基于溫控器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(編輯修改稿)
2025-07-20 23:49 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。THFCS1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制柜及上位監(jiān)控PC機(jī)三部分組成。本實(shí)驗(yàn)裝置控制柜中的CPU模塊采用CP5611網(wǎng)卡進(jìn)行通訊通訊方式。通訊協(xié)議為PROFIBUSDP。圖31 鍋爐內(nèi)膽溫度特性測試系統(tǒng)a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖如圖32所示。圖32 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖本實(shí)驗(yàn)主要涉及兩路信號(hào)，一路是現(xiàn)場測量信號(hào)鍋爐內(nèi)膽溫度，另外一路是控制移項(xiàng)調(diào)壓模塊輸出的控制信號(hào)。鍋爐內(nèi)膽溫度的檢測裝置為PT100熱電阻，PT100熱電阻檢測到的信號(hào)傳送給溫度變送器，本系統(tǒng)采用帶PROFIBUSPA通訊接口的溫度變送器，掛接在PROFIBUSPA總線上，PROFIBUSPA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUSDP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUSDP總線上掛接有控制器CPU3152 DP，這樣就完成了現(xiàn)場測量信號(hào)到CPU的傳送。本實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為移項(xiàng)調(diào)壓塊，移項(xiàng)調(diào)壓模塊所需的控制信號(hào)是4到20mA電流信號(hào)?？刂菩盘?hào)由控制器CPU3152 DP發(fā)出，經(jīng)由PROFIBUSDP總線到達(dá)分布式I/O模塊ET200M，模擬量輸出模塊SM332和分布式I/O模塊ET200M直接相連，最后模擬量輸出4到20mA電流信號(hào)控制移項(xiàng)調(diào)壓模塊的輸出電壓。4實(shí)驗(yàn)過程本實(shí)驗(yàn)是通過THFCS1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)，使其鍋爐內(nèi)膽水溫保持在給定值。該系統(tǒng)由水箱、閥門、變頻器、磁力泵、鍋爐內(nèi)膽、三相調(diào)壓裝置、電加熱管、溫度傳感器、可編程邏輯控制器等組成。PID控制器通過檢測溫度信號(hào)實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)閥的開度以及可控硅的電壓，使鍋爐內(nèi)膽水溫保持在給定值左右的一定范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)可以通過外部端子的開關(guān)或者遠(yuǎn)程監(jiān)控，使系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行PID運(yùn)算，保證最后鍋爐內(nèi)的水溫。實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖如圖41所示：一、本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象主要由水箱、鍋爐和盤管三大部分組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（380V恒壓供水）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、（上、中、下）三個(gè)串接有機(jī)玻璃水箱、(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。2．模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐。3．盤管：模擬工業(yè)現(xiàn)場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，4．管道及閥門：整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，圖41 實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖檢測裝置1．壓力傳感器、變送器：三個(gè)壓力傳感器分別用來對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位進(jìn)行檢測，其量程為0～5KP，2．溫度傳感器：裝置中采用了六個(gè)Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤管（有3個(gè)測試點(diǎn)）以及上水箱出口的水溫。3．模擬轉(zhuǎn)換器：三個(gè)模擬轉(zhuǎn)換器（渦輪流量計(jì)）分別用來對(duì)由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤管出口處的流量進(jìn)行檢測。執(zhí)行機(jī)構(gòu)1．電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。2．水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ8P，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。3．電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。4．三相電加熱管：，用來對(duì)鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進(jìn)行加溫，每根加熱管的電阻值約為50Ω左右。二、“THJ3型 西門子PLC過程控制系統(tǒng)”的控制柜主要由電源控制組件、西門子PLC控制組件、變頻器控制組件等幾部分組成。電源控制組件充分考慮人身安全保護(hù)，裝有漏電保護(hù)空氣開關(guān)。接上三相四線電源，打開總電源開關(guān)，此時(shí)三只電壓表均指示380V左右，控制柜后面的插座帶電；打開風(fēng)扇開關(guān)，可以給控制柜散熱；打開控制站電源，西門子S7300PLC既可上電。打開三相電源開關(guān)后，打開三相磁力泵和三相電加熱管開關(guān)既可各自上電。打開單相電源開關(guān)后，打開電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、電磁閥開關(guān)既可各自上電。西門子PLC控制組件在本裝置中采用了S7300PLC控制系統(tǒng)。S7300PLC控制系統(tǒng)：本實(shí)驗(yàn)裝置采用了的中小型PLC（CPU3152DP主機(jī)模塊，SM323：8路數(shù)字量輸入輸出模塊，SM331：8路模擬量輸入模塊，SM332：4路模擬量輸出模塊，CP3431以太網(wǎng)模塊。）以及一塊西門子CP5611專用網(wǎng)卡和一根MPI網(wǎng)線。交流變頻器，控制信號(hào)輸入為4～20mADC，交流220V變頻輸出用來驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。三相移相SCR調(diào)壓裝置采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制。三、本裝置中PLC控制方案采用了德國西門子公司的S7300PLC，采用的是Step 7編程軟件。利用這個(gè)軟件可以對(duì)PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、下裝、診斷。S7300PLC控制方案采用WinCC軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件，西門子公司的WinCC是WlndowsControIConter(視窗控制中心)的簡稱。 WinCC是結(jié)合西門子在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和Microsoft的強(qiáng)大功能的產(chǎn)物。作為一個(gè)國際先進(jìn)的人機(jī)界面(HMI)軟件和SCADA系統(tǒng)，WinCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板；并具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)；WinCC還為用戶解決方案提供了開放的界面，使得將WinCC集成入復(fù)雜、廣泛的自動(dòng)化項(xiàng)目成為可能。實(shí)踐證明溫度對(duì)象的特點(diǎn)是:時(shí)間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，反應(yīng)在控制系統(tǒng)上，就是被控溫度的變化滯后于調(diào)節(jié)器的輸出。我們知道熱量的傳遞是需要一定時(shí)間的，溫度上升的快慢與其熱容量的大小有關(guān)，通常溫度的上升與下降和時(shí)間的關(guān)系是一個(gè)指數(shù)曲線關(guān)系。而產(chǎn)生滯后則與熱量的傳遞過程有關(guān)，再者測溫元件也有一定的慣性，這些都會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱儲(chǔ)存能力大，慣性也較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，因?yàn)榭梢詫⑺鼩w于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對(duì)于任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一些時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對(duì)于這樣存在大的滯后特性的過度過程控制，一般可以采用以下幾種控制方案。1）、輸出開關(guān)量控制2）、比例控制（P控制）3）、比例積分控制（IP控制）4）、比例積分加微分控制（IPD控制）結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與我們采用比例積分加微分（PID）控制。其特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著地效果。在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，同時(shí)積分作用可以消除余差。采用PID的控制方式，可以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度，調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)
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