基于智能仪表和ADAM模块的过程控制实验对象设计.doc

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1、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 Z

2、HUO XinAbstract: This topic uses intelligent instrument and ADAM module as regulator, to 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 practic

3、e of the first and second order size of inertia subjects, including water tank, clip set 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 regu

4、lating executive control circuit choose install the regulator, electric heating silk and 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

5、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

6、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、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

7、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

8、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

9、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)ADA

10、M-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-402

11、1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 ADAM4000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

12、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

13、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

14、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、QSTP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

15、、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

16、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

17、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：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

18、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

19、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

20、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

21、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。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.

22、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

23、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

24、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： 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03

25、5KPa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。

26、(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

27、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。(4)QSL智能型电动执行机构功能：带断控制信号故障判断、报警及保护功能。即断信号时可使执行机构或开；或关；或保持；或在0100%之间预置的任意位置。及带阀门堵转故

28、障判断、报警及保护功能。(5)TP系列采用顶端导向，单座密封结构。与其它同类调节阀相比，具有结构简单、额定流量系数大，阀座泄漏量小等突出优点。另外，带有软密封结构的TP系列既有调节功能又有切断功能，是一种调节切断的调节阀，也可作切断阀用。主要技术参数：（一）执行机构(1)型号：QSL智能型直行程执行机构(2)输入信号：4-20mADC/4-12mA/12-20mA/0-5VDC/1-5VDC(3)输入阻抗：250/500K(40输出信号：4-20mADC(5)输出最大负载：650(6)断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0-100%间预置的任意值(7)电源：220V10%/50Hz(8

29、)推力规格：1KN、2KN、4KN、8KN、10KN、16KN、20KN、25KN(9)阀作用形式：任意设置正/反作用(10)防护等级：1P65(11)基本误差：1.0%(12)死区：0.5+5%(13)环境温度：-10+65（二）阀体(1)公称通径：20150mm(2)公称压力：PN1.6、4.0、6.4MPa(3)连接形式：法兰连接按JB79-94标准(40材料：WCB、WC6、1Cr18Ni9、CF8M(5)上阀盖：常温型：-17+220延长型：-5017+220+420(6)填料：聚四氟乙烯、四氟石棉、石墨阀内组件(7)阀内结构：上导向柱塞型单阀芯，金属密封、软密型(使用温度低于200

30、)(8)材料：1Cr18Ni9、1Cr13、316+N0.6(9)流量特性：线性、等百分比、快开(10)泄漏量：ABS1、B16、104，金属密封、1V、V级软密封VI级(11)基本误差：1.0%(12)死区：1.0%(13)可调范围：50:1 产品调试13：（一）限位开关的调整:(1)将执行机构输出轴走到所需行程的50%位置上。(2)同时按下“”和“”键5秒中，AT指示灯亮，且二位数码管显示“AT”。(3)脱开齿轮旋转反馈电位器，使后三位数码管显示“OK”即可。并使电位器齿轮与之相吻合。(4)按“”键确认即可。执行机构自动寻找行程零点和满度位置。当AT灯熄灭时，位置自整定结束。 (二)调节阀

31、的安装：(1)电动调节阀最好是正立垂直安装在水平管道上，特殊需要时也可（除使电动调节阀倒置外）任意安装。在阀的自重较大和有震动场合倾斜安装时应加支撑架。(2)安装时应使介质的流通方向与阀体标定箭头方向一致。电动调节阀一般应设置旁通管路。阀的口径与管道直径不一致时，应采用减缩管件。电动调节阀安装地点应留出足够的空间，以便利调试和维修。(3)电动调节阀在安装时应避免给阀带来附加压力，当调节阀安装在管道较长的地方时，应安装支撑架，使用在震动剧烈的场合，应采取相应的避震措施。(4)电动调节阀在安装前，应清洗管道，清楚污物，安装后使阀全开，再对管路、阀进行清洗及试验各连接处的密封性。(5)注意防潮，防止

32、灰尘加快阀杆与填料的磨损，引起填料处泄露。另外，如在露天场合，应加装保护罩，以放暴晒雨淋。(6)打开电动执行机构外罩可进行外部接线。在执行机构和阀开始工作之前，以及移开外壳之前应切断执行机构主电源。(7)将220V电源相线联接到“9”端；中线联接到“10”端；接地线联接到接地端。(8)为避免冷凝水进入执行机构，在环境温度变化大或湿度大的情况下，需要装加热电阻。(9)手轮操作：必须先断电源，再手动操作手轮。(10)在安装调节阀时，请不要直接采用电焊操作，以免损坏内部电子线路。调节阀使用时的注意事项：由于长时间的使用，调节阀的反馈信号可能会变的不太准，当发现这一点时，需要按照说明书上“产品调试”部

33、分的说明进行调整。4.4.2 流量传感器的选用和安装流量传感器的选择要点14：(1)精度：以电磁流量计为例，市场上通用型电磁流量计的性能有较大差别。精度高的仪表基本误差为（0.5-1）FS，精度低的仪表则为（1.5-2.5）FS，两者价格相差1-2倍。因此，测量精度要求不很高的场所（例如，非经济核算仅以控制为目的，只要求高可靠性和优良重复性的场所）选用高精度仪表在经济上是不合算的。(2)流速：选定仪表口径不一定与管径相同，应视流量而定。以电磁流量计为例，当流量计工作在满度量程时，流体流速可在1-10m/s范围内选用。范围是比较宽的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建议不超过5m/s，除非

34、衬里材料能承受液流冲刷，实际应用很少超过7m/s。满度流量的流速下限一般为1m/s。在新建工程运行初期流量偏低或在流速偏低的管系，从测量精度角度考虑仪表口径应小于管径。(3)测量范围：电磁流量计的测量范围是比较大的，通常不低于20L/min，带有量程自动切换功能的仪表可超过50-100L/min。另外，如果是选择电磁流量计，则被测液体必须是导电的。其他种类的流量传感器的选择也应考虑上述几个方面。根据以上所述以及实际情况需要在本设计中采用的是LWGY10涡轮流量传感器。流量传感器的安装方式为：传感器安装方式为法兰连接。与工艺管道连接的标准法兰螺孔位置跨中位置，螺栓可以顺利穿过，把传感器与工艺管道

35、联成一体。安装时必须保证传感器中心和管道中心的一致，并接好接地线，否则会引起测量误差。流量传感器安装位置的选择：(1)传感器的流向标志方向与管道内介质流动的方向应一致。(2)必须保证传感器测量管内始终充满被测介质。(3)传感器上游应有5倍D以上的直管道。传感器下游应有3倍D以上的直管道（可以从传感器的中心算起；D为测量管内径）。(4)当管道的口径与传感器不一致时，在传感器两端安装渐扩管或渐缩管，然后与管道连接。渐扩与渐缩管的圆锥角2应不大于15度。(5)传感器在水平安装时应取电极为水平位置，这样，一旦介质中含有气泡或则沉淀物质时，气泡不会吸附在电极附近，造成转换器输入端开路；沉淀物质也不会覆盖

36、电极，造成零漂等现象。(6)对液固两相介质，垂直安装比较有利，一则可以防止被测介质相分离，二则可以使传感器称里的磨损比较均匀。垂直安装时，介质流动方向应该自下而上，这样才能确保传感器测量管内始终充满介质。4.4.3 管道的选用本套设备可以进行流量单回路PID控制。本设计主要由流量传感器、智能仪表、智能电动调节阀和流水管道组成流量单回路闭环控制系统。实验主要设备：AI-808（XIC101），AI808H（FIT102）智能仪表，涡轮流量计（FE102）或者电磁流量传感器（FE102）、电磁流量转换器（FIT102）、ADAM4017、ADAM4021、ADAM4520、力控组态软件。其管道所选

37、用的是直径为12mm的铝塑管，其回路如图11：图11 流量管道仪表流程设计图4.5 水箱对象的设计4.5.1 水箱体的设计和安装结合相关设计规范标准，经济实用和安装要求我们选用透明有机玻璃板。共设计三个水箱。下水箱尺寸为30cm*30cm*40cm，容积为36L。上水箱尺寸20cm*20cm*40cm，容积为16L。下部两个水箱容积大于上水箱，便于设计上下水箱液位串级控制。实物如图13所示:图13 水箱实物图水箱体还应设置配管。进水管设置在水箱最高水位以上，做成非淹没式管口。进水管管径按流速018112m/s设计为最佳。出水管管径与进水管管径相同。出水管设置在箱底，但其管口最低点高于箱底不小于

38、50mm，以防止箱底沉积物进入管道。为了泄压，保证水箱体不超压破坏，保证安全，还应设计安装溢流管。溢流管管径按大于进水管12号为准，以保证排泄水箱最大入流量。溢流管从侧壁接出，距离箱顶1520mm。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。4.5.2 上下水箱液位传感器的选型及介绍将上下水箱液位信号反馈给调节器，需要液位信号测量装置，即液位或压力传感器。在工程实际中液位传感器选型最重要的就是要考虑其精度是否满足控制的要求。本次设计上下水箱选用了合肥科技研究所生产的HDBE投入式压力传感器来测量液位。完全可以满足液位设定为100400mm可调，稳态误差为10%的

39、控制要求。液位传感器采用工业用的扩散硅压力变送器，不锈纲隔膜片，按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。零点、量程正负迁移可调，操作方便，且互不影响。采用信号剥离技术，对传感温度漂移跟随补偿。可方便地与其它DDZ型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流值。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA,在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5度，因为是二线制，故工作时需要串接24V DC电源。液位变送器测试结果参考表2:表2 液位变送器测试结果参考表输入液位(mA)

40、 标称值（mA） 实测值（mA）误差值（mA）04.0004.007+0.00725 8.000 8.015 +0.01550 12.000 12.020 +0.02075 16.000 16.017 +0.017100 20.000 19.886 -0.004在实验中可运用到华光电器生产的HDB-E型压力变送器检测液位信号，该变送器能将0100cm的液位转化为420mA DC的电信号。(1)型号:HDB-E (2)量程:100cm 水位(3)性能:激励电压：24V DC(4)输出信号420mA/15V DC(5)滞后：0.5%(FS)(6)非线性：0.5%(FS)(7)输出范围：04KPa使

41、用方法:(1)将传感器安装在被测系统中，安装时应使受力方向通过传感器的中心线，以防实测中产生侧向力影响测量精度。(2)蓝、黑线为电源线(负级)；红、黄线为输出线（正级）；若需调零，在蓝、黑线之间加10K 多圈调零电位器中心抽头接白线。拉压荷重、压力变送器本身带有调零、调增益电位器，在变送器，在变送器上有标明。(3)通电预热10分钟，调整电位器，使输出为零。(4)加上欲测力进行测试。注意：(1)工作环境尽可能请洁，避免与较高的非工作热接触。(2)不得随意拧动传感器外壳或紧固螺钉。(3)传感器应定期进行静态标定，以保证使用精确度。(4)传感器的最大载荷力不应超过满量程的120。4.5.3 管道的选

42、用上下水箱在工业过程控制中应用非常广泛15。在上下水箱液位的控制中，管道中的水首先进入第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。为了保证控制精度，系统以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，构成串联双容水箱串级控制系统。下水箱的液位传感器检测的液位信号与给定液位值进行比较后送人主调节器，经PID运算后，其输出作为副调节器的给定值，与上水箱的液位传感器检测到的液位信号进行比较后送入副调节器

43、，经PID运算后其输出控制电动调节阀的开度，控制进水流量的大小，从而控制水箱的液位。实验主要设备：智能仪表（AI-808）、液位变送器（KY-B3804/3803）、涡轮流量传感器（LWGY-10）、调节阀（QSTP-16K）或者ADAM4017、ADAM4021、ADAM4520、力控组态软件、液位变送器（HDB-E）、调节阀（QSTP-16K）。其管道所选用的是直径为12mm的铝塑管，其回路如图14： 图14 管道仪表流程设计图结束语通过对压力、流量、液位、温度等控制对象的设计，进一步加深了对控制对象的理解。在设计的过程中分别解决了水泵与管道匹配的问题、传感器安装的问题。在本次设计中选用的

44、是流量为3m/h,扬程为12m型号为20CQ-12的磁力泵，为与管道匹配，水泵进口使用的是直径为20mm的铝塑材质管道、出口管道直径为12mm，在不大于最大压力情况下为使其达到预期压力，我们采用两回路冗余管道。将流量传感器安装在被测系统中，安装时应注意传感器与管道的同心性，以防实测中被测介质产生侧向力从而影响测量精度。参考文献1 高志宏.过程控制与自动化仪表M.浙江：浙江大学出版社,2006：1-102 吴勤勤.控制仪表及装置第二版M.北京：化学工业出版社,2002：10-153 龚运运,方立友.工业组态软件实用技术M.清华大学出版社.1998.03:3-44 北京三维力控科技有限公司.力控F

45、orceContro 6.0数据库与网络开发手册Z:56-575 上海万迅仪表有限公司.AI全通用人工智能调节器使用说明书Z:12-266 胡寿松.自动控制原理M北京：科学出版社,2002:256-2597 殷华文.过程控制实验指导书M.南阳理工学院.2010.10 :1-238 合肥安徽科学研究所.KY-B3804型压力变送器技术说明书Z:3-69 厦门宇电自动化科技有限公司AIJK3型三相移相/周波过零可控硅调功触发器使用说明书Z:2-410 董景新,赵长德,熊沈蜀,郭美凤.控制工程基础（第二版）M.清华大学出版社,2003:431-43711 于海生.计算机控制技术M.北京：机械工业出版社,2008：1-10012 陈有平，岳有军工业控制网络与现场总线技术M.北京：机械工业出版社，2006,2：15-1713 王树青，戴连奎，于玲.过