【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擴(kuò)散硅壓力變送器。 此變送器 的量程為 0~1bar，精度為 級(jí)，輸出模擬量 4~20mA電流 信號(hào)， G1/4 外螺紋的安裝方式， 供電電壓為直流 24V，連接方式為兩線制。 擴(kuò)散硅壓力變送器的構(gòu)成與工作原理， 如圖 213 所示，被測(cè)壓力通過(guò)隔離膜片、密封硅油傳輸?shù)綌U(kuò)散硅膜片上。同時(shí)參考端的壓力 (大氣壓、絕壓或密封壓 )作用于膜片的另一側(cè)，這樣在膜片兩邊的差壓就產(chǎn)生了一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，它使膜片的一部分壓縮，另一部分拉伸，在壓縮區(qū)和拉伸區(qū)分別有兩個(gè)應(yīng)變電阻片，用以感受壓力而引起的阻值變化，從而將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 圖 213 擴(kuò)散硅壓力變送器的構(gòu)成 擴(kuò)散硅壓力變送器的工作原理是當(dāng)外加壓力時(shí)，會(huì) 引起壓力芯片的輸出電壓發(fā)生變化，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路將其放大，并轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn) 4~20mA 直流信號(hào)輸出。 四、變頻器 S100 實(shí)訓(xùn)裝置中的變頻器為 SIEMENS 公司（即西門(mén)子公司）研發(fā)的MicroMaster420（簡(jiǎn)稱(chēng) MM420），它具有模塊化的設(shè)計(jì)多功能化的變頻器，適合用于多種變速驅(qū)動(dòng)裝置的變頻調(diào)節(jié)，尤其適合用于磁力泵，風(fēng)機(jī)和傳送帶等系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。在 S100 實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)中，將選擇 MM420 作為驅(qū)動(dòng)磁力泵的驅(qū)動(dòng)裝置。 MM420 具有模塊化結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、適用性廣等特點(diǎn)，因而 在組態(tài)設(shè)計(jì)中隔離膜片 硅油 被測(cè)壓力 硅膜片 參考端壓力 應(yīng)變電阻 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 具有很大的靈活性；它的數(shù)字輸入塊有三個(gè)，他們之間相互隔離且何以進(jìn)行編程，一個(gè)可標(biāo)定的模擬輸入 (0V 至 10V)，這個(gè)模擬輸入也可以作為第 4 個(gè)數(shù)字輸入來(lái)使用；有一個(gè)可編程的模擬輸出 (0mA 至 20mA)；有一個(gè)完全可編程的繼電器輸出；采用較高的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲很??；電纜連接方便，電源和電動(dòng)機(jī)接線相互隔離，達(dá)到最佳的電磁兼容性效果；操作板可以與變頻器分離安裝。 不僅如此， MM420 變頻器還具有完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。過(guò)載能力為 150%額定負(fù)載電流，持續(xù)時(shí)間 60 秒，間隔周期 5 分鐘；過(guò)電壓 、欠電壓保護(hù)；變頻器過(guò)溫保護(hù)；采用 PTC，通過(guò)數(shù)字輸入端接入的電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)；接地故障保護(hù)；短路保護(hù)； I2t 電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)；閉鎖電動(dòng)機(jī)保護(hù)，防止失速。 五、功率調(diào)整模塊 S100 實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)中應(yīng)用的 功率調(diào)整器 型號(hào)為 HANYOUNG（韓榮）TPR2N25A/35A。功率調(diào)整模塊接收來(lái)自 S7200PLC CPU226 模擬量輸出擴(kuò)展模塊 EM232 的 4～ 20mA 控制電流信號(hào)，功率調(diào)整模塊輸出 0～ 220V 的電壓 ，控制 加熱管對(duì)下位水箱中水進(jìn)行 加熱，最終實(shí)現(xiàn)對(duì) 下位水箱中 水溫度的控制。 六 、電動(dòng) 調(diào)節(jié)閥 S100 實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)選用的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為霍尼韋爾 VBN、 VBF 電動(dòng)調(diào)節(jié) 閥。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： 1． 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥口徑為 ～ 2 寸內(nèi)螺紋（ NPT）安裝； 2． 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有等百分比開(kāi)度限制 特性； 3．可用于 兩位式或 線性 系統(tǒng) 控制； 4．在斷電或 運(yùn)行 調(diào)試狀態(tài) 下 可 進(jìn)行 手動(dòng)控制； 5． ANSI 等級(jí) 4，泄漏特性為 %CV； 6． 4 類(lèi)執(zhí)行器控制模式：無(wú)彈簧復(fù)位的兩位式、無(wú)彈簧復(fù)位的比調(diào)式、帶彈簧復(fù)位的兩位式和帶彈簧復(fù)位的比調(diào)式； 7．寬流量控制從 到 。 本課題主要通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)的度來(lái)控制供水管路的壓力 和上位水箱的液位。 S100 實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)，在組態(tài)監(jiān)控界面輸入電動(dòng)閥開(kāi)度的控制信號(hào)，并將其傳送給 S7200PLC CPU226， CPU 控制單元通過(guò)模擬量輸出模塊，將控制電壓信號(hào)傳送給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 ， 通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制供水管路的壓力和上位水箱的液位 。 第四節(jié) 監(jiān)控系統(tǒng)的主體框架 本課題針對(duì) S100 實(shí)訓(xùn)裝置，運(yùn)用組態(tài)王軟件，擬設(shè)計(jì)基于 PC+PLC 的實(shí)驗(yàn) 監(jiān)控系統(tǒng)，基本框架如圖 214 所示，監(jiān)控層由計(jì)算機(jī)構(gòu)成，控制層由 PLC 構(gòu)成，檢測(cè)與執(zhí)行設(shè)備層由溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、液位變送 器、變頻天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 器、報(bào)警器、電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電熱棒、磁力泵、浮球開(kāi)關(guān)等構(gòu)成。 S7200 PLC 接收 S100 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的 信 號(hào) ，如下位水箱的溫度，供水管路的壓力，供水管路的流量，上位水箱的液位等 ，進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后傳送給上位機(jī)PC，并且接收上位機(jī) PC 的命令 ，如設(shè)定下位水箱的溫度，設(shè)定供水管路的壓力，設(shè)定供水管路的液位，控制磁力泵的啟停，設(shè)定電動(dòng)閥開(kāi)度，設(shè)定上位水箱的液位，控制 對(duì) S100 的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 上位機(jī) PC 主要接收 PLC 的信號(hào)，對(duì)某些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 如監(jiān)控下位水箱的溫度，供水管路的流量，供 水管路的壓力，上位水箱的液位， 并且保存數(shù)據(jù) ，以便進(jìn)行歷史追溯 ；同時(shí)也對(duì) PLC 傳送信號(hào)進(jìn)行控制， 如控制磁力泵的啟停，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度， PID 參數(shù)的設(shè)定等，還可以通過(guò)組態(tài)軟件查看實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線，歷史趨勢(shì)曲線，報(bào)表， PID 調(diào)節(jié)，參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)的投運(yùn)等。 圖 214 監(jiān)控系統(tǒng) 構(gòu)架 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 組態(tài)王 溫度變送器 壓力變送器 液位變送器 流量變送器 M PLC 報(bào)警器 電磁閥 電熱絲 磁力泵 變頻器 控制層 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層 監(jiān)控層 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第三章 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 第 一節(jié) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì) 一、面向?qū)ο蠹皩?shí)驗(yàn)?zāi)康? 本課題研究設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，是根據(jù) S100 實(shí)訓(xùn)裝置的現(xiàn)有資源設(shè)計(jì)。面向自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)以及電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生， 可在學(xué)習(xí) “ 可編程控制器 ” 、 “ 過(guò)程控制系統(tǒng) ” 、 “ 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) ” 、 “ 工控機(jī)與 PLC” 等課程的過(guò)程中或?qū)W完后，利用 S100 實(shí)訓(xùn)裝置進(jìn)行控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生得到如下訓(xùn)練： 。通過(guò)學(xué)習(xí)由 S7200 構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可了解 PLC 控制器（包括 CPU 模塊、輸入擴(kuò)展模塊、輸出控制模塊等）與檢測(cè)裝置、執(zhí)行裝置等的連線方法，包括兩線制接法、四線制接法等；訓(xùn)練和掌握構(gòu)成控制系統(tǒng)的整體電氣接線方法。 。通過(guò) S100 實(shí)訓(xùn)裝置學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)構(gòu)成的基本原理，能夠判斷出系 統(tǒng)的被控過(guò)程，被控參數(shù)，控制參數(shù)和干擾參數(shù)分別是什么；進(jìn)行控制器，執(zhí)行器，正、反作用的選擇，如判斷調(diào)節(jié)閥是氣開(kāi)式還是氣關(guān)式，判斷和選擇控制規(guī)律。 ：通過(guò)系統(tǒng)投運(yùn)過(guò)程，掌握投運(yùn)方法，學(xué)會(huì)手動(dòng) —自動(dòng)切換。了解無(wú)擾動(dòng)切換的概念，控制點(diǎn)的概念等。學(xué)習(xí)壓力控制系統(tǒng)的投運(yùn)過(guò)程，如何通過(guò)手動(dòng)投運(yùn)，獲得理想壓力值，在系統(tǒng)穩(wěn)定后由手動(dòng)投運(yùn)切換到自動(dòng)投運(yùn)，如何加干擾，觀察壓力在干擾后如何自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定觀察壓力在恢復(fù)過(guò)程中曲線的變換 KP、 TI、 TD 的調(diào)整方法訓(xùn)練。 在設(shè)置 比例 增益 KP、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間 TD 后，通過(guò)給控制系統(tǒng)加入設(shè)定值階躍干擾，觀察系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再重新設(shè)定放大增益 KP、積分時(shí)間 TI、微分時(shí)間 TD，再重復(fù)實(shí)驗(yàn)，體會(huì) PID 運(yùn)算中放大增益 KP、積分時(shí)間 TI、微分時(shí)間 TD 對(duì)系統(tǒng)分別有什么影響。讓學(xué)生將理論與實(shí)踐結(jié)合，學(xué)習(xí) PID 控制技術(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì) 首先學(xué)習(xí) S7200PLC 的模塊（包括 CPU 模塊、輸入擴(kuò)展模塊、輸出控制模塊等）電氣接線方法；再針對(duì) S100 實(shí)訓(xùn)裝置上的實(shí)際接線面板進(jìn)行接線訓(xùn)練。 然后學(xué)習(xí) PLC 與外部設(shè)備的 接線，如 S100 實(shí)訓(xùn)裝置的啟動(dòng)停止按鈕與 PLC模塊的接線，變頻器與 PLC 模擬量輸出擴(kuò)展模塊 EM232 的接線，液位浮球開(kāi)關(guān)與 PLC 的接線，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與模擬量輸出模塊 EM232 的接線，溢流電磁閥與天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 PLC 模塊的接線， S100 實(shí)訓(xùn)裝置啟動(dòng)指示燈、停止指示燈與 PLC 模塊的接線，如 PLC 與做壓力控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，都要與哪些設(shè)備相連接，做液位控制實(shí)驗(yàn)室都要與哪些設(shè)備相連接，兩種控制實(shí)驗(yàn)的接線有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn) ，并進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練。 構(gòu)成 訓(xùn)練 學(xué)習(xí)如何構(gòu)成控制系統(tǒng)，一個(gè)控制系統(tǒng)都由哪幾部分組成，如壓力控制系統(tǒng)中控制器、執(zhí)行 器、被控過(guò)程、測(cè)量 及 變送器分別是什么，找出壓力控制系統(tǒng)中的控制參數(shù)，被控參數(shù)，干擾參數(shù)分別是什么。液位控制系統(tǒng)中，控制器、執(zhí)行器、被控過(guò)程、測(cè)量 及 變送器分別是什么，找出液位控制系統(tǒng)中的控制參數(shù)，被控參數(shù)，干擾參數(shù)分別是什么等。在上位機(jī)監(jiān)控界面上訓(xùn)練各控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程、數(shù)據(jù)變化等。 通過(guò) S100 實(shí)訓(xùn)裝置學(xué)習(xí)系統(tǒng)的投運(yùn)過(guò)程， 并進(jìn)行系統(tǒng)投運(yùn)訓(xùn)練。 投運(yùn)前 首先 確定下位水箱裝滿水，系統(tǒng)各元件連接正常，接線面板接線正常，然后運(yùn)行 S100 實(shí)訓(xùn)裝置，以液位控制系統(tǒng)的投運(yùn)為例，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí) ，磁力泵將水從下位水箱中抽入上位水箱，在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)定一個(gè)液位，當(dāng)上位水箱中的水到達(dá)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)回流管路的閥門(mén)和供水管路的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，再切換到自動(dòng)投運(yùn) 。 設(shè)定 自動(dòng)投運(yùn)的過(guò)程就是 PID 的調(diào)節(jié)過(guò)程， 通過(guò)學(xué)習(xí)，了解 PID 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響，了 解 控制器 可變參數(shù)比例增益（ KP） 、 積分時(shí)間（ TI） 、 微分時(shí)間（ TD） 的調(diào)整 對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響 ， 分別 改變 PID 參數(shù) 比例增益（ KP） 、 積分時(shí)間（ TI） 、 微分時(shí)間（ TD）對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生哪些不同的影響， 同時(shí)體會(huì) PID 控制對(duì)系統(tǒng)的影響。 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)接線設(shè)計(jì) 一、 S100 實(shí)訓(xùn)裝置基本接線設(shè)計(jì) 無(wú)論是做壓力控制實(shí)驗(yàn)，還是做液位控制實(shí)驗(yàn)，在 PLC 模 塊 的 接線 生 接線，兩種控制實(shí)驗(yàn)有些接線是相同的，比如 S100 實(shí)訓(xùn)裝置的啟動(dòng)停止按鈕與PLC 模塊的接線，變頻器與 PLC 模擬量輸出擴(kuò)展模塊 EM232 的接線，液位浮球開(kāi)關(guān)與 PLC 的接線，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與模擬量輸出模塊 EM232 的接線，溢流電磁閥與 PLC 模塊的接線， S100 實(shí)訓(xùn)裝置啟動(dòng)指示燈、停止指示燈與 PLC 模塊的接線，以上為實(shí)驗(yàn)的基本接線，不管是做壓力控制系統(tǒng)試壓，還是做液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。 塊 與外部設(shè)備的接線 S100 實(shí)訓(xùn)裝置的 PLC 主模塊提供了數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出的接線端子，引到接線面板上進(jìn)行 PLC CPU 模塊的接線訓(xùn)練。 1M 作為公共接線端， L1 和 分別是 PLC24V 供電的正極和負(fù)極，為保天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，防止學(xué)生錯(cuò)接產(chǎn)生損失， 24V PLC 供電端在內(nèi)部接好，沒(méi)有引到接線 面板 ， 為溢流電磁閥， 為運(yùn)行指示燈，用綠色燈表示，在接線 面板對(duì)應(yīng)為 HI1， 為停止指示燈，用紅色燈表示，在接線面板對(duì)應(yīng)為 HI2，此外，S100 實(shí)訓(xùn)裝置還提供了急停和復(fù)位接線，但在接線面板沒(méi)有引出， 這里不做介紹； 2M 作為按鈕部分輸入的公共端， 接供水量，對(duì)應(yīng)接線面板為 S05， 接下位水箱的浮球開(kāi)關(guān)，接線面板對(duì)應(yīng) S01， 接上位水箱的浮球開(kāi)關(guān)，接線面板對(duì)應(yīng)為 S02， 接啟動(dòng)按鈕，對(duì)應(yīng)接線面板為常開(kāi)按鈕 SB1， 接停止按鈕，對(duì)應(yīng)接線 面板 為 SB2。 圖 31 S7200PLC CPU226 接線 EM232 與執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電氣接線 在本課題的討論中，選用了兩個(gè) 2 模擬 量輸出模塊，其電氣圖設(shè)計(jì)如圖 32和圖 33 所示 。 變頻器啟動(dòng) + 24VDC 低水位水箱下限位 高水位水箱上限位 24VDC + 紅 停止指示燈 HI、2 綠 運(yùn)行指示燈 HI、1 Q ? ? ? ? ? ? 1M 1L 1M 02 2M I ? ? ? ? ? ? ? ? ? CPU226 CN 6ES7 2162AD22 0XB0 溢流電磁閥 24VDC + 停止按鈕 啟動(dòng)按鈕 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 圖 32 EM232 與變頻器