1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生： 指导教师 ： 完成日期 2012 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于智能仪表和ADAM模块的过程控制实验对象设计 Design of Experiment Object Based on Intelligent Instrument and ADAM Module 总 计： 22 页表 格： 2 个插 图 ： 14 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文） 基于智能仪表和ADAM模块的过程控制实验对象设计 Design of Experiment Obje
2、ct Based on Intelligent Instrument and ADAM Module学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于智能仪表和ADAM模块的过程控制实验对象设计基于智能仪表和ADAM模块的过程控制实验对象设计自动化专业 摘 要本课题是用智能仪表和ADAM模块做调节器，对模拟工程现场的压力、温度、流量、液位四大参数进行控制，设计过程控制实验装置。具体设计了模拟工程实际的一阶、二阶大小惯性的实验
3、对象，包括水箱、夹套锅炉、流量管道、水泵供水、循环储水箱、机械台架等。为控制对象选用安装了温度、压力、流量、液位传感变送器，为控制回路执行调节选用安装了调节阀、电加热丝以及流量管道等。关键字 控制对象；机械台架；水泵；传感器；调节阀Design of Experiment Object Based on Intelligent Instrument and ADAM ModuleAutomation Specialty ZHUO XinAbstract: This topic uses intelligent instrument and ADAM module as regulator, t
4、o control four parameters of simulate the engineering field of pressure, temperature, flow, liquid level, which design process control experiment device. The paper primary design the simulation engineering practice of the first and second order size of inertia subjects, including water tank, clip se
5、t of boiler, flow pipe, water pump water supply, circulation water storage, mechanical test bench and so on. Install the temperature, the pressure, flow, liquid level sensor for the object of control, and for regulating executive control circuit choose install the regulator, electric heating silk an
6、d flow pipe and so on. Keywords: Control object; mechanical bench; water pump; sensors; regulator目 录1 引言12 智能仪表和ADAM模块以及力控的基础知识简介12.1 智能仪表介绍12.2 ADAM硬件的基本知识22.2.1 ADAM-4000系列的硬件介绍22.2.2 ADAM-4000内部的配置23 控制对象的机械台架设计和安装33.1 控制对象机械台架的设计和安装33.2 主要实验设备的安装34 主要设备的选型及功能简介74.1 储水箱的设计74.1.1 储水箱的选型及安装74.1.2 水
7、泵的选用和安装74.2 温度对象的设计84.2.1 夹套锅炉体设计84.2.2 温度传感器的选用和安装94.2.3 管道的选用94.3 压力对象的设计104.3.1 压力变送器的选型104.3.2 管道的选用124.4 流量对象的设计134.4.1 调节阀选用和安装134.4.2 流量传感器的选用和安装154.4.3 管道的选用164.5 水箱对象的设计174.5.1 水箱体的设计和安装174.5.2 上下水箱液位传感器的选型及介绍174.5.3 管道的选用19结束语20参考文献21致谢22II1 引言过程工业包括化工、石油化工、炼油、钢铁、有色冶金、电力、轻工、医药、生物化工、精细化工、食品
8、、防止以及半导体生产等工业部门，占国民经济生产总值的一半左右。在现代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大、生产过程的强化、对产品质量的严格要求以及各公司之间的激烈竞争、资源与能源的紧缺以及人类生存环境条件的恶化，对过程专业的自动控制要求越来越高，人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的要求。因此过程控制系统已成为工业生产过程中必不可少的装备，为保证现代企业安全、优质、低消耗和高效益生产提供了有效的技术手段1。自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。原始操作系统是操作工通过眼、脑、手相互配合完成对控制对象的控制，操作工与所控制的设备构成一个人工控制系统。然而，人工控制难以满足现代工业
9、对控制精度的要求，特别对于现代流程工业，典型的生产装置需要控制的回路多达几百个，人工控制几乎不可能完成。如果能用一些仪表或自动化装置代替操作工的眼、脑、手来自动地完成控制任务，不仅能大大减轻操作工的劳动强度，而且可大大提高控制精度与工作效率。由此我们引出了智能仪表和ADAM模块以及其它调节与控制装置。用智能仪表和ADAM模块对模拟工程现场的压力、温度、流量、液位四大参数进行控制。用管道、水箱、锅炉模拟过程工艺设备，用智能仪表、ADAM模块、变频器、调节阀做控制器和执行器，能够对温度、压力、流量、液位进行单双回路控制，设计过程控制实验装置。其中测量变送器、控制器和执行器分别具有操作工的眼、脑、手
10、的功能。2 智能仪表和ADAM模块以及力控的基础知识简介2.1 智能仪表介绍本次设计主要用的宇电公司的AI808/AI808P、AI808H。AI808/AI808P是宇电公司开发的人工智能控制器，出入采用数字化校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性化校正表格，测量精度高达0.2级；采用先进的模块化结构提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要；此外采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定功能。AI808H含有50段程序编程能力，具有很好的扩展性2。AI808H型流量积算仪可对物质的质量、体积、长度、流量进行累计计算并可进行批量控制。它采用技术成熟且已大量生产AI系列仪表通用硬
11、件，配合优秀的流量积算仪软件，使仪表具备功能丰富，编程简便、抗干扰性好、可靠性。2.2 ADAM硬件的基本知识2.2.1 ADAM-4000系列的硬件介绍(1)ADAM-4017 ADAM-4017是16位A/D 8通道的模拟量输入模块，可以采集电压、电流等模拟量输入信号 。(2)ADAM-4021ADAM-4021是模拟量输出模块，它接收到主机的请求信号后，就将数据通过RS-485网络按照所需的格式发送出去。(3)ADAM-4520ADAM-4520隔离转换器可在以前配置的RS-232系统中充分利用RS-422和RS-485的优点。它可以将RS-232信号转换为隔离RS-422或RS-485
12、信号。不需要对PC硬件或软件做任何修改。ADAM-4520可以让使用标准的PC硬件构建一个工业级、长距离通讯的系统，仅需两根导线就可以构建一个RS-485网络。传输速率最高可达115.2Kbps3。2.2.2 ADAM-4000内部的配置(1)打开桌面上的ADAM-4000 Utility。(2)选中COM1，内部数据可以采取缺省值，点击工具栏快捷键search：(3)COM1下方会出现ADAM-4017、ADAM-4021图标4，如图1所示：点击各图标，就可以进行配置，若实用某个通道，就在这个通道前打。另外各模块的地址必须设好，且各模块地址不能设重复，后面的实验需要用到这个地址。 图1 AD
13、AM4000系列的参数设置3 控制对象的机械台架设计和安装3.1 控制对象机械台架的设计和安装本实验装置的设计目的在于模拟工业现场对工业生产过程进行控制。设计时力求与工业现场保持一致，尽可能的达到工业现场所能达到的效果。为达到这种效果，设计时也考虑引入外部干扰，尽可能再现工业现场情景（如：在做温度对象设计时，我们引入了循环水来代替进行降温的流动水，虽然可能效果上有些小差别，但大体上能起到类似效果）。本机械台由长方体框架作为主结构，内部安装固定三角铁作为固件结构。所用材料均是规格为30303的角钢，通过人工截取，用螺丝、三角片固定组建而成。主体为长、宽、高为150cm、50cm、205cm的长方
14、体。内部由角钢支撑和固定各检测元件、变送器、控制阀、取源点及控制对象。所有现场接线排线也依附于角钢铁架，既能方便操作，又能有效的保护人身安全，符合工业现场设计规则。3.2 主要实验设备的安装本控制现场用到的主要设备有磁力驱动泵、智能调节阀、压力变送器、温度传感器、液位传感器及变送器、流量传感器及变送器（涡轮流量计）、加热丝等。为了更好的利用空间，本次设计将长方体角钢架大体划分为四层。第一层安放作为水源的源水槽、磁力驱动泵和压力传感器。从源水槽出来用直径为20mm的铝塑管接到磁力驱动泵的进水口，这样才能与磁力驱动泵的进水口直径相符；然后用直径为12mm的铝塑管接到水泵的出水口，从出水口出来后所有
15、管道都是用直径为12mm的铝塑管，因为这样才能满足磁力驱动泵的杨程和出水口直径。第二层安装智能调节阀、流量传感器。第三层内部架装锅炉和一个水槽，在锅炉底部安装压力传感器，在左上角安装温度变送器和流量变送器。第四层架装两个水槽，放置液位传感器。具体安装位置为，从水槽引管道出来接磁力驱动泵，离磁力泵20cm处插入压力变送器，检测供水压力。而后管道分为两路，各接智能调节阀FV101、FV1025。在离智能电动调节阀20cm处接入流量传感器FE101、FE102。而后接入锅炉、下水槽，两个上水槽。在此设备中共用到KSMP磁力驱动泵1台、KY-B380压力变送器1台、LWGY-10电磁流量传感器2块、Q
16、STP智能调节阀2台、KY-B380液位变送器2台、夹套锅炉1个、Cu50电阻温度传感器1个、铂电阻Pt100温度传感器1个、不锈钢法兰直径10内经3的螺母34只、压力表直接接头21只、T16三通中间接头8只、T20三通中间接头1只、L20弯通接头5只、Q16铝塑管专用阀12只、DN15铝塑管专用阀3只、L16万通中间接头16只、T16*20异径三通接头1只、5*0.8螺丝16根。控制对象机械台架的设计和安装6如图2、图3、图4所示：图2 机械台架主视图图3 机械台架安装侧视图图4 机械台架安装后视图4 主要设备的选型及功能简介4.1 储水箱的设计4.1.1 储水箱的选型及安装 储水箱材质可使
17、用不锈钢板、搪瓷钢板、玻璃钢（SMC）、热镀锌钢板、钢板内衬不锈钢板。结合给水箱设计规范标准，材质的选择，经济实用和安装要求我选用不锈钢板作为储水箱材质。储水箱尺寸为100cm*43cm*44cm，容积为189L。实物图5如下：图5 储水箱实物图4.1.2 水泵的选用和安装泵选型的原则：(1)使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、气蚀流量 、吸程等工艺参数的要求。(2)必须满足截至特性的要求。(3)机械方面可靠性高，噪声低，振动小，维修方便等。流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的生产能力和输送能力。杨程是选泵的又一重要性能数据，一般要求放大5%10%余量后扬程来选
18、型。根据上面所述，本次设计的水泵，我采用CQ型磁力驱动泵（简称磁力泵），是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品。其优点是设计合理、工艺先进、具有全密封、无泄漏、耐腐蚀的特点，其性能达到国外同类产品的先进水平。磁力泵以静密封取代动密封，使泵的过流部件处于完全密封状态，彻底解决了其它泵机械密封无法避免的跑、冒、滴之弊病。磁力泵选用耐腐蚀、高强度的工程塑料、刚玉陶瓷，不锈钢等作为制造材料，因此它具有良好的抗腐蚀性能，并可以使被输送介质免受污染。本次选用磁力泵的型号为20CQ-127。意义：20代表进口直径（mm），CQ代表磁力驱动泵，12代表扬程。出口直径为12mm，流量为50升/分，电机功率
19、：0.37千瓦，转速为2800转/分。该磁力泵在安装时应注意：(1)磁力泵应水平安装，不宜竖立，电机务必朝上；(2)当抽吸液面高于泵轴心时，起动前打开吸入管道阀门；(3)使用前要进行检查，看电机风叶转动是否灵活，无卡住及异常的声响；(4)检查电机旋转方向是否与磁力泵转向标记一致；(5)电机启动后，缓慢打开排出阀，待泵进入正常工作状态后，再将排出阀调到所需开度；(6)泵停止工作前应先关闭排出阀门，然后关闭吸入管阀门。4.2 温度对象的设计本实验装置的设计思想包括对温度对象的控制，我们以锅炉里的水作为温度控制对象。为了更好的与工业现场相结合，增加了对锅炉外部进行流动水扰动的功能。具体通过夹套锅炉来
20、实现。4.2.1 夹套锅炉体设计锅炉材质为不锈钢，厚度2.5mm，内胆容积25L，夹套容积23L。锅炉顶部安装两个温度传感器8，分别检测内胆温度和夹套温度。夹套锅炉三视图如图6：图6 夹套锅炉三视图本设计所用加热是通过三相移相/周波过零可控硅调功触发器触发可控硅9，通过可控硅控制加热丝加热。夹套锅炉的进水出水装置与水箱设计一致。溢流管分别从内胆侧壁、夹套侧壁引出，距离箱顶150200mm。这样设计符合实际需求，也在保证水箱有效容积的基础上，使水箱的公称容积最经济。4.2.2 温度传感器的选用和安装检测内胆温度的传感器标号为TE101，分度号为Cu50，L=300mm，6，卡套螺纹连接。检测夹套
21、温度的传感器标号为TE102，分度号为Pt100，型号KY-2801，L=300mm，6，卡套螺纹连接。铂（铜）电阻温度传感器是利用金属铂（铜）在温度变化时本身电阻值也随着变化的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂（铜）电阻的电阻值所对应的温度值。其受热部分（感温元件）是用细金属铂（铜）丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度梯度存在时，其回路内产生热电流的物理现象。所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。温度传感器的技术指标如表1所示：表1 温度传感器的技术指标名称分度号测量范围精度等级误差铂电阻P t100-200-6001/2DIN（0.10+0.017t）铜
22、电阻Cu50-50-150（0.30+0.002 t）金属铂材料的优点是化学稳定性好、能耐高温，容易制得纯铂，又因其电阻率大，可用较少材料制成电阻，此外其测温范围大。它的缺点是：在还原介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改变电阻与温度之间的关系。铜热电阻的优点是价格便宜，线件度好，工业上在-50-150范围内使用较多。铜热电阻怕潮湿，易被腐蚀，熔点亦低。安装注意事项：(1)热电阻为避免因联接导线的电阻随外界温度变化而更降低测温精度时，应采用三线制。(2)温度传感器输出的信号不是标准信号，无法直接被ADAM模块等其他设备正确识别，所以需要智能仪表的信号变送
23、。4.2.3 管道的选用本套设备可进行锅炉温度单回路PID控制。温度控制系统中，锅炉内胆中有铜电阻测温(型号Cu50)，温度信号反馈到智能仪表中，经智能仪表PID（或力控组态策略中PID）运算后，输出相应的输出信号，来控制可控硅的通断，实现对电加热丝的调控，从而达到控制锅炉温度的目的。实验主要设备：AI-808P智能仪表（TIC101），固态继电器（可控硅SSR），温度传感器（TE101），锅炉及加热器（加热丝功率：31.5KW）（或Cu50、Pt100、ADAM4017、ADAM4520、ADAM4021、力控组态软件）。其管道所选用的是直径为12mm的铝塑管，其回路如图7：图 7 温度回路
24、管道仪表设计流程图4.3 压力对象的设计4.3.1 压力变送器的选型本次设计的压力变送器选择标准的压力变送器，型号为KY-B380310，原因有以下几点。(1)精度等级。中国和美国等膜盒压力表国家标的精度是传感器在线性度最好的部分,，中国标的精度就为0.5%。(2)从测量介质上看，我们测量的是相对比较清洁杂志较少的水而不是易结晶的或粘稠的流体,我们就直接采用标准的压力变送器,而不必采用外置膜片和化学密封来阻止介质堵住压力测量孔。(3)接液材质。一般考虑的是压力变送器所测量的介质,一般的压力变送器的接触介质部分的材质采用的是316不锈钢,我们的测量介质对316不锈钢没有腐蚀性,选择普通的316不
25、锈钢满足使用。(4)输出信号。目前由于各种采集的需要,现在市场上压力变送器的输出信号有很多种,主要420mA,020mA,010V,05V等等,但是比较常用的是420mA和010V两种,在我上面举的这些输出信号中,只有420mA为两线制(我们所说的输出为几线制不包含接地或屏蔽线),其他的均为三线制.而我们在此选用420mA两线制。(5)介质温度。由于压力变送器的信号是通过电子线路部分转换的,所以一般情况下,压力变送器的测量介质温度为-30到+100度。我们测量的是普通水质，考虑到后面有温度控制，介质温度不会高于100，市场上绝大部分产品都可选用，不需特殊定制。压力变送器实物图如图811所示：
26、图8 压力变送器实物图压力变送器具体参数如下：(1)型号：KY-B3803(2)量程：4KPa(3)电源：24VDC(4)精度：0.25% (5)输出：420mA产品特点：用于自动控制，测量流体压力、液位；适于全天候野外环境和腐蚀环境；主器件美国引进，专利设计技术；拥有并采用激光温度校补技术；抗射频干扰，有效抑制浪涌电压；抗过载能力可达量程数十倍；316不锈钢联接件、压铸铝壳体，高集成化。 绝对 最大035MPa 最小035KPa负压 最大-100KPa35MPa 最小500Pa接线图如图9所示，不能和压力传感器相混淆，它的接线和液位传感变送器一样。图9 压力变送器接线图4.3.2 管道的选用
27、恒压供水控制系统的设计主要完成水泵供水时保持恒压，为整个实验装置供水。该控制系统用智能仪表作为调节器，压力变送器作为反馈单元，把检测到的水泵出口水压信号传到智能仪表上，用智能仪表控制变频器，变频器驱动水泵变频调速运行，以达到恒压供水的目的。设置调整智能仪表的PID等参数，实现闭环控制。实验装置：(1)交流变频器MMV440、智能仪表（PIC101）、压力变送器（PIT101）、磁力驱动泵（PV101）、250欧的标准电阻。(2)万用表其管道所选用的是直径为12mm的铝塑管，其回路如图10：图10 恒压供水管道仪表流程图4.4 流量对象的设计4.4.1 调节阀选用和安装调节阀的阀体种类很多，常用
28、的阀体种类有直通单座、直通双座、角形、隔膜、小流量、三通、偏心旋转、蝶形、套筒式、球形等。主要根据介质的流量特性，应选择直通单座阀体。根据工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。从节能方面考虑，应选用电动执行机构。QSTP12系列智能电动单座调节阀是QS智能电动调节阀系列产品之一，它是由QSL智能电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀。可广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。电动执行机构接受420mA/412mA/12-20mA/05V/15V等控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。主要特点：(1)配用QSL智能型直行程电动执行器，体积小、规格全、重量轻、推力大、操作方便，无调整电位器，可靠性高、噪声小。(2)QSL电动执行器采用一体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。(3)有数字显示窗口，可看到控制信号值、阀位值。
