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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。2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，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1-1-1THPHG-1对象系统流程图31.1.2上位机工程实验项目如下：图1-1-2THPHG-1工程主菜单41.2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=66cm×35㎝×43㎝，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*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220V±10％/50Hz供电，整机容量1.5KW，如发生漏电现象，该断路器会自动跳闸，以切断进线电源。本套实验系统需进行接地，单相三芯插座中含有地线，可使设备机壳直接与大地相连，接地后漏电压不大于AC3V。1.2.3.2交流电压表、电源指示灯：当装置电源插座接入单相电网时，把单相空气开关合上，电源指示灯显示现在设备有无接入电网，交流电压表显示接入电网的电压值大小，一般电网电压浮动不超过标准电压的十个百分点，仪表均能正常工作。1.2.3.3二位旋钮开关：在控制箱中有两个二位旋钮开关位于电压表下面，它们分别控制着离心泵和单相调压器的电源。向左即为关，向右即为开，它为双触点常闭式结构。1.2.3.4直流24V电压输出：在控制箱内部有标准直流24V开关电源模块，规格为：AC220V±10％/50Hz输入，DC24V/2A输出，本套装置总计使用直流24V电源的额定电流不超过1A。面板中的数显表用于显示当前开关5电源输出电压值的大小，右侧有两个端子用于输出直流24V电压，以供其它外部设备使用，但总容量不得超过1A。图1-2-1仪表控制箱面板图1.2.3.5无纸记录仪：本无纸记录仪表可以对现场变送器输出的变量电压值和阻值进行实时曲线和历史曲线的记录，当记录间隔为1S时，可连续记录36H的数据，当记录间隔为4min时可记录360天的数据。它拥有128*64点阵式液晶显示屏、三通道万能输入和RS485通讯功能，是一款功能强大的无纸记6录仪表。1.2.3.6智能调节仪：本套装置配备两只智能调节仪，可同时控制两个执行器作用于不同的对象系统，每套仪表均带有三种输入规格、一路4～20mA电流信号输出、测量/输出分屏显示、模糊PID算法控制及RS485通讯功能，是工业中最常见的仪表之一。1.2.3.7流量积算仪：与智能仪表不同的是流量积算仪不仅可以采集模拟量信号，而且可以将流量信号进行时间轴上的累积，并可进行相应的流量批量控制实验，这些都是工业现场常用的功能，此外流量积算仪还具有RS485通讯功能。1.2.3.8各种传感器、变送器和控制信号接口：本套对象系统共配置10件检测装置，它们接口按输出信号的不同，分类排列在面板上，以供仪表引用。两套执行器的输入信号，位于检测信号的下面，它们主要由仪表控制输出连接用。另外还有一路开关量控制离心泵自动运转开关，为仪表控制箱流量积算仪最下面位置的两排强电接线柱，由流量积算仪作批量控制时自动控制泵的开启。1.2.4检测装置：1.2.4.1扩散硅液位变送器：传感器为扩散硅压阻材料，用于测量由水箱液位高度而产生的压力，为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度0.5级，是常见普通型传感器、变送器一体式结构的压力检测装置。1.2.4.2电容式液位变送器：传感器为电容式检测机构，用于测量由水箱液位高度而产生的压力，为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度0.25级，是高精度型传感器、变送器一体式结构的压力检测装置。1.2.4.3差压液位变送器：传感器为扩散硅压阻材料，用于测量由水箱液位高度而产生的压力，它的一端通有大气，是一种表压检测机构的传感器，为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度0.5级，是常见普通型传感器、变送器一体式结构的压力检测装置。1.2.4.4涡轮流量计：传感器为涡轮结构，是一种速度式检测仪表，本套装置中用于检测水流量大小，在小流量时拥有很高的精度，变送器为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度1.0级，是高精度型传感器、变送器一体式结构的流量检测装置。1.2.4.5电磁流量计：传感器为电磁法兰结构，利用法拉第电磁感应原理对导电介质水进行测量，变送器为交流220V供电、4～20mA变送输出、精度0.5级，是高精度型传感器、变送器一体式结构的流量检测装置。1.2.4.6孔板流量计：采用标准孔板环式，孔径比及相关详细参数见节流装置技术资料。孔板两侧所产生的压力差由差压变送器进行测量。1.2.4.7电容式差压变送器：7传感器为电容式检测机构，用于检测由于孔板节流而产生的压力差，为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度0.5级，1.2.4.8管道静压变送器：传感器为扩散硅压阻材料，用于测量电动调节阀前端管道压力的变化情况，为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度0.5级，是常见普通型传感器、变送器一体式结构的压力检测装置。1.2.4.9PT100铂电阻温度传感器：本套装置中共有两只PT100铂电阻温度传感器，一只安装在孔板节流装置的下游管道中，用以检测流过节流装置的介质水的温度；另一只安装在复合加热水箱的顶盖上，用以检测加热系统介质水的温度。1.2.4.10Cu50铜电阻温度传感器：铜电阻温度传感器也安装在复合加热水箱的顶盖上，与安装在同样位置的PT100温度传感器进行对比实验用。1.2.5执行器：1.2.5.1电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。它具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为DC4～20mA，使用和校正非常方便。1.2.5.2单相调压模块：单相调压模块安装在控制箱内部，它为单相交流220V输入，输出为单相交流220V平滑可调，控制信号为DC4～20mA，利用智能调节仪的输出信号可控制调压模块的输出电压，从而使加热介质水的温度最终稳定在某一数值，实现温度的自动控制。1.2.6水路动力系统：本套系统的水路动力系统为离心泵，它的性能好坏影响到整套装置信号检测的优良，本套装置采用的离心泵在各方面的指标都达到了进行高精度实验的要求，提供了稳定的水流、合理的流量和适度的扬程等其它性能指标。1.2.7接线箱：本套装置设置了接线箱，为学生提供了开放式实训平台,通过自己动手，实际演练，锻炼了自我的动手能力和现场操作能力。81.3实验系统软件介绍本套系统采用了北京昆仑通态的正版组态软件MCGS对现场二次仪表进行实时监控，控制箱中的四块仪表均带有RS485通讯功能，通过组态软件可与计算机建立通讯关系，完成计算机监控相关实验内容。1.3.1MCGS组态软件简介：MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/XP等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、