力变送器的原理及其应用、压力变送器是用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成4～20mADC信号输出。压力变送器主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～35MPa）和微差压变送器（0～1.5kPa），负压变送器三种。压力变送器的主要作用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δ元（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当压力直接作用在测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的4-2OmA电流信号或者1-5V电压信号由于测量膜片采用标准话集成电路，内部包含线性及温度补偿电路，所以可以做到高精度和高稳定性，变送电路采用专用的两线制芯片，可以保证输出两线制4-2OmA电流信号。此次设计采用FB0803CE2R压力变送器。参数如下表所示：表3-14FB0803CE2R压力变送器参数表供电电压输出量程最大工作压力精确度24VDC4~20mA0~150225KPa0级第4章PLC软件设计4.1PLC控制系统软件设计步骤1)制定运行方案，制定方案就是根据解耦的要求，分析流量计变送器输入参数与变频器和电动调节阀的输出信号与各种操作之间的逻辑关系，确定需要检测的量和控制的方法。根据之前对解耦