s-100实训装置实验监控系统设计(编辑修改稿)

s-100实训装置实验监控系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

扩散硅压力变送器。 此变送器 的量程为 0~1bar，精度为 级，输出模拟量 4~20mA电流 信号， G1/4 外螺纹的安装方式， 供电电压为直流 24V，连接方式为两线制。 扩散硅压力变送器的构成与工作原理， 如图 213 所示，被测压力通过隔离膜片、密封硅油传输到扩散硅膜片上。 同时参考端的压力 (大气压、绝压或密封压 )作用于膜片的另一侧，这样在膜片两边的差压就产生了一个应力场，它使膜片的一部分压缩，另一部分拉伸，在压缩区和拉伸区分别有两个应变电阻片，用以感受压力而引起的阻值变化，从而将压力信号转换成电信号。 图 213 扩散硅压力变送器的构成 扩散硅压力变送器的工作原理是当外加压力时，会 引起压力芯片的输出电压发生变化，再经过信号处理电路将其放大，并转换为与输入压力成线性对应关系的标准 4~20mA 直流信号输出。 四、变频器 S100 实训装置中的变频器为 SIEMENS 公司（即西门子公司）研发的MicroMaster420（简称 MM420），它具有模块化的设计多功能化的变频器，适合用于多种变速驱动装置的变频调节，尤其适合用于磁力泵，风机和传送带等系统的驱动装置。 在 S100 实训装置控制系统中，将选择 MM420 作为驱动磁力泵的驱动装置。 MM420 具有模块化结构、调节简单、适用性广等特点，因而 在组态设计中隔离膜片 硅油 被测压力 硅膜片 参考端压力 应变电阻 天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 14 具有很大的灵活性；它的数字输入块有三个，他们之间相互隔离且何以进行编程，一个可标定的模拟输入 (0V 至 10V)，这个模拟输入也可以作为第 4 个数字输入来使用；有一个可编程的模拟输出 (0mA 至 20mA)；有一个完全可编程的继电器输出；采用较高的开关频率时，电动机运行的噪声很小；电缆连接方便，电源和电动机接线相互隔离，达到最佳的电磁兼容性效果；操作板可以与变频器分离安装。 不仅如此， MM420 变频器还具有完善的变频器和电动机保护功能。 过载能力为 150%额定负载电流，持续时间 60 秒，间隔周期 5 分钟；过电压 、欠电压保护；变频器过温保护；采用 PTC，通过数字输入端接入的电动机过热保护；接地故障保护；短路保护； I2t 电动机过热保护；闭锁电动机保护，防止失速。 五、功率调整模块 S100 实训装置控制系统中应用的 功率调整器 型号为 HANYOUNG（韩荣）TPR2N25A/35A。 功率调整模块接收来自 S7200PLC CPU226 模拟量输出扩展模块 EM232 的 4～ 20mA 控制电流信号，功率调整模块输出 0～ 220V 的电压 ，控制 加热管对下位水箱中水进行 加热，最终实现对 下位水箱中 水温度的控制。 六 、电动 调节阀 S100 实训装置控制系统选用的电动调节阀为霍尼韦尔 VBN、 VBF 电动调节 阀。 其结构特点如下： 1． 电动调节阀口径为 ～ 2 寸内螺纹（ NPT）安装； 2． 电动调节阀具有等百分比开度限制 特性； 3．可用于 两位式或 线性 系统 控制； 4．在断电或 运行 调试状态 下 可 进行 手动控制； 5． ANSI 等级 4，泄漏特性为 %CV； 6． 4 类执行器控制模式：无弹簧复位的两位式、无弹簧复位的比调式、带弹簧复位的两位式和带弹簧复位的比调式； 7．宽流量控制从 到。 本课题主要通过调节电动调节阀开的度来控制供水管路的压力 和上位水箱的液位。 S100 实训装置控制系统，在组态监控界面输入电动阀开度的控制信号，并将其传送给 S7200PLC CPU226， CPU 控制单元通过模拟量输出模块，将控制电压信号传送给电动调节阀 ， 通过调节电动调节阀的开度控制供水管路的压力和上位水箱的液位。 第四节 监控系统的主体框架 本课题针对 S100 实训装置，运用组态王软件，拟设计基于 PC+PLC 的实验 监控系统，基本框架如图 214 所示，监控层由计算机构成，控制层由 PLC 构成，检测与执行设备层由温度变送器、压力变送器、流量变送器、液位变送 器、变频天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 15 器、报警器、电磁阀、电动调节阀、电热棒、磁力泵、浮球开关等构成。 S7200 PLC 接收 S100 现场设备采集的 信 号 ，如下位水箱的温度，供水管路的压力，供水管路的流量，上位水箱的液位等 ，进行转换处理后传送给上位机PC，并且接收上位机 PC 的命令 ，如设定下位水箱的温度，设定供水管路的压力，设定供水管路的液位，控制磁力泵的启停，设定电动阀开度，设定上位水箱的液位，控制 对 S100 的现场设备中的执行机构进行调节。 上位机 PC 主要接收 PLC 的信号，对某些数据进行处理， 如监控下位水箱的温度，供水管路的流量，供 水管路的压力，上位水箱的液位， 并且保存数据 ，以便进行历史追溯 ；同时也对 PLC 传送信号进行控制， 如控制磁力泵的启停，电动调节阀的开度， PID 参数的设定等，还可以通过组态软件查看实时趋势曲线，历史趋势曲线，报表， PID 调节，参数的设置，系统的投运等。 图 214 监控系统 构架 电动调节阀 组态王 温度变送器 压力变送器 液位变送器 流量变送器 M PLC 报警器 电磁阀 电热丝 磁力泵 变频器 控制层 现场设备层 监控层 天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 16 第三章 控制系统实验设计 第 一节 实验内容设计 一、面向对象及实验目的 本课题研究设计的控制系统实验，是根据 S100 实训装置的现有资源设计。 面向自动化专业、测控技术与仪器专业以及电气工程及其自动化专业的学生， 可在学习 “ 可编程控制器 ” 、 “ 过程控制系统 ” 、 “ 计算机控制技术 ” 、 “ 工控机与 PLC” 等课程的过程中或学完后，利用 S100 实训装置进行控制系统实验。 通过本设计的控制系统实验可使学生得到如下训练：。 通过学习由 S7200 构成的控制系统，可了解 PLC 控制器（包括 CPU 模块、输入扩展模块、输出控制模块等）与检测装置、执行装置等的连线方法，包括两线制接法、四线制接法等；训练和掌握构成控制系统的整体电气接线方法。 通过 S100 实训装置学习控制系统构成的基本原理，能够判断出系 统的被控过程，被控参数，控制参数和干扰参数分别是什么；进行控制器，执行器，正、反作用的选择，如判断调节阀是气开式还是气关式，判断和选择控制规律。 ：通过系统投运过程，掌握投运方法，学会手动 —自动切换。 了解无扰动切换的概念，控制点的概念等。 学习压力控制系统的投运过程，如何通过手动投运，获得理想压力值，在系统稳定后由手动投运切换到自动投运，如何加干扰，观察压力在干扰后如何自动恢复到稳定观察压力在恢复过程中曲线的变换 KP、 TI、 TD 的调整方法训练。 在设置 比例 增益 KP、积分时间TI、微分时间 TD 后，通过给控制系统加入设定值阶跃干扰，观察系统过渡过程曲线，判断系统稳定性。 待系统稳定后，再重新设定放大增益 KP、积分时间 TI、微分时间 TD，再重复实验，体会 PID 运算中放大增益 KP、积分时间 TI、微分时间 TD 对系统分别有什么影响。 让学生将理论与实践结合，学习 PID 控制技术。 二、实验方法设计 首先学习 S7200PLC 的模块（包括 CPU 模块、输入扩展模块、输出控制模块等）电气接线方法；再针对 S100 实训装置上的实际接线面板进行接线训练。 然后学习 PLC 与外部设备的 接线，如 S100 实训装置的启动停止按钮与 PLC模块的接线，变频器与 PLC 模拟量输出扩展模块 EM232 的接线，液位浮球开关与 PLC 的接线，电动调节阀与模拟量输出模块 EM232 的接线，溢流电磁阀与天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 17 PLC 模块的接线， S100 实训装置启动指示灯、停止指示灯与 PLC 模块的接线，如 PLC 与做压力控制实验时，都要与哪些设备相连接，做液位控制实验室都要与哪些设备相连接，两种控制实验的接线有什么相同点和不同点 ，并进行实际操作训练。 构成 训练 学习如何构成控制系统，一个控制系统都由哪几部分组成，如压力控制系统中控制器、执行 器、被控过程、测量 及 变送器分别是什么，找出压力控制系统中的控制参数，被控参数，干扰参数分别是什么。 液位控制系统中，控制器、执行器、被控过程、测量 及 变送器分别是什么，找出液位控制系统中的控制参数，被控参数，干扰参数分别是什么等。 在上位机监控界面上训练各控制系统运行过程、数据变化等。 通过 S100 实训装置学习系统的投运过程， 并进行系统投运训练。 投运前 首先 确定下位水箱装满水，系统各元件连接正常，接线面板接线正常，然后运行 S100 实训装置，以液位控制系统的投运为例，系统运行时 ，磁力泵将水从下位水箱中抽入上位水箱，在上位机监控系统中设定一个液位，当上位水箱中的水到达设定值时，通过手动调节回流管路的阀门和供水管路的电动调节阀，使系统达到动态平衡，再切换到自动投运。 设定 自动投运的过程就是 PID 的调节过程， 通过学习，了解 PID 对过渡过程的影响，了 解 控制器 可变参数比例增益（ KP） 、 积分时间（ TI） 、 微分时间（ TD） 的调整 对系统产生什么影响 ， 分别 改变 PID 参数 比例增益（ KP） 、 积分时间（ TI） 、 微分时间（ TD）对系统产生哪些不同的影响， 同时体会 PID 控制对系统的影响。 第二节 实验接线设计 一、 S100 实训装置基本接线设计 无论是做压力控制实验，还是做液位控制实验，在 PLC 模 块 的 接线 生 接线，两种控制实验有些接线是相同的，比如 S100 实训装置的启动停止按钮与PLC 模块的接线，变频器与 PLC 模拟量输出扩展模块 EM232 的接线，液位浮球开关与 PLC 的接线，电动调节阀与模拟量输出模块 EM232 的接线，溢流电磁阀与 PLC 模块的接线， S100 实训装置启动指示灯、停止指示灯与 PLC 模块的接线，以上为实验的基本接线，不管是做压力控制系统试压，还是做液位控制系统实验。 块 与外部设备的接线 S100 实训装置的 PLC 主模块提供了数字量输入和数字量输出的接线端子，引到接线面板上进行 PLC CPU 模块的接线训练。 1M 作为公共接线端， L1 和 分别是 PLC24V 供电的正极和负极，为保天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 18 护实验设备，防止学生错接产生损失， 24V PLC 供电端在内部接好，没有引到接线 面板 ， 为溢流电磁阀， 为运行指示灯，用绿色灯表示，在接线 面板对应为 HI1， 为停止指示灯，用红色灯表示，在接线面板对应为 HI2，此外，S100 实训装置还提供了急停和复位接线，但在接线面板没有引出， 这里不做介绍； 2M 作为按钮部分输入的公共端， 接供水量，对应接线面板为 S05， 接下位水箱的浮球开关，接线面板对应 S01， 接上位水箱的浮球开关，接线面板对应为 S02， 接启动按钮，对应接线面板为常开按钮 SB1， 接停止按钮，对应接线 面板 为 SB2。 图 31 S7200PLC CPU226 接线 EM232 与执行机构 电气接线 在本课题的讨论中，选用了两个 2 模拟 量输出模块，其电气图设计如图 32和图 33 所示。 变频器启动 + 24VDC 低水位水箱下限位 高水位水箱上限位 24VDC + 红 停止指示灯 HI、2 绿 运行指示灯 HI、1 Q • • • • • • 1M 1L 1M 02 2M I • • • • • • • • • CPU226 CN 6ES7 2162AD22 0XB0 溢流电磁阀 24VDC + 停止按钮 启动按钮 天津科技大学 20xx 届本科生毕业设计 19 图 32 EM232 与变频器。