基于温控器计算机控制系统设计--实验研究_课程设计任务书(编辑修改稿)

基于温控器计算机控制系统设计--实验研究_课程设计任务书(编辑修改稿)内容摘要：

弃了传统 DCS中的相对集中现场控制，而将其化整为零，分散于各种现场仪表与设备，并通过现场总线构成相应的控制回路，实现了真正的 分散控制。 系统组成 温度控制系统的设计 主要是通过实验的需要选择硬件，然后将选择的硬件组成控制系统。 系统结构框图和方框图如图 31所示。 在以 PLC 控制为核心，加热炉为基础的温度自动控制系统中， PLC 将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经 PID 运算后得到的信号控制输出电压的大小，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。 文章介绍了基于 S7300 温度控制系统的 PID 调节器的实现。 本系统是一个典型的检测、信号处理、输入运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。 因此，应以 PLC 为核 心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。 另外， PLC 的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机界面及多机通信皆空提供了可能。 本次课程设计用 THFCS1 现场总线控制系统实验设备构成温度控制系统。 以 PLC 为控制器 ，锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。 试验中锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻 TT1 检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。 7 THFCS1现场总线控制系统实验装置是由实验控制对象、实验控制柜及上位监控 PC机三部分组成。 本实验装置控制柜中的 CPU 模块 采用 CP5611 网卡进行通讯通讯方式。 通讯协议为 PROFIBUSDP。 图 31 锅炉内胆温度特性测试系统 a)结构图 (b)方框图 本实验控制系统流程图如图 32 所示。 图 32 实验控制系统流程图 8 本实验主要涉及两路信号，一路是现场测量信号锅炉内胆温度，另外一路是控制移项调压模块输出的控制信号。 锅炉内胆温度的检测装置为 PT100 热电阻， PT100 热电阻检测到的信号传送给温度变送器，本系统采用带 PROFIBUSPA 通讯接口的温度变送器，挂接在 PROFIBUSPA总线上， PROFIBUSPA 总线通过 LINK 和 COUPLER 组成的 DP 链路与 PROFIBUSDP总线交换数据， PROFIBUSDP 总线上挂接有控制器 CPU3152 DP，这样就完成了现场测量信号到 CPU的传送。 本实验的执行机构为移项调压块，移项调压模块所需的控制信号是 4 到 20mA 电流信号。 控制信号由控制器 CPU3152 DP 发出，经由 PROFIBUSDP 总 线到达分布式 I/O模块 ET200M，模拟量输出模块 SM332 和分布式 I/O 模块 ET200M 直接相连，最后模拟量输出 4 到 20mA 电流信号控制移项调压模块的输出电压。 4 实验过程 本实验是通过 THFCS1现场总线控制系统实验装置构成温度控制系统，使其锅炉内胆水温保持在给定值。 该系统由水箱、阀门、变频器、磁力泵、锅炉内胆、三相调压装置、电加热管、温度传感器、可编程逻辑控制器等组成。 PID 控制器通过检测温度信号实时控制调节阀的开度以及可控硅的电压，使锅炉内胆水温保持在给定值左右的一定范围之内。 本系统可以通过外部端 子的开关或者远程监控，使系统自动进行 PID 运算，保证最后锅炉内的水温。 实验装置说明 实验对象总貌图如图 41 所示： 一、本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。 供水系统有两路：一路由三相（ 380V 恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵、涡轮流量计及手动调节阀组成。 被控对象 由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、 三相电加热模拟锅炉 (由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成 )、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。 1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉。 3．盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节， 4．管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成， 9 图 41 实验对象总貌图 检测装置 1．压力传感器、变送器：三个压力传感器分别 用来对上、中、下 三个 水箱的液位进行检测 ，其量程为 0～ 5KP， 2．温度传感器：装置中采用了六个 Pt100 铂热电阻温度 传感器，分别用来检测锅炉 内胆 、 锅炉夹套、 盘管 （有 3个测试点）以及 上水箱出口 的 水温。 3．模拟转换器：三个模拟转换 器（涡轮流量计）分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。 10 执行机构 1．电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。 2．水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为 16CQ8P，流量为 30 升 /分，扬程为 8米，功率为 180W。 3．电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。 4．三相电加热管：由三根 电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为 50Ω 左右。 二、“ THJ3 型 西门子 PLC 过程控制系统”的控制柜主要由电源控制组件、西门子PLC 控制组件、变频器控制组件等几部分组成。 电源控制组件 充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关。 接上三相四线电源，打开总电源开关，此时三只电压表均指示 380V 左右，控制柜后面的插座带电；打开风扇开关，可以给控制柜散热；打开控制站电源，西门子 S7300PLC 既可上电。 打开三相电源开关后，打开三相磁力泵和三相电加热管开关既可各自上电。 打开单相电源开关后，打开电动调节阀、变频器、电磁阀开关既可各自上电。 西门子 PLC控制组件 在本装置中采用了 S7300PLC 控制系统。 S7300PLC 控制系统： 本实验装置采用了的中小型 PLC（ CPU3152DP 主机模块，SM323： 8 路数字量输入输出模块， SM331： 8 路模拟量输入模块， SM332： 4路模拟量输出模块， CP3431以太网模块。 ）以及一块西门子 CP5611 专用网卡和一根 MPI网线。 交流变频器 采用日本三菱公司的 变频器，控制信号输入为 4～ 20mADC，交流 220V 变频 输出用来驱动三相磁力驱动泵。 三相移相 SCR 调压装置 采用三相可控硅移相触发装置，输入 控制信号为 4～ 20mA 标准电流信号 ，其移相触发角与输入控制电流成正比。 输出 交流 电压用来控制 电 加热器 的端电压， 从而 实现 锅炉温度的 连续 控制。 三、本装置中 PLC 控制方案采用了德国西门子公司的 S7300PLC，采用的是 Step 7 11 编程软件。 利用这个软件可以对 PLC 进行编程、调试、下装、诊断。 S7300PLC控制方案采用 WinCC软件作为上位机监控组态软件， 西门子公司的 WinCC是 WlndowsControIConter(视窗控制中心 )的简称。 WinCC 是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和 Microsoft 的强大功能的产物。 作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和 SCADA 系统， WinCC 提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据； WinCC 还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将 WinCC 集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。 控制手段 实践证明温度对象的特点是 :时间常数大，滞后现象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。 我们知道热量的传递是需要一定时间的，温度上升的快慢与其热容量的大小有关，通常 温度的上升与下降和时间的关系是一个指数曲线关系。 而产生滞后则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后。