【正文】 ℃% F . S / ℃% F . S / ℃V D CM Ω / 1 0 0 V D C% F . S測量范圍Y Z D 1表壓絕壓主要技術指標注 ： 測量介質為干燥 、 非腐蝕性氣體 。 準確度等級不高于 0 . 2 。電氣連接方式連接方式 插頭座號 導線顏色3 線 2 線 2 線3 線輸入 （ 電源 ） 正端輸出信號正端輸出信號負端輸入 （ 電源 ） 負端注 ： 若插頭座號 、 導線顏色發(fā)生變化時 ， 請以傳感器檢定合格證書為準 。1 1紅紅2 2藍藍4 / /黃4 / /黃山東科技大學學士學位論文 硬件設計31 調節(jié)閥的選擇在過程控制中，執(zhí)行器大多采用閥的形式，控制各種氣體與液體的流量與流速，是過程控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，其控制特性好壞對控制質量的影響是很大的。而由于其結構較簡單又較粗糙，所以往往不被人們所重視。實踐證明，在過程控制系統(tǒng)設計中，若調節(jié)閥特性選用不當，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴重影響控制質量。所以，應根據(jù)過程控制生產(chǎn)過程的特點、被控介質的情況和安全運行需要，并從系統(tǒng)設計的總體考慮，選用合適的執(zhí)行器。調節(jié)閥 [3]是由執(zhí)行機構和調節(jié)機構兩部分組成。在一個過程控制系統(tǒng)中，它接受調節(jié)器輸出的控制信號，并轉換成直線位移或角位移來改變閥芯與閥座之間的流通截面積以控制流入或流出被控過程的流體介質的流量，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)的控制。根據(jù)使用能源的不同調節(jié)閥可以分為氣動調節(jié)閥、電動調節(jié)閥和液動調節(jié)閥三類，在過程控制中，使用最多的是氣動執(zhí)行器，其次是電動執(zhí)行器，較少使用液動執(zhí)行器。氣動調節(jié)閥的輸入信號是 ～ ；電動調節(jié)閥的輸入信號是 DC4～20mA。在具體選擇時，可做如下考慮：根據(jù)所選擇的流量特性和不平衡力等因素考慮閥芯形狀結構；當流體介質是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時，閥的內部材料要堅硬；當介質的溫度、壓力高且變化大時，應選用閥芯和閥座的材料受溫度、壓力變化小的閥門；為了使調節(jié)閥正常工作，配用的執(zhí)行機構要能產(chǎn)生足夠的輸入力來保證高度密封和閥門的開啟。對于雙作用的氣動、液動、電動執(zhí)行機構，一般都沒有復位彈簧。作用力的大小與它的運行方向無關，因此，選擇執(zhí)行機構的關鍵在于弄清最大的輸出力和電機的轉動轉矩。對于單作用的氣動執(zhí)行機構，輸出力與閥山東科技大學學士學位論文 硬件設計32門的開度有關，調節(jié)閥上的出現(xiàn)的力也將影響運動特性，因此要求在整個調節(jié)閥的開度范圍建立力平衡。對執(zhí)行機構輸出力確定后，根據(jù)工藝使用環(huán)境要求，選擇相應的執(zhí)行機構。對于現(xiàn)場有防爆要求時，應選用氣動執(zhí)行機構。從節(jié)能方面考慮，應盡量選用電動執(zhí)行機構。若調節(jié)精度高，可選擇液動執(zhí)行機構?；跒V池控制系統(tǒng)的基本的控制要求，各個執(zhí)行器件（調節(jié)閥）的選擇本著經(jīng)濟實用，滿足所需要的控制功能即可。出水閥因涉及到恒水位過濾的精確的控制，故選用電動調節(jié)閥，除此之外的各個閥門都選用電磁閥。電磁閥選用上海力典電磁閥有限公司生產(chǎn)的 LD51 系列不銹鋼電磁閥。該類電磁閥有動作靈敏、零壓啟動、性能穩(wěn)定、鍛造閥體性能穩(wěn)定等優(yōu)點。應用范圍有燃氣石油、環(huán)保設備、加濕設備、暖通空調、水處理、鍋爐、包裝機械、紡織印染、清洗設備、園林噴灌、啤酒飲料、食品加工等控制系統(tǒng)。技術參數(shù)：公稱通經(jīng) DN550原理結構 直動式、分步直動式閥體材質 黃銅、SS304 、特質 SS316膜片材料 NBR、FKM、EPDM、硅膠環(huán)境溫度 10℃～+60℃（防爆型20 ℃～+50℃）流體溫度 C2 組：5℃～80℃，C3 組：5℃～130℃適用流體 氣體、液體流體粘度 ≤22mm2/s連接方式 內螺紋(國標或 NPT)安裝方式 水平安裝，線圈向上（禁止垂直安裝）山東科技大學學士學位論文 硬件設計33防護等級 IP54(鐵殼線圈)功能選項：代號 功能名稱 功能說明K 常開 通電閥關，斷電閥開E 防爆 防爆等級：Exdb Ⅰ/ ⅡT4A 德國線圈 選配德國品牌線圈T 帶定時器 可以設定開、關間隔時間*（限≤DN25mm） ，防爆型不能帶定時器。電氣參數(shù)：電源電壓 220V、110V、24V AC 50/60Hz 24V、12V DC額定功率 防爆型 AC：17VA；DC：20W電壓公差 177。10﹪電氣連接 普通型：標準接線盒澆封型：M14＊, 導線隔爆型：M14＊，接線盒＊以上為啟動后平穩(wěn)工作時功率，啟動時功率會增大。 系統(tǒng)硬件配置及 I/O 接線圖 系統(tǒng)的硬件配置設計根據(jù)以上的硬件的選型我們可以知道，PLC 的電源模塊為其他各個模塊提供電源，上位機通過 PLC 自帶的 RS232 串口與之通信，并可以對PLC 的工作狀況進行監(jiān)控。PLC 的 CPU 模塊負責 PLC 的數(shù)據(jù)處理和通信，模擬量輸入模塊將來自傳感器的檢測信號傳入 PLC，模擬量輸出模塊負責對調節(jié)閥的開度進行控制。數(shù)字量輸出模塊主要時負責現(xiàn)場濾池上各個開山東科技大學學士學位論文 硬件設計34關閥的開、關以及水泵、風機的起?？刂?，而開關量的輸入模塊則是針對強制反沖洗信號的接受并且下達反沖洗動作命令的執(zhí)行。其硬件配置如圖 所示。上位機C P U 電源6 E S 7 3 O 7 1 B A 0 1 O A A 06 E S 7 2 1 4 1 A D 2 3 O X B 06 E S 7 2 3 1 O H C 2 2 O X A B6 E S 3 7 2 3 2 O H B 2 2 O X A 8傳感器開關閥 、 風機 、 水泵強制信號調節(jié)閥通信模塊 中央處理單元C P U圖 硬件配置圖 系統(tǒng)的 I/O 配置設計水廠濾池部分包括 8 個濾池，由于每個濾池的硬件和軟件的組成相同，以下就以 1 個濾池為例進行說明。每個濾池的自控部分的實現(xiàn)需要數(shù)字量輸入點 1 個，數(shù)字量輸出點 6個，模擬量輸入點 2 個，模擬量輸出點 1 個。現(xiàn)將 I/O 個數(shù)統(tǒng)計情況如表 所示。山東科技大學學士學位論文 硬件設計35表 系統(tǒng) I/O 統(tǒng)計 I/O 類型 個數(shù) 說明模擬量輸入 2 濾池水位信號壓力變送信號模擬量輸出 1 出水閥開度數(shù)字量輸入 1 強制反沖洗信號數(shù)字量輸出 6進水閥開度反沖氣閥開/關反沖水閥開/關排污閥開/關鼓風機開/關水泵開/關模擬量選用 EM231 模擬量 I/O 模塊，選擇電壓型，為 1～5V；模擬量輸出模塊選用 EM232 模擬量 I/O 模塊，選擇電流型，為 0～20mA。各控制參數(shù)由檢測裝置測量后經(jīng)由變送裝置將各信號轉化為 4～20mA 電信號，送入 PLC 的輸入輸出模塊，連接圖如下圖 所示。模擬量輸入模塊6 E S 7 2 3 1 O H C 2 2 O X A B液位變送壓力變送A I : 0+ + A 1 ： 1AO:0模 擬 量輸 出 模 塊6ES7232OHB22OXA8電 動 調 節(jié) 閥圖 模擬量輸入輸出模塊接線圖山東科技大學學士學位論文 硬件設計45CPU 信號接線圖如圖 所示。C P U 2 2 4 C NQ 0 . 0 Q 0 . 1 Q 0 . 2 Q 0 . 3 Q 0 . 4 Q 0 . 5 M 1 M 強制輸入信號 I 0 . 0 進水閥開 / 關 反沖氣閥開 / 關 反沖水閥開 / 關排水閥開 / 關 鼓風機開 / 關 水泵開 / 關圖 CPU 數(shù)字量輸入輸出模塊接線圖山東科技大學學士學位論文 硬件設計36 系統(tǒng)參數(shù)整定要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，出了必須正確的選取、設計控制方案外，還必須正確地選擇控制算法并進行參數(shù)整定。系統(tǒng)的參數(shù)整定可以采用理論計算法或者工程整定法。由于理論計算法要以被控對象的動態(tài)特性為依據(jù)，而動態(tài)特性測取時往往具有不確定性，而且容易隨工作狀態(tài)的變化而變化，因此應當采用工程整定的方法。在控制系統(tǒng)中，按照給定信號和反饋信號之間的偏差的比例（P） 、積分（I ）和微分（D）進行控制的 PID 控制器是應用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨立、參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點。在本設計中對參數(shù)的整定采用工程整定方法中的動態(tài)特性參數(shù)法。所謂動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程（包括調節(jié)閥Wv(s)） 、被控對象Wo(s)和測量變送Wm(s))階躍響應特性進行近似計算的方法，如圖，在調節(jié)閥Wv （ s）的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器Wm(s)的輸出響應曲線，根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)值，分別應用相應的計算公式算出調節(jié)器的整定參數(shù)值。W c ( s ) W v ( s ) W o ( s )W m ( s )X ( s )圖 廣義過程方框圖在系統(tǒng)的仿真設計中，采用 Matlab 進行系統(tǒng)仿真來驗證控制方案的正確性，以及控制效果。山東科技大學學士學位論文 硬件設計37首先，由于濾池液位系統(tǒng)為自平衡系統(tǒng)，故控制對象的近似傳遞函數(shù)可以用下式來表示： (n 3) ??nTssW??1)(??或有明顯滯后（包括 ）?Tc? ??seTcSs?????1)(給定的被控過程傳遞函數(shù)為： ，由于 ，?T度等于 時的自平衡過程整定計算公式便可以整定調節(jié)器的參數(shù)。表 自平衡過程整定計算公式由自平衡過程整定計算公式可以算出：K=1=，Ti=25=10s ，Td=5=PID 調節(jié)器的傳遞函數(shù) ?? sssWc ???????????用 matlab 軟件仿真，編程如下：s1=tf(1,[30,1],’Td’,5)；山東科技大學學士學位論文 硬件設計38s2=tf([25,10,1],[10,1])；sk=s1*s2；spk=pade(sk,20)s=feedback(spk,1)；step(s)運行后得到的仿真波形圖如圖 所示。圖 系統(tǒng)的仿真波形山東科技大學學士學位論文 軟件設計394 軟件設計 軟件總體方案設計 S7200 的簡介S7200[4] 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此 S7200 系列具有極高的性能、價格比?！　7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： 　　1）極高的可靠性。 　　2）極豐富的指令集。 　　3）易于掌握。 　　4）便捷的操作。 　　5）豐富的內置集成功能。 　　6） 實時特性。 　　7） 強勁的通訊能力。 8） 豐富的擴展模塊。適用范圍：S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)。山東科技大學學士學位論文 軟件設計40 控制方案流程圖本設計中采用 STEP7Micro/Win 軟件 [4]對西門子 PLC 編寫梯形圖程序進行實現(xiàn)。本設計將整個控制過程分為兩部分：正常恒水位過濾和氣水反沖洗過程