【文章內(nèi)容簡介】 擴散硅壓力變送器。 此變送器 的量程為 0~1bar，精度為 級，輸出模擬量 4~20mA電流 信號， 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。 擴散硅壓力變送器的構成與工作原理， 如圖 213 所示，被測壓力通過隔離膜片、密封硅油傳輸?shù)綌U散硅膜片上。同時參考端的壓力 (大氣壓、絕壓或密封壓 )作用于膜片的另一側，這樣在膜片兩邊的差壓就產(chǎn)生了一個應力場，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)分別有兩個應變電阻片，用以感受壓力而引起的阻值變化，從而將壓力信號轉換成電信號。 圖 213 擴散硅壓力變送器的構成 擴散硅壓力變送器的工作原理是當外加壓力時，會 引起壓力芯片的輸出電壓發(fā)生變化，再經(jīng)過信號處理電路將其放大，并轉換為與輸入壓力成線性對應關系的標準 4~20mA 直流信號輸出。 四、變頻器 S100 實訓裝置中的變頻器為 SIEMENS 公司（即西門子公司）研發(fā)的MicroMaster420（簡稱 MM420），它具有模塊化的設計多功能化的變頻器，適合用于多種變速驅動裝置的變頻調(diào)節(jié)，尤其適合用于磁力泵，風機和傳送帶等系統(tǒng)的驅動裝置。在 S100 實訓裝置控制系統(tǒng)中，將選擇 MM420 作為驅動磁力泵的驅動裝置。 MM420 具有模塊化結構、調(diào)節(jié)簡單、適用性廣等特點，因而 在組態(tài)設計中隔離膜片 硅油 被測壓力 硅膜片 參考端壓力 應變電阻 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 14 具有很大的靈活性；它的數(shù)字輸入塊有三個，他們之間相互隔離且何以進行編程，一個可標定的模擬輸入 (0V 至 10V)，這個模擬輸入也可以作為第 4 個數(shù)字輸入來使用；有一個可編程的模擬輸出 (0mA 至 20mA)；有一個完全可編程的繼電器輸出；采用較高的開關頻率時，電動機運行的噪聲很??；電纜連接方便，電源和電動機接線相互隔離，達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機保護功能。過載能力為 150%額定負載電流，持續(xù)時間 60 秒，間隔周期 5 分鐘；過電壓 、欠電壓保護；變頻器過溫保護；采用 PTC，通過數(shù)字輸入端接入的電動機過熱保護；接地故障保護；短路保護； I2t 電動機過熱保護；閉鎖電動機保護，防止失速。 五、功率調(diào)整模塊 S100 實訓裝置控制系統(tǒng)中應用的 功率調(diào)整器 型號為 HANYOUNG（韓榮）TPR2N25A/35A。功率調(diào)整模塊接收來自 S7200PLC CPU226 模擬量輸出擴展模塊 EM232 的 4～ 20mA 控制電流信號，功率調(diào)整模塊輸出 0～ 220V 的電壓 ，控制 加熱管對下位水箱中水進行 加熱，最終實現(xiàn)對 下位水箱中 水溫度的控制。 六 、電動 調(diào)節(jié)閥 S100 實訓裝置控制系統(tǒng)選用的電動調(diào)節(jié)閥為霍尼韋爾 VBN、 VBF 電動調(diào)節(jié) 閥。其結構特點如下： 1． 電動調(diào)節(jié)閥口徑為 ～ 2 寸內(nèi)螺紋（ NPT）安裝； 2． 電動調(diào)節(jié)閥具有等百分比開度限制 特性； 3．可用于 兩位式或 線性 系統(tǒng) 控制； 4．在斷電或 運行 調(diào)試狀態(tài) 下 可 進行 手動控制； 5． ANSI 等級 4，泄漏特性為 %CV； 6． 4 類執(zhí)行器控制模式：無彈簧復位的兩位式、無彈簧復位的比調(diào)式、帶彈簧復位的兩位式和帶彈簧復位的比調(diào)式； 7．寬流量控制從 到 。 本課題主要通過調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥開的度來控制供水管路的壓力 和上位水箱的液位。 S100 實訓裝置控制系統(tǒng)，在組態(tài)監(jiān)控界面輸入電動閥開度的控制信號，并將其傳送給 S7200PLC CPU226， CPU 控制單元通過模擬量輸出模塊，將控制電壓信號傳送給電動調(diào)節(jié)閥 ， 通過調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開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 S100 實訓裝置，運用組態(tài)王軟件，擬設計基于 PC+PLC 的實驗 監(jiān)控系統(tǒng)，基本框架如圖 214 所示，監(jiān)控層由計算機構成，控制層由 PLC 構成，檢測與執(zhí)行設備層由溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、液位變送 器、變頻天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 15 器、報警器、電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥、電熱棒、磁力泵、浮球開關等構成。 S7200 PLC 接收 S100 現(xiàn)場設備采集的 信 號 ，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 ，進行轉換處理后傳送給上位機PC，并且接收上位機 PC 的命令 ，如設定下位水箱的溫度，設定供水管路的壓力，設定供水管路的液位，控制磁力泵的啟停，設定電動閥開度，設定上位水箱的液位，控制 對 S100 的現(xiàn)場設備中的執(zhí)行機構進行調(diào)節(jié)。 上位機 PC 主要接收 PLC 的信號，對某些數(shù)據(jù)進行處理， 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) ，以便進行歷史追溯 ；同時也對 PLC 傳送信號進行控制， 如控制磁力泵的啟停，電動調(diào)節(jié)閥的開度， PID 參數(shù)的設定等，還可以通過組態(tài)軟件查看實時趨勢曲線，歷史趨勢曲線，報表， PID 調(diào)節(jié)，參數(shù)的設置，系統(tǒng)的投運等。 圖 214 監(jiān)控系統(tǒng) 構架 電動調(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 報警器 電磁閥 電熱絲 磁力泵 變頻器 控制層 現(xiàn)場設備層 監(jiān)控層 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 16 第三章 控制系統(tǒng)實驗設計 第 一節(jié) 實驗內(nèi)容設計 一、面向對象及實驗目的 本課題研究設計的控制系統(tǒng)實驗，是根據(jù) S100 實訓裝置的現(xiàn)有資源設計。面向自動化專業(yè)、測控技術與儀器專業(yè)以及電氣工程及其自動化專業(yè)的學生， 可在學習 “ 可編程控制器 ” 、 “ 過程控制系統(tǒng) ” 、 “ 計算機控制技術 ” 、 “ 工控機與 PLC” 等課程的過程中或學完后，利用 S100 實訓裝置進行控制系統(tǒng)實驗。 通過本設計的控制系統(tǒng)實驗可使學生得到如下訓練： 。通過學習由 S7200 構成的控制系統(tǒng)，可了解 PLC 控制器（包括 CPU 模塊、輸入擴展模塊、輸出控制模塊等）與檢測裝置、執(zhí)行裝置等的連線方法，包括兩線制接法、四線制接法等；訓練和掌握構成控制系統(tǒng)的整體電氣接線方法。 。通過 S100 實訓裝置學習控制系統(tǒng)構成的基本原理，能夠判斷出系 統(tǒng)的被控過程，被控參數(shù)，控制參數(shù)和干擾參數(shù)分別是什么；進行控制器，執(zhí)行器，正、反作用的選擇，如判斷調(diào)節(jié)閥是氣開式還是氣關式，判斷和選擇控制規(guī)律。 ：通過系統(tǒng)投運過程，掌握投運方法，學會手動 —自動切換。了解無擾動切換的概念，控制點的概念等。學習壓力控制系統(tǒng)的投運過程，如何通過手動投運，獲得理想壓力值，在系統(tǒng)穩(wěn)定后由手動投運切換到自動投運，如何加干擾，觀察壓力在干擾后如何自動恢復到穩(wěn)定觀察壓力在恢復過程中曲線的變換 KP、 TI、 TD 的調(diào)整方法訓練。 在設置 比例 增益 KP、積分時間TI、微分時間 TD 后，通過給控制系統(tǒng)加入設定值階躍干擾，觀察系統(tǒng)過渡過程曲線，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再重新設定放大增益 KP、積分時間 TI、微分時間 TD，再重復實驗，體會 PID 運算中放大增益 KP、積分時間 TI、微分時間 TD 對系統(tǒng)分別有什么影響。讓學生將理論與實踐結合，學習 PID 控制技術。 二、實驗方法設計 首先學習 S7200PLC 的模塊（包括 CPU 模塊、輸入擴展模塊、輸出控制模塊等）電氣接線方法；再針對 S100 實訓裝置上的實際接線面板進行接線訓練。 然后學習 PLC 與外部設備的 接線，如 S100 實訓裝置的啟動停止按鈕與 PLC模塊的接線，變頻器與 PLC 模擬量輸出擴展模塊 EM232 的接線，液位浮球開關與 PLC 的接線，電動調(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 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 17 PLC 模塊的接線， S100 實訓裝置啟動指示燈、停止指示燈與 PLC 模塊的接線，如 PLC 與做壓力控制實驗時，都要與哪些設備相連接，做液位控制實驗室都要與哪些設備相連接，兩種控制實驗的接線有什么相同點和不同點 ，并進行實際操作訓練。 構成 訓練 學習如何構成控制系統(tǒng)，一個控制系統(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、被控過程、測量 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、被控過程、測量 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。在上位機監(jiān)控界面上訓練各控制系統(tǒng)運行過程、數(shù)據(jù)變化等。 通過 S100 實訓裝置學習系統(tǒng)的投運過程， 并進行系統(tǒng)投運訓練。 投運前 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，然后運行 S100 實訓裝置，以液位控制系統(tǒng)的投運為例，系統(tǒng)運行時 ，磁力泵將水從下位水箱中抽入上位水箱，在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中設定一個液位，當上位水箱中的水到達設定值時，通過手動調(diào)節(jié)回流管路的閥門和供水管路的電動調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)達到動態(tài)平衡，再切換到自動投運 。 設定 自動投運的過程就是 PID 的調(diào)節(jié)過程， 通過學習，了解 PID 對過渡過程的影響，了 解 控制器 可變參數(shù)比例增益（ KP） 、 積分時間（ TI） 、 微分時間（ TD） 的調(diào)整 對系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響 ， 分別 改變 PID 參數(shù) 比例增益（ KP） 、 積分時間（ TI） 、 微分時間（ TD）對系統(tǒng)產(chǎn)生哪些不同的影響， 同時體會 PID 控制對系統(tǒng)的影響。 第二節(jié) 實驗接線設計 一、 S100 實訓裝置基本接線設計 無論是做壓力控制實驗，還是做液位控制實驗，在 PLC 模 塊 的 接線 生 接線，兩種控制實驗有些接線是相同的，比如 S100 實訓裝置的啟動停止按鈕與PLC 模塊的接線，變頻器與 PLC 模擬量輸出擴展模塊 EM232 的接線，液位浮球開關與 PLC 的接線，電動調(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 實訓裝置啟動指示燈、停止指示燈與 PLC 模塊的接線，以上為實驗的基本接線，不管是做壓力控制系統(tǒng)試壓，還是做液位控制系統(tǒng)實驗。 塊 與外部設備的接線 S100 實訓裝置的 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，引到接線面板上進行 PLC CPU 模塊的接線訓練。 1M 作為公共接線端， L1 和 分別是 PLC24V 供電的正極和負極，為保天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 18 護實驗設備，防止學生錯接產(chǎn)生損失， 24V PLC 供電端在內(nèi)部接好，沒有引到接線 面板 ， 為溢流電磁閥， 為運行指示燈，用綠色燈表示，在接線 面板對應為 HI1， 為停止指示燈，用紅色燈表示，在接線面板對應為 HI2，此外，S100 實訓裝置還提供了急停和復位接線，但在接線面板沒有引出， 這里不做介紹； 2M 作為按鈕部分輸入的公共端， 接供水量，對應接線面板為 S05， 接下位水箱的浮球開關，接線面板對應 S01， 接上位水箱的浮球開關，接線面板對應為 S02， 接啟動按鈕，對應接線面板為常開按鈕 SB1， 接停止按鈕，對應接線 面板 為 SB2。 圖 31 S7200PLC CPU226 接線 EM232 與執(zhí)行機構 電氣接線 在本課題的討論中，選用了兩個 2 模擬 量輸出模塊，其電氣圖設計如圖 32和圖 33 所示 。 變頻器啟動 + 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 啟動按鈕 天津科技大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 19 圖 32 EM232 與變頻器