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1、S-100实训装置实验监控系统设计DESIGN OF S-100 TRATINING DEVEICE EXPERIMENT MONITORING SYSTEM专 业：测控技术与仪器摘 要S-100实训装置是以工业过程控制为设计蓝本；以PLC为核心的实验装置。通过该装置，学生可以进行传感、检测、控制系统的实验，提高学生的动手能力，分析、解决问题的能力。通过设计S-100实训装置实验监控系统，学生在实验过程中，能够了解系统的实时信息，掌握工业控制的基本流程和控制方法，对培养学生的工程认知和实践能力具有重要意义。本课题通过设计S-100实训装置实验监控系统，了解PLC构成的控制系统；训练S7-200
2、PLC模块与其他装置的电气接线；学会利用组态王开发软件开发设计监控系统的人机界面；学会用上位机软件监视PLC运行状况；学会用上位机监控软件进行系统投运；学会用上位机监控软件进行PID控制，学会基于组态王与PLC监视控制的运行操作方法设计开发的内容包括：登陆界面，趋势曲线界面，报表界面等。对开发的实验监控系统进行实际调试，结果表明，实验监控系统与PLC通信成功，进入View运行模式下PLC正常运行，能够对实验进行管理，能够进行系统投运实验，能够进行PID控制系统实验，实现了开发要求的相应功能。关键词：S-100实训装置；实验监控系统；组态王；PID；PLCAbstractKey words: 第
3、一章 绪论第一节 引言S-100实训装置是以工业过程控制为设计蓝本；系统包含了PLC控制系统、储/实训水箱、水管管件、监测系统、执行器系统等模块。利用各种工业检测装置及执行器实现对水温、液位、流量、压力四大热工参数的监控实训。S-100实训装置在具备PLC编程、安全配线、组态、电器调节、管路搭建、变频调速、可控硅调压控制的同时，重点突出流体过程控制传感器的配线、信号转换、变送、采集、PID控制、组态控制的主要实训功能。S-100实训装置涵盖了扩散硅压力变送器、超声波非接触式液位变送器、涡轮式流量传感器、PT100温度变送器、磁浮球液位开关等常用传感器，覆盖开关量、模拟量、脉冲等三种信号类别。除
4、此之外系统还扩展安全配线、多钟实训模拟式切换功能1。本课题利用S-100实训装置，可以分别对液位、压力等参数设计检测和控制实验。检测变送器将被控量转换为420 mA信号，通过PLC 模拟量输入通道A /D 转换为数字量，PLC 控制程序对输入信号采样、滤波，与设定值比较后进行PID 运算输出操作量，经D /A转换为4 20 mA 信号给变频器( 液位、压力、流量控制、 温度控制)。目前我国引进的组态软件有：美国的FIX32、Ifix,德国的WinCC等。国产的组态软件有组态王、开物、世纪星、力控、FameView、MCGS等，其中亚控公司开发的组态王是一个非常优秀的软件。它提供了一个良好开发环
5、境，如：提供许多绘图元素、控件、报表格式、方式等，使开发人员不必把精力集中在绘制人机界面上，而专心考虑如何实现系统的功能，使开发工作变得轻松容易、简单、高效。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件面板构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据
6、链接功能2。本课题用组态王开发软件开发设计S-100实训装置的实验监控软件，通过RS-232 /RS-485 和下位机PLC串口通信，用STEP7-MicroWin 编程软件对下位机PLC进行编程，达到对液位/流量等参数的检测与控制等目的。第二节 监控系统的现状目前有大量的关于下位PLC+上位PC机的自动化系统研究成果。赵航3利用组态王与PLC，设计水位监控系统。本实验系统的主要内容是对一个单容水箱的液位进行控制。利用水箱、阀门、管道、水泵、CY30011A型水位传感器、PLC控制器、RS232通讯接口和上位机，构建单容水箱液位控制系统。根据监控对象的特性，开发PID调节器。要求能实时检测水箱
7、液位的高度，并与设定值做比较，由PLC控制水泵的转动进行液位的调整，最终达到液位的设定值。在“组态王”中组态，实现报警、实时趋势、历史趋势、参数修改、手自动切换等功能。李奎4利用组态王软件实现组态应用教学、三菱PLC 的远程监控系统，构建了虚拟监控系统网络,实现了单套实训设备的监控管理功能，设计了基于FX2N-128MR PLC 和组态王软件的溶液混合设备虚拟控制系统，通过IE 浏览器实现了远程监控的功能,减少了设备硬件损耗。赵丹丹5研究的工业以太网温控系统以西门子S7-200P LC 作为控制器实现PID 控制, 并利用以太网通讯模块CP243 一l 通过工业以太网实现与上位机之间的通讯,
8、实现了对该大滞后、强非线性系统温度的有效自动控制。张静之6等研究基于组态技术的教学实验开发是以具体的控制对象，利用组态软件具有的数据采集、数据处理、数据存储、系统故障或事故报警、现场动态图形等功能，真实地反映现场生产过程或实时状态，以计算机信息图形界面为人机交互界面，采用PLC 进行控制。目前，随着自动控制技术的应用领域迅速扩张、自动控制技术应用型人才的匮乏，包括职业院校在内的各类学校开设了可编程序控制器控制技术课程。但难以解决的关键问题是PLC 的控制对象模拟。PLC 的控制对象可以是实物模型，但它存在成本高、难维护、种类少等不足之处。但如果将PLC 的控制对象在计算机上应用组态软件全真模拟
9、， 那么可以弥补上述不足， 还可以采用动画的形式直观地演示PLC 控制对象的工作过程。组态软件的电脑仿真模拟大大降低教学成本，免去了频繁的维护，丰富了被控对象的种类，加速了组态技术的推广，迎合了现代控制技术对信息化人才的需求。任俊杰7以S7200PLC 为控制器，小型电热锅炉为被控对象，构成了过程控制实验系统，上位机采用组态王设计人机画面，实现对过程的监控并提供过程控制实验面板。锅炉的液位、出水温度、进水压力、流量通过测量变送接至PLC 的模拟量输入，经数据处理和相应的控制运算，结果由模拟量输出给执行器，执行器为变频器和可控硅。描述了系统的组成、控制功能以及监控功能的实现。该装置充分模拟工业控
10、制现场，可以方便地组合成多种过程控制实验，人机界面友好，操作简单，将过程控制领域的理论知识与工程实践得到很好的结合，加强了对学生工程应用能力的培养。借鉴以上成功经验，设计以组态王作为上位机开发组态软件开发S-100实训装置的实验监控系统，通过上位机的操作能对下位机的参数（液位/流量等）进行监控。第三节 本课题的设计内容及要求本课题针对S-100实训装置设计实验监控系统。了解S-100实训装置的构成和原理；认识S-100实训装置的硬件组成；了解S-100实训装置的配置，了解S-100装置配置的检测机构、控制机构和执行机构。确定检测点和控制点；设计S-100实训装的监控系统总体框架。设计基于S-1
11、00实训装置的实验总体方案；设计各实验内容和系统构成图。学习S7-200西门子可编程控制器原理，进行PLC控制系统设计。通过了解西门子S7-200PLC CPU226 CN和模拟量输入模块EM231，并进行硬件接口设计，画出CPU226 CN和EM231的硬件接线图；了解CPU组态并对各输入模块进行编址；学习子程序的，系统组态，参数的检测与传送程序设计等 。利用组态王开发面板进行实验监控软件开发，包括上位机流程主界面，实时参数设置与显示、报警，历史趋势曲线查询等；上位机与PLC联机，在S-100实训装置上进行程序调试第二章 S-100实训装置实验监控系统总体方案第一节 S-100实训装置及控制
12、流程图一、S-100实训装置的工作流程S-100实训装置实物如图2-1所示，根据图2-1所示，可以看出S-100实训装置是由上/下位水箱，磁力泵，电磁阀，电动调节阀，PLC控制装置，传感器检测装置，管件等组成。它的工作过程是：先在下位水箱中加入水，通过磁力泵，将水抽入上位水箱中，而在水从下位水箱抽入上位水箱的过程中，有两管道条通路，一条是电动调节阀控制的管道，一条是手动阀门控制的管道（防止电动调节阀出现故障），水从上位水箱回流到下位水箱有两条管道，都是手动阀控制，还有两条是溢流管道，防止上位水箱中的液位过高溢出水箱，一条是电磁阀控制，一条是手动阀控制（防止电磁阀出现故障）。图2-1 S-100
13、实训装置整体实物图二、S-100实训装置的检测和执行机构配备1.下位水箱S-100实训装置的下位水箱中配备有加热装置和温度变送器（PT100）。加热装置如图2-2a所示，加热管采用可控硅调压（工作电压AC220V、功率1000W、调压控制输入010V）；通过调压模块改变加热装置的频率从而对下位水箱中的水进行加热，使水温发生变化，改变下位水箱中水的温度；温度变送装置如图2-2 b所示，敏感元件采用PT100热电阻，带数显仪表，量程0100C，精度1级，温度变送器将采集的信号转换成420mA的电信号，送到PLC中，从而将检测到的下位水箱中水的温度显示在上位机中。下位水箱中还配备浮球开关如图2-2c
14、所示，当下位水箱中水位过低时，可以将信号送入PLC中，由PLC控制变频器，再通过变频器控制磁力泵可以关闭磁力泵，对装置进行保护。 a b c图2-2 下位水箱中的器件2.连接管路在磁力泵将水抽入上位水箱的连接管道上装有扩散硅压力变送器、涡轮式流量传感器、磁力泵、电动调节阀和手动调节阀等。扩散硅压力变送器如图2-3a所示，量程0-1bar，精度0.5级，扩散硅压力变送器，可以测量供水管路中的压力，将压力信号转换成420mA的电信号送到PLC中。涡轮式流量计传感器如图2-3b所示，量程3.838LPM、精度0.5级、脉冲输出，流量传感器将采集的信号转换成脉冲信号，送到PLC中。磁力泵如图2-3c所
15、示，磁力泵采用变频调速，功率0.37KW、排量20LPM，通过磁力泵，将下位水箱中的水送入上位水箱中，是整套系统中重要的执行机构。电动调节阀如图2-3d所示，1/2内螺纹，工作电压24VDC/AC，控制输入010V、开度范围090，通过PLC控制电动调节阀的开度，可以对压力、流量液位等参数进行控制。 a b c d手动调节阀，手动调节阀的作用是起到一种保护作用，当电动调节阀出现故障时，可以调节手动调节阀。图2-3 供水管路上的器件3.上位水箱在上位水箱内，装有超声波非接触式液位变送器，保护装置的浮球液位开关，和电磁阀。超声波非接触式液位传感器如图2-4a所示，量程501200mm、精度1级，液
16、位变送器将采集来的液位信号转换成420mA的电信号，将电信号送入PLC中。 a b浮球液位开关如图2-2c中所示，在这里浮球液位开关是对上位水箱上限进行限定的，当上位水箱中的水位过高时，将信号送入PLC中由PLC控制溢流管道上的电磁阀，打开电磁阀，使水回流到下位水箱中。图2-4 上位水箱上的器件由上述可知，S-100实训装置配置了扩散硅压力变送器进行压力变送、超声波非接触式液位变送器进行变送、涡轮式流量传感器进行流量变送、PT100温度变送器进行变送、磁浮球液位开关对系统进行保护等常用传感器，包括离散开关量、模拟数值量、脉冲信号三种信号等。三、S-100实训装置的控制系统配置S-100实训装置
17、配置了以德国西门子S7-200 CUP226 CNCPU为核心的PLC控制系统。除S7-200 CUP226 CN CPU模块自带的数字量输入输出通道外，还配备了模拟量扩展模块：一块模拟输入模块EM231 CN 6ES7 201-0H022-0XA0，用于接收各个变送器送来的压力信号、液位信号、流量信号、温度信号等。两块扩展模拟输出模块：EM232 CN 6ES7 232-0HB22-0XA0。用以控制磁力泵、变频器、电动调节阀等。S-100实训装置还配有调压模块和变频器，调压模块，可以改变加热棒的频率，变频器可以改变磁力泵的频率；此外，S-100实训装置还配备了一台上位机，利用计算机对系统进
18、行监控，进行压力控制系统实验，液位控制系统实验，流量控制系统实验，液位控制系统实验等。本课题将利用以上配备，研究如何在S-100实训装置上进行各种控制系统实验，包括压力控制系统实验，液位控制系统实验，流量控制系统实验，液位控制系统实验等。四、S-100实训装置控制流程图S-100S实训装置控制流程图如图2-5所示，该控制流程图是在了解S-100实训装置及确定检测点、控制点之后绘制出来的，上文中已经简单交代了控制系统的工作流程，下面将具体介绍S-100实训装置控制流程图的表示方法。在图2-5中管道部分用加粗的黑色箭头表示，水流的方向及箭头的指向。相应的检测点用仪表圆圈表示。对主要执行机构加以注释
19、：手动调节阀，电磁阀，电动球阀，磁力泵，加热棒等。仪表位号由字母代号和阿拉伯数字编号两部分组成。仪表位号按不同的被测量进行分类，即在同一装置或工段内相同的被测变量的仪表位号中数字编号应是连续的（有时也可中间有空号），不同被测量的仪表位号不能按连续编号编在一起。仪表位号在工艺管道及控制流程图和仪表系统图中的标注方法是：字母代号填在圆圈上半圆中，数字编号填在圆圈下半圆中（如图2-6）。在仪表位号的编制中，还需注意如下问题：1在绘制仪表位号时一般按顺序编制编号，而不用相同位号加尾缀的方法。2有两个以上具有相同功能的仪表在同一个仪表回路中，可用仪表位号后附加尾缀（大写英文字母）的方法加以区别。3每台仪
20、表有两个或两个以上回路共用时，应标注各回路的仪表位号。4位号的第一个字母代号只能按被测变量来选用，而不能依仪表本身的结构或被控变量来选用。在图2-5中，主要的检测点均为仪表圆圈，对应的位置也如图所标注，其中将举例对仪表圆圈表示。如图2-7所示为供水管道中的压力，表示方法为：圈内上半部分P表示为压力测量量；I表示该点上位机的监控中有指示，C表示该点是可以控制的，仪表的编号为圆圈的下半部分，根据上述文献设计仪表编号，由于系统由同一台设备S-100实训装置组成，所以仪表的统用编号都为1，被测量：1压力2温度3液位4流量，所以选择1，按从上到下的顺序设计仪表编号，编号为1。同理设计出流量仪表圆圈，液位
21、仪表圆圈，温度一边圆圈等其他仪表圆圈。在这里做简单介绍。温度变送器为PT100热电阻式传感器，编号121，自身带数显仪表，无报警用TIC表示；液位变送器为超声波非接触式传感器，编号131，无显示，无报警，用L表示，磁浮球式液位开关有两个分别是132和133，无显示，有报警用LA表示，其中132为上限报警H，133为下限报警L。电磁阀M、加热棒电动球阀TIC121LA133LMPIC111FIC141储水箱LIC131LA132H蓄水箱图2-5 控制流程图编号含义：XXX检测点序号被测变量：1压力2温度3液位4流量设备编号图2-6 编制仪表符号PIC111图2-7 供水管道中的压力仪表圆圈第二节
22、 S-100实训装置PLC系统S7-200 是属于小型化的可编程控制器，适用于I/O点数小于256点以下的场合，在各行各业，满足需求的场合得到广泛应用，用以实现检测、监测及控制的自动化。一、S7-200 CUP226 CN CPUS7-200CPU226CN如图2-8所示。S7-200系列既可以独立运行，又可以与其它控制器（如S7-300PLC、S7-400PLC等）和终端设备相连，组成网络，以实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有可靠的性能和便宜的价格。图2-8西门子S7-200CPU226订货号为6ES7 216-2AD22-0XB0的S7-200 CPU226 CN技术参数如下：（1
23、）数字量I/O端口：具有24点输入和16点输出，共40个数字量I/O点；（2）扩展能力：从模块数限制方面最大可以连接7个扩展模块；从I/O点数最大可扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O口；（3）存储能力：S7-200 CPU226CN的存储空间包括程序存储空间和数据存储区空间，共有13KB；（4）T/C的配置：S7-200 CPU226CN配备了256个计数器和256个定时器另外还拥有6个独立的高速计数器，其频率高达30kHz，拥有2路独立的高速脉冲输出，频率高达20kHz；（5）通信能力：S7-200 CPU226CN具有2个RS485总线通信/编程口；S7-200 PLC226
24、具有两种通讯协议，它们分别是多点接口MPI（Multi Point Interface）通信协议，点对点接口PPI（Point to Point Interface）通信协议；此外S7-200PLC226CN还具有自由的通信口；（6）PID控制器：S7-200 CPU226CN模块还配备了PID控制器，便于应用在过程控制领域。另外S7-200 CPU226CN的I/O端子排不是固定不动的是可以进行整体拆卸。二、EM231 CN 6ES7 201-0H022-0XA0PLC的模拟量是通过扩展模块引入的，通过学习S-100的电气接线图可知，PLC的数字I/O点数充足，但压力变送器、温度变送器和液位
25、变送器的输出信号为420mA的电流信号，因此需要扩展模拟量单元模块。根据系统要求，S-100装置配置了1个EM231就能满足需要，如图2-9所示。EM231 CN 6ES7 201-0H022-0XA0模拟量扩展输入模块的技术参数如下：（1）模拟量输入端口：模拟量扩展单元模块EM231 CN 6ES7 201，具有4路12位模拟量输入（AI）模板；（2）输入范围：模拟量扩展单元模块EM231 CN 6ES7 201的差分输入范围是：电压：010V，05V，2.5V,5V；电流：020mA；转换时间250S；（3）数据字格式：模拟量扩展单元模块EM231 CN 6ES7 201的数字格式为-32
26、000-+32000，对应电压-2.5V+2.5V或-5V+5V。数字格式0-+32000对应电流为020mA，由于变送器传送的电流范围为420mA，所以采集的数字范围为640032000。（4）输入上限：模拟量扩展单元模块EM231 CN 6ES7 201的最大输入电压为30VDC，最大输入电流为32mA。图2-9 模拟量扩展模块EM231三、模拟输出模块EM232 6ES 7 232-0HB22-0XA8PLC的输出有扩展输出模块来完成，S-100实训装置配备了两个ME232模块作为输出模块，通过这两个模块对调压模块、变频器和电磁阀进行控制。模拟输出模块EM232 6ES 7 232-0H
27、B22-0XA8的技术参数如下：（1）模拟量输出端口：模拟量扩展单元模块EM232具有2路12位模拟量输出（AQ）；（2）模拟量输出范围：模拟量扩展单元模块EM232电压正负10V，电流0-20mA；（3）数据字格式：模拟量扩展单元模块EM232的数字格式为-32000-+32000，对应电压-10V+10V。数字格式0-+32000对应电流为020mA，由于变送器传送的电流范围为420mA，所以数字范围为640032000。（4）分辨率：模拟量扩展单元模块EM232的分辨率电压为12位，电流11位。图2-10 模拟量扩展模块EM323第三节 S-100实训装置测量与执行系统一、温度变送器S-
28、100实训装置中测量储水箱温度的测量装置是采用广州森纳士仪器有限公司开发生产的、型号为ST-WZ1PB206S的Pt100一体化温度变送器。此变送器是一种热电阻式、带数显仪表的仪器，它的量程为0100，精度为1级，输出模拟量420mA电流信号，供电电压为直流24V，连接方式为两线制。为了减少导线电阻对测温点的影响，在使用时，热电阻一般采用三线制的连接方式，如图2-11所示。Rt为测温热电阻，它的一端与一根导线相连，另一端与另外两根导线相连，这两根导线与连接Rt的导线长短、粗细以及材质都是一样的，即阻值均为r。其中一根导线与电桥的电源串联在一起，另外两根则分别与电桥的相邻两臂串联，使得相邻两臂的
29、阻值都增加了r。当电桥平衡时： （2-1）设计电桥时可以使R1=R2，这样就减少了由于环境温度变化使连接导线电阻变化给测量带来的影响。rrrRtR3R2R1ba图2-11 三线制接法二、液位变送器S-100实训装置中测量蓄水箱液位的测量装置是型号为LU05-5001的超声波非接触式液位变送器。此变送器的量程为501200mm，精度为1级，输出模拟量420mA电流信号，供电电压为直流24V，连接方式为四线制。超声波变送器是利用压电效应的原理，所谓压电效应就是在压电陶瓷上加电压就会产生机械应变，这种效应称为压电逆效应；相反，在压电陶瓷上施加机械应力就会产生电荷，这种效应称为压电顺效应。图2-12为
30、超声波产生的机理图（超声波传感器的核心部分）。它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波，接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。超声波双晶振子金属板圆锥形振子图2-12 超声波变送器的构成超声波液位变送器的工作原理是由换能器（探头）发出高频超声波脉冲，遇到蓄水箱中液体的表面被反射回来，部分反射回波被此换能器接收并转换成电信
31、号。超声波脉冲以声波速度传播，并由在空中的传播时间t来计算超声波液位传感器与蓄水箱液面之间的距离s，由于声波在空中的传播速度c是一定的，则根据：s=ct / 2可计算出s，又因为超声变送器与蓄水箱底部的距离H是一定的，则蓄水箱中液体的高度为h=H-s。三、压力变送器S-100实训装置中测量管路压力的测量装置是型号为511.911003141的扩散硅压力变送器。此变送器的量程为01bar，精度为0.5级，输出模拟量420mA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2-13所示，被测压力通过隔离膜片、密封硅油传输到扩散硅膜片
32、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。隔离膜片硅油被测压力硅膜片参考端压力应变电阻图2-13 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420mA直流信号输出。四、变频器S-100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MM4
33、20），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S-100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
34、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S-100实训装置控制系统中应用的功率调整器型号为HANYOUNG（韩荣）TPR-2N-25A/35A。功率调整模块接收来自S7-200PLC CPU226模拟量输出扩展模块EM232的420mA控制电流信号，功率调整模块输出0220V的电压，控制加热管对下位水箱
35、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S-100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1.22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；5ANSI等级4，泄漏特性为0.01%CV；64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0.38到71.12。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。S-100实训装置控制系统，在组
36、态监控界面输入电动阀开度的控制信号，并将其传送给S7-200PLC 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S-100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2-14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。S7-200 PLC接收S-100现场设备采集的信号，如下位水箱的温度，供水管路的
37、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S-100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。
38、 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MPLC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图2-14 监控系统构架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S-100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：1.电气接线方法训练。通过学习由S7-200构成的控制系统，可了解P
39、LC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。2.控制系统组成训练。通过S-100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。3.系统投运训练：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
40、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4.控制器参数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1.电气接线的训练首先学习S7-200PLC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S-100实训装置上的实
41、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S-100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，S-100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。2.控制系统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
42、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。3.系统投运的训练通过S-100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S-100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
43、的电动调节阀，使系统达到动态平衡，再切换到自动投运。4.PID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、S-100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S-100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
44、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，S-100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。1.主机模块与外部设备的接线S-100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Q0.0分别是PLC24V供电的正极和负极，为保护实验设备，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，Q0.1为溢流电磁阀，Q0.2为运行指
45、示灯，用绿色灯表示，在接线面板对应为HI1，Q0.3为停止指示灯，用红色灯表示，在接线面板对应为HI2，此外，S-100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， I0.0接供水量，对应接线面板为S05，I0.1接下位水箱的浮球开关，接线面板对应S01，I0.2接上位水箱的浮球开关，接线面板对应为S02，I1.4接启动按钮，对应接线面板为常开按钮SB1，I1.5接停止按钮，对应接线面板为SB2。 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 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 1M 0.0 0.1 02 1.4 2M 1.5I CPU226 CN 6ES7 216-2AD22 -0XB0溢流电磁阀24VDC-+停止按钮启动按钮图3-1 S7-200PLC CPU226接线2.模拟输出模块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
