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1、绪 论本实训平台的设计结合了目前各大院校化工测量及仪表、检测技术及仪表、热工自动化及仪表、非电量测量与控制技术、过程控制等课程实验大纲的要求。通过该实验装置的使用和学习，学生能够掌握有关化工仪表及自动化的基本知识，对有关仪表的安装、调试及使用有一定的了解，并对化工生产中如何进行液位、温度、压力和流量等参数的自动化控制有基本的认识。本实验装置的设计思想主要是通过学生使用本实训平台，首先完成传感器与检测技术等一系列基本实验，来掌握传感器与检测技术课程所要求的基本原理、操作技能和动手能力，以及对化工生产现场的工业自动化仪表有一定程度的认识，并掌握其使用方法。还能通过完成几个综合性实验，对控制系统有一
2、个较为全面的认识，形成基本解决实践问题的知识体系。并能进一步让学生自己组合和设计各种不同的实验系统，进行创新性实验，培养其创新思想和能力。本实验指导书中大量篇幅描述了实际工业现场常用的仪器仪表，并对传感器及仪表进行有针对性的解析，在第一章中，对本套系统作了整体的介绍，包括硬件和软件部分；第二章中对化工中最常用的离心泵进行了介绍；第三章对工业现场应用普遍的执行器电动调节阀作了详细的技术描述；第四章对本套装置中四块三类仪表进行了详细介绍；第五章对装置的主题传感器和变送器进行了叙述讲解；第六章实现了对四大热工参数的自动控制；第七章着重讲解了无纸记录仪在化工生产现场中的一个重要应用；第八章可完成一些开
3、放性的实验项目，如组态编程和控制实验。在解析说明过程中侧重于对学生动手能力的锻炼，在常用的四大热工参数的传感器检测手段上，都作了两种以上的选型，使学生对传感器的工作原理有一个比较认识过程，另外增加了两种执行机构，使参数变得可控，进而可以使用者在认识传感器的基础上进行控制类实验，使实验装置不仅具有良好的自动检测功能，同样具有更高的自动控制功能。本实验指导由于编者时间仓促和水平能力有限，很多内容是作者的经验和见解，欢迎高校老师的批评指正，以使本实验指导书日臻完善。第一章 实验装置的结构组成和系统认识实验1.1 实验系统认识实验本套系统将现场对象系统和二次仪表操作台结合为一体，在操作对象系统的同时，
4、可以就地查看显示仪表的相关信息。实验装置中配备有压力、流量、温度、液位传感器，除温度输出阻值外，其它三种均有相应的变送器对传感器输出信号进行变送，以输出电流信号给仪表（或远传）使用。为实现对上述四大热工参数的自动调节，本套装置中，还配备有相应的调节执行器- -电动调节阀和调压模块，前者可以对压力、流量和液位进行自动调节控制，后者可实现温度的平滑连续调节。控制箱中装有四块工业常用的仪表，可以同时采集三路现场信号进行对比显示，也可经三路不同的信号同时显示在一块仪表中，并能对实时变化的参数进行存储和绘制实时和历史曲线。本套装置还配备上位机监控系统，利用组态软件将仪表所有数据采集显示并绘成曲线，通过对
5、过程参数变化曲线的对比，能更直观有效的分析传感器变送器的各大性能指标，为方便实验针对每一时刻参数的具体数值作查询，上位机软件中具有数据报表功能，可以同时记录所有仪表采集的变量值，对本套实验装置中所有的参数，本软件工程都对应开发了相应的自动控制实验项目，另外还可自行开发实验项目。1.1.1 系统结构流程图如下：图1-1-1 THPHG-1对象系统流程图1.1.2 上位机工程实验项目如下：图1-1-2 THPHG-1工程主菜单1.2 实验装置硬件组成本套装置为对象和现场变送器显示二次仪表一体式结构设计，对象系统中由液位水箱、复合加热水箱、仪表控制箱、各类检测装置、两套执行器、一套水路动力系统以及一
6、个接线箱组成。1.2.1 液位水箱：液位水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化。为严格按照压力变送器量程需要，水箱高度需与传感器量程对应起来，水箱尺寸为：直径*高=250*550mm。水箱由缓冲槽、工作槽、采压孔、出水管和溢流管组成，进水时水管中的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经隔板边缘流入出水管，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部连接有电容式、扩散硅和差压液位压力变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=66cm3543，能同时满足液位水箱和复合加热水箱的实验供水需要。储水
7、箱内部有椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。 1.2.2 复合加热水箱：复合加热水箱由两层水箱结构组成，内层为加热水箱，配备有1KW电加热管，尺寸为：直径*高=200*370mm。其顶盖上还布有一条进水管路和两只温度传感器，分别为PT100和Cu50热电阻，插入深度垂直居中、水平偏前。加热水箱中设有进水管路，还有溢流保护口，保护顶盖不承受较大压力。整个内层加热水箱悬浮于外层有机玻璃水箱中，加热筒底部由一圈接触面积很小的圆形支架固定在外层有机玻璃水箱内。外层冷却水箱同样拥有独立的进水管路和溢流保护出水管，可以有效降低内层加热水箱内液体水的温度，其体积较大，外圆尺寸为：直径*高=35cm*
8、35cm。1.2.3 仪表显示控制箱：仪表控制箱左上方标有本套装置的具体型号，面板示意图如下图1-2-1：控制面板部分包含的主要器件：1.2.3.1 单相带漏电保护断路器：本套装置为单相三线220V10/50Hz供电，整机容量时，需对泵的特性曲线进行修正。2.2.3.3 离心泵转速对特性曲线的影响 离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的，当泵的转速改变时，泵的流量、压头及轴功率也随之改变。当液体的黏度不大，且转速变化小于20%时，可认为泵的效率不变，此时泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系为 （2-2）式中 ，转速为时的性能参数；，转速为时的性能参数；上式称为比例定律，据此式可将某一转速下的
9、特性曲线转换为另一转速下的特性曲线。2.2.3.4 离心泵叶轮直径对特性曲线的影响 当离心泵的转速一定时，对同一型号的离心泵，切削叶轮直径也会改变泵的特性曲线。当叶轮直径的切削量不超过5%时，认为泵的效率不变，泵性能参数变化同样有近似关系 （2-3）上式称切削定律。第三章 电动调节阀的工作原理及特性认识实验电动调节阀是本套装置的执行单元之一，执行单元是构成控制系统不可缺少的重要组成部分。任何一个最简单的控制系统也必须由检测环节、调节单元及执行单元组成。执行单元的作用就是根据调节器的输出，直接控制被控变量所对应的某些物理量，例如液位、温度、压力和流量等参数，从而实现对被控对象的控制目的。因此完全
10、可以说执行单元是用来代替人的操作的，是工业自动化的“手脚”。3.1 电动调节阀工作原理概述3.1.1 电动调节阀的工作原理：执行器按照使用能源的种类，可分为气动、液动和电动三种，本套装置采用的是智能型单座调节阀。顾名思义它是由电动执行器进行操作的，它接受调节器的输出电流420mA信号，并转换为相应的输出轴直线位移，去控制调节机构已实现自动调节。电动调节器的优点则是能源采用方便，信号传输速度快，传输距离远等。执行器有执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它可以按照调节器的输出信号量，产生相应的推力，以带动智能调节阀的主推动轴产生直线位移，主推动杆总位移为16mm，控制单座调节
11、阀0100%的开度连续变化。而调节机构（调节阀）是执行器的调节装置，它受执行机构的操纵，可以改变调节阀阀芯与阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的。本执行器的结构如图3-1-1所示，电动执行器首先接受来自调节器的输出信号，以作为执行器的输入信号即执行器的动作依据；该输入信号送入信号转换单元，转换信号制式后与反馈的执行机构位置信号进行比较，其差值作为执行机构的输入，以确定执行机构的作用方向和大小；执行机构的输出结果再控制调节器的动作，以实现对被控介质的调节作用；其中执行机构的输出通过位置发生器可以产生其反馈控制所需要的位置信号。图3-1-1 电动执行器的工作原理从上述描述和图3-1-1可
12、知，电动调节阀执行机构的动作构成了负反馈控制回路，这是提高执行器调节精度、保证执行器工作稳定的重要手段。为保证电动执行器输出与输入之间呈现严格的比例关系，必须采用比例负反馈构成闭环控制回路，下图3-1-2为本套装置的电动执行器的工作原理示意图：图3-1-2 电动执行器原理图其中Ii表示输入电流，表示输出轴转角，两者存在如下关系： （3-1）K是比例系数。上图3-1-2中伺服放大器由前置磁放大器、可控硅触发电路和可控硅交流开关组成，如下图所示：图3-1-3 伺服放大器原理图伺服放大器将输入信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其偏差经伺服放大器放大后，再控制执行机构中的伺服电机作正反转动；电动机的
13、高转速小力矩，经减速后变为低转速大力矩，然后进一步转变为直行程输出。位置发生器的作用是将执行机构的输出转变为对应的420mA反馈信号If，以便与输入信号Ii进行比较。3.2 调节阀的流量特性测试实验3.2.1 调节阀的流量特性曲线:调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系，即 （3-2）式中为相对流量，即某一开度流量与全开流量之比；/为相对行程，即某一开度行程与全行程之比。目前常用阀的理想流量特性分为：直线特性、对数（等百分比）特性、快开特性和抛物线特性四种曲线，如下图3-2-1所示：图3-2-1 调节阀的理想流量特性曲线在实际工业场合用的最多的是第一种线性调节阀，此种阀较易配合各种管路和流量传感器完成流量控制，本套装置也是采用线性调节阀。实际应用中，理想特性曲线较难得到，因为当将调节阀实际接入管道时，其特性会受多种因素的影响，如连接管道阻力、前后压差、多管路融合与分支等，所以很难得到理想流量特性描述的四种曲线，本套装置也不例外，但在大部分区域内调节阀依然保持线性工作状态。3.2.2 调节阀的流量特性测试1、实验目的： 掌握实验步骤及数据的测试方法。 通过实验测试数据验证电动调节阀的特性在大部分曲线范围内工作属于线性的。 分析为什么调节阀的流量特性曲线和理想特性曲线是有区别的。2、实验设施：化工自动化仪表实验平台、实验导线、计算机、MCGS组态软
