2022年2022年过程控制仪表压力控制系统 .pdf

中南大学过程控制仪表课程设计报告设计题目压力控制系统指导老师王 莉吴同茂设 计 者88 888专业班级自动化设计日期 2010年 6月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 28 页 - - - - - - - - - 目录第一章过程控制仪表课程设计的目的意义. 1 1.1 设计目的 .1 1.2课程在教学计划中的地位和作用. 2 第二章流量控制系统 （实验部分）. 3 2.1 控制系统工艺流程 .3 2.2 控制系统的控制要求 .5 2.3 系统的实验调试 . 7第三章压力控制系统工艺流程及控制要求. 9 3.1 控制系统工艺流程. 9 3.2 设计内容及要求 . 10 第四章总体设计方案. 11 4.1 设计思想 . 12 4.2 总体设计流程图.13 第五章硬件设计. 14 5.1 硬件设计概要 .14 5.2 硬件选型 . 155.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 . 16 第六章软件设计. 17 6.1 软件设计流程图及其说明 . 17 6.2 源程序及其说明 . 18 第七章系统调试及使用说明. 20 第八章收获、体会. 21 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 28 页 - - - - - - - - - 参考文献. 22 第一章过程控制仪表课程设计的目的意义1.1 设计目的本课程设计是为过程控制仪表 课程而开设的综合实践教学环节， 是对 现代检测技术、 自动控制理论、 过程控制仪表、 计算机控制技术等前期课堂学习内容的综合应用。 其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力， 使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，通过课程设计，使学生对前续课程所学过的专业基础知识与专业知识进行综合运用和实践。掌握过程控制系统的设计方法， 熟悉各种仪表的选型， 学会对控制系统进行参数整定以及控制规律选择的方法。本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、 变送器的功能、测控通道技术、 执行器和调节阀的功能、 过程控制仪表的 PID 控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。1.2 课程在教学计划中的地位和作用课程设计是培养学生独立思考、 开拓创新及分析综合性问题的能力的重要途径。 本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。它是一门培养学生具有一定的过程控制系统设计能力的主要专业课之一，工程性、实用性很强， 除了在教学内容中充分反映这一特点外，十分需要实验内容的配合。因此，实验课是该课程中重要的教学环节，通过实验，使学生加深课堂教学内容的理解， 了解集散控制系统基本操作， 初步掌握集散控制系统的组态操名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 28 页 - - - - - - - - - 作、监视设计，培养学生进行集散控制系统工程设计的初步能力。课堂教学的目的是为了把知识传授给学生，而课程设计则是学生利用已掌握的知识解决实际问题， 同时也把学生对知识的掌握程度反馈给老师，二者密不可分。过程控制仪表课程设计是本学期教学内容的重点，是不可缺少的重要环节。这是在我们之前所做过的实验基础上进行的一次综合性实验。本次课程设计的目的主要是培养我们设计控制整个系统的能力。是对几门课程所学知识的综合应用，主要包括过程控制仪表、 自动控制原理、 微型计算机控制技术及现代检测技术。同时由于本次实验任务比较重，需要每组成员之间进行分析、讨论，分工合作，通过几位同学共同努力完成一项任务，培养了我们团队合作的精神。第二章流量控制系统 （实验部分）2.1 控制系统工艺流程本实验中由于流量控制系统和温度控制系统是在同一台试验装置上。流量控制系统的被控对象可以选择内容器或者外容器流量，操作变量则可以选在进内容器调节阀或者外容器调节阀控制容器进水流量。2.1.1 流量单闭环控制系统当被控变量为内容器流量， 操作变量为内容器电子调节阀VL1的阀位开度输出时，其带控制点的工艺流程图如下图2.1所示：SSR 电 加 热器 电 加电加热器MMFC1 FT1 Q1 VL1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 28 页 - - - - - - - - - 图2.1 内容器单闭环流量控制系统工艺流程图 2.1.2 流量比值控制系统本装置有两个可控制的水流量，一路进夹套，一路进内容器。一般可以从中任意选择一路流量作为主动量，另一路作为从动量， 以此组成单闭环比值控制系统或双闭环比值控制系统，下图示例以进内容器水流量Q1为主动量，进外容器水流量 Q2作为从动量的双闭环比值控制系统，其带控制点的工艺流程图如图2.2所示：图 2.2 双闭环流量比值控制系统工艺流程图2.2 控制系统的控制要求本课程设计涉及过程控制仪表和装置系统的原理和组成、过程输入输出通道技术、数字控制器的设计及参数整定方法、复杂控制规律的控制策略、 测控系统的设计与实现、 网络集成式分散控制系统， 培养学生认识现代测控技术，运用现代控制技术设计和实现一个分散控制系统：1分散控制系统的基本结构；2. 检查集散控制系统工作状态，并利用操作员站的实时监控系统对实验室的小型控制系统进行实时监控、在线修改控制参数等。SSR 电 加 热器 电 加电加热器FC1 FT1 Q1 FT2 FC2 * K 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 28 页 - - - - - - - - - 3PID控制器的设计及参数整定；改进PID控制器；4测控系统的分析、设计方法与实现方法。基本内容为过程控制仪表和装置的相关概念，应用等, 过程控制仪表和装置的组成、原理及其数字控制器的设计方法，控制对象特性分析、方案设计、硬件选择、安装调试，集散控制系统硬件平台、软件平台及测控系统的设计实现方法；重点难点为数字控制器的设计及参数整定，集散控制系统的组态设计； 熟悉一典型工业生产过程， 分析工艺原理， 提出控制要求，设计控制系统总体方案，并在实验室以一典型工艺参数为例对控制对象特性进行测试，然后设计相应的流量控制系统。由于条件有限这次实验主要在实验室学习基本原理和数字调节器的使用，具体要求如下：1）设定系统的一级、二级参数。2）设置给定量，3）通过整定 PID参数调节控制系统的控制性能，4）实现最优控制：较小的超调、较小的调节时间、较快的响应速度。5）能够实现比例控制，6）达到二级系统随动控制。7）能够在有一定范围内有扰动的情况下正常工作。2.3 系统的实验调试2.3.1 单闭环流量控制系统的调试单闭环控制系统采用 PID进行控制，保证系统的快速性与稳定性，应选择几组不同的参数来应对不同的情况。在启动以及受到较大的单位扰动时，应以快速性为主，使系统尽快达到平衡； 在系统稳定运行以及受到阶跃扰动时，应以稳定性为主，以减小扰动对系统的影响。实验室老师对我们提出了调节时间不超过100秒，静态误差不超过1%的要求。实验步骤：1完成实验系统的接线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 28 页 - - - - - - - - - 2经确认所有连接线无误后，接通总电源和相关仪表的电源3在PID智能控制调节器在自动状态下设置仪表的参数。4启动水阀，观察 1路的响应，检测各个部分是否都正常工作。5PID参数整定，使得输出的响应曲线为理想状况。PID参数整定：PID控制器由比例单元（ P） 、积分单元（ I）和微分单元（ D）组成。其输入e(t)与输出 u(t)的关系为：tDIPdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()(式中)()()(tctrte因此它的传递函数为：STSTKSESUSDDIP11)()()(其中Kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数由此我们选择了如下参数：P=480, I=18, D=01 此时，系统的响应速度非常快，调节时间较短，但是系统响应时，其响应曲线产生多余的一些抖动。图2.3 初步参数设定在这种情况下，适当增加P的值可以解决问题。于是我们设定了下面的参数：P=620, I=20, D=01 在此参数下系统响应符合老师的要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 28 页 - - - - - - - - - 2.3.2 双闭环流量控制系统的调试 Q1 主回路采用和 2.3.1 中所述一样的 PID参数，而Q2 副回路要求按比例跟踪 Q1主回路的流量， PID参数按 PI控制设定如下：P=630, I=25, D=0 第三章压力控制系统工艺流程及控制要求3.1 控制系统工艺流程压力控制系统装置装置由三个互相串联的不同大小的密闭压力容器和针型阀、压力及流量等检测变送仪表组成， 配套的仪表屏上安装了控制、 显示等仪表 ,并配有带连接信号插座孔的工艺模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图2.1 所示 。从图 2.1 可见，压力空气分两路进入压力容器。支路一为控制通道，压缩空气经减压调整为 200Kpa ，通过调节阀的流量可由玻璃转子流量计指示，经1#罐和针阀 R1 （可调气阻），2#罐和针阀 R2、3#罐和针阀 R3最后排放入大气。支路2 为扰动通道 （实验中没有用到），压缩空气经减压调整为60Kpa，通过调节阀的流量也可由玻璃转子流量计指示，进入1#罐、2#罐、3#罐的通路由截止阀F1、F2及 F3控制，相当于扰动的加入位置可以选择。装置中由三个检测变量（ 1#罐、2#罐、3#罐内的压力），可以从中选择一至二个为被控变量。有两个可控变量（两个经调节阀的压缩空气流量），一般，支路1 流量作为操作变量通道，支路2 作为扰动输入通道。在确定被控变量、操作变量、 主要扰动和控制方案后， 只要在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速的组成不同的控制回路。在进行串级控制试验时，一定要注意哪个作为主控回路哪个作为副回路，从图 2.1 可知，三个罐是通过一个输气通道串在一起的，也就是说三个罐的等效控制模型是不一样的，可以将它们近似等效为一阶、二阶、三阶模型，如果做串级控制的话 2#/3#作为主控对象， 1#做为辅助控制对象，这个不能颠倒。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 28 页 - - - - - - - - - 图 2.1 带连接信号插座孔的压力装置工艺模拟流程图3.1.1 氧化铝生产简介迄今为止， 已经提出了很多从铝矿石或其他含铝原料中提取氧化铝的方法。由于技术和经济的原因，有些方法已被淘汰，有些还处于试验研究阶段。已经提出的氧化铝生产方法可以归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前用于大规模工业生产的只有碱法。铝土矿的特点是化学组成和矿物组成多种多样，要采用不同的方法来处理。铝土矿处理方法和合理的工艺设备的选择取决于许多因素，其中主要的是：a. 硅指数，b. 原料中硫化物； 碳酸盐和有机物的含量； c. 铝化合物和硅化合物的矿物组成； d. 氧化铁含量。碱法生产氧化铝的实质是将铝转变为铝酸钠进入苛性碱溶液。铝原料中可溶SiO2含量越高，转变为不溶性沉淀的水合铝酸钠就越多。而从原料提取到铝酸钠溶液的氧化铝则越少。 铝硅比是评价铝土矿质量和选择其具体处理方法的主要指数。生产氧化铝的碱式法有四种：1、烧结法 2 、拜耳法 3 、混联法 4 、选矿拜耳法。（1）烧结法适合 Al/SiO2 较低（ Al/SiO216 ）的矿石，其成本较低；（3）混联法则适合Al/SiO2 适中（大部分矿石的Al/SiO2 在12以上，小部分矿石的Al/SiO2 在8以下）的矿石，成本也适中；（4）选矿拜耳法适合 Al/SiO2 为中低的矿石。我国由于矿石成分的原因，适合采用混联法生产氧化铝。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 28 页 - - - - - - - - - （1）拜耳法高温和高浓度的铝酸钠溶液处于介稳状态，而在温度和浓度降低的时候则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样的基础上的。铝土矿所含的一水和三水氧化铝在一定条件下（提高温度和浓度）以铝酸钠的形式进入溶液。 在95100摄氏度时铝酸钠稳定， 当降低温度和浓度时它转变为不稳定状态，析出氢氧化铝。图3.1 拜耳法生产流程按拜耳法制取氢氧化铝的过程：1）铝土矿的溶出铝土矿在溶出之前，先在矿山粗碎，然后再冶金混匀、中碎、细碎和湿磨。坚硬的铝土矿在工厂中用23级破碎，松软的用 12级破碎。铝土矿在球磨机中湿磨，磨机与分级机或水力旋流器组成闭路循环。细磨过程在铝酸钠中进行， 液固比为0.81.0 。大部分循环溶液在其加热溶出之前加入到分级机和搅拌槽中，以制备原矿浆。铝土矿的溶出应该在消耗最小而氧化铝进入溶液的溶出率最高的条件下进行。 对于铝土矿的溶出速度和程度起作用的主要因素如下：温度、循环液的浓度和苛性比、 铝土矿的细磨程度、 原矿浆的搅拌速度和石灰添加量。温度是影响溶出过程的主要因素。 为了达到目前实践中所允许的速度三水铝石型铝土矿的溶出过程是在 95100摄氏度进行的一水软铝石型铝土矿是在150200摄氏度进行的一水硬铝石型铝土矿是在230245摄氏度进行的。石灰石对一水软硬铝石型铝土矿的溶解速度和程度有十分良好的作用，向过程中添加石灰石对一水铝石型铝土矿的溶出过程有很大的意义铝土矿中未溶出的氧化铝一般为0.55%。2）赤泥的分离和洗涤铝土矿溶出后的浆液用赤泥洗涤过程得到的一次洗液稀释至三氧化二铝的浓度为 120150克/ 升。 为了实现铝酸钠的脱硅并保证溶液黏度降低到赤泥分离过程能以工业要求的速度进行， 这种稀释过程是必要的。 赤泥的分离和洗涤方法和设备流程取决于铝土矿的处理方法。3）铝酸钠溶液的分解过滤之后的铝酸钠溶液，在分解前，在换热器中自95100摄氏度冷却到5055摄氏度，分解过程持续很长时间（5060小时） 。4）母液的蒸发为了使拜耳循环闭路，根据铝土矿溶出条件将母液蒸发到氧化钠浓度为精矿矿浆配制预脱硅溶出赤泥分离种子分解过滤洗涤焙烧氧化铝水赤泥水名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 28 页 - - - - - - - - - 200300克/ 升的循环母液。蒸发水量取决于溶出温度和被洗涤的赤泥的物理过程。蒸发过的溶液冷却时，结晶出纯碱，随同析出的还有各种有机物和其他杂质。5）循环纯碱的苛化补充的纯碱以及溶液蒸发时析出的棕色纯碱都用石灰乳苛化，以制取苛性碱来偿拜耳法中的碱损失。 为了避免在沉淀中生成难溶的复盐，这个过程是在氧化钠的浓度约为 100克/ 升的溶液中进行的。6）氢氧化铝的煅烧最后这道工序的目的是将氢氧化铝在12001250摄氏度煅烧使之成为成品氧化铝。3.1.2 高压溶出工序（1）高压溶出工序属于拜耳法中的一个环节。它也是混联法生产氧化铝的生产过程中的重要工序。 高压溶出的目的就是用苛性钠溶液把铝土矿中的氧化铝溶出来。图3.1.2 高压溶出生产流程高压溶出的生产条件为： 2.02.2 Mpa的高压； 2450C 的高温。高压溶出的化学反应可以分为两大类：、氧化铝水合物的溶出反应，这是主反应。、各种杂质在溶出过程中的化学反应，这是副反应。（2）为了使高压溶出过程得到良好的效果，必须掌握主副反应的规律。在常压下低碱浓度溶液中溶出三水铝石型铝土矿时，其中Al(OH)3与NaOH 发生反应：OHOHNaAlNaOHOHOAl24232)(223双程预热器溶出碱液溶出器新蒸汽蒸汽新蒸汽自蒸发器乏汽稀释蒸汽缓冲器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 28 页 - - - - - - - - - 用高碱浓度或用稀碱溶液在较高温度下溶出一水铝石型铝土矿时，反应下：OHOHNaAlNaOHOHOAl22232)(22（3）溶出速度?铝土矿溶出属于多相反应，即液体和固体之间的反应，其特征是反应过程发生于两相（矿粒与碱液）的界面上。?两相接触界面的 OH-,由于不断反应而逐渐消耗，在靠近矿粒表面层的溶液中的OH-浓度显著降低。?同时，在这一层中的反应产物Al(OH)4- 或Al(OH)2- 的浓度则接近饱和，于是形成扩散层。?OH-通过扩散层不断地向固相（矿粒）表面移动与氧化铝水合物反应，而反应产物 Al(OH)4- 或Al(OH)2- 则不断地通过扩散层向外移动（离开矿粒），使反应能继续进行。?因此，铝土矿的溶出过程可分为下列几步：(1)循环母液湿润矿粒表面；(2)OH-与氧化铝水合物反应；(3)形成NaAl(OH)4 或NaAl(OH)2 扩散层；(4)Al(OH)4- 或AlO(OH)2- 从扩散层扩散出来， 而OH-则从溶液中扩散到固液接触面上。铝土矿的溶出过程?在低温低碱浓度下的溶出速度随温度变化很快，因而在这种情况下的溶出速度是决定于化学反应。?在高温高碱浓度下，化学反应速度极快，此时溶出速度随温度变化而变化的幅度较小，因而这时溶出速度决定于扩散。?溶出速度可以用下式表示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 28 页 - - - - - - - - - .;T;:)(度此瞬间溶液的氧化铝浓和浓度氧化铝在碱溶液中的饱两相接触表面的大小扩散层厚度粘度绝对温度常数某一瞬间的溶出速度式中溶饱溶饱CCSPVCCSTPVtt由溶出速度的表达式可得下式：饱SCTPtKCtCtt)()(?当矿石一定时，其粘度一定，且P、S均为常数，则从式中可以看出通过控制温度T可以控制反应速度。并且，通过提高温度来提高溶出反应的速度也是可行的。3.2 设计内容及要求3.2.1 双程预热器双程预热器有四组双程预热罐。 采用高压蒸汽间接加热。 其内部是蒸汽管。矿浆在蒸汽管外，包围着蒸汽管， 由600被加热到 1950左右，称为预热。这时，因为矿浆温度低（反应温度为2450） ，所以还不能用于生产。预热器在此次控制系统未作要求。图3.2.1 双程预热罐名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 28 页 - - - - - - - - - 双程预热器需要监测的量有以下一些：(1) 矿浆入口温度 T11 (2) 矿浆出口温度 T12 (3) 各级之间入口温度和各级之间出口温度T101-T106 之所以要分上层预热器和下层预热器是因为氧化铝生产为流程工业，反应过程不能间断，需要一套备用。3.2.2 溶出器1. 溶出器由九个高压罐串联构成， 1#罐和2#罐用高压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（ 2450左右） 。2. 溶出器内加热为直接加热，其效率较高，但是加热过程中由蒸汽带来了水份，使得矿浆溶液的浓度降低。3. 溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关键之一。4. 在溶出稳度低到一定值（ 240摄氏度） ，则控制变频调速装置，降低电机转速，减少进入高压溶出器的矿浆流量（每降低1摄氏度，则减少矿浆流量 0.5%） ；5. 若溶出温度高到一定值（ 250摄氏度） ，则控制变频调速装置，提高电机速度，增加进入高压溶出器的矿浆流量（每提高 1摄氏度，则增加矿浆流量 0.5%） ，以保证溶出温度的稳定。6. 矿浆经 1 9溶出器后，形成一定的压差，为了保证正常生产，压差应尽量稳定在0.2MPa 左右。7. 在溶出稳度低到一定值（ 240摄氏度） ，则控制变频调速装置，降低电机转速，减少进入高压溶出器的矿浆流量（每降低1摄氏度，则减少矿浆流量 0.5%） ；8. 若溶出温度高到一定值（ 250摄氏度） ，则控制变频调速装置，提高电机速度，增加进入高压溶出器的矿浆流量（每提高 1摄氏度，则增加矿浆流量 0.5%） ，以保证溶出温度的稳定。9. 矿浆经 1 9溶出器后，形成一定的压差，为了保证正常生产，压差应尽量稳定在0.2MPa 左右。3.2.3 自蒸发器自蒸发器的作用主要是回收热量。它由五个高压罐组成，各级压力逐渐降低，由 2.02.2Mpa下降到 0.2Mpa。在压力下降的过程中，蒸汽会从矿浆中逸出。其产生的蒸汽称为乏气。不同压力的乏气被送至双程预热器用作加热矿浆。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 28 页 - - - - - - - - - 图3.2.2 蒸汽缓冲器#自蒸发器4#双程预热器#自蒸发器3#双程预热器#自蒸发器2#双程预热器#自蒸发器1#双程预热器为了既充分利用乏汽又保证自蒸发器正常工况，选择自蒸发器压力作为监测量。自蒸发器需要监测的量有：自蒸发器各级的压力PT501PT505；同时还有就地显示仪表 PI501PI505；需要控制的压力 PC ,不能过高亦不能过低。在此次控制系统的设计中， 自蒸发器部分包括 #，#，#自蒸发器压力控制三部分。氧化铝高压溶出工序蒸发器压力控制系统分为#自蒸发器的分步控制，通过这五步的控制使压力由2.02.2Mpa降到0.2Mpa。矿浆由 #自蒸发器进入， 通过调节蒸汽流量来控制自蒸发器的压力。给定的矿浆流量值经过调节蒸汽来达到所要求的#自蒸发器的出口压力值。之后矿浆进入到 #自蒸发器， 经调节最后由 #自蒸发器流出， 此时压力为所需要的值。压力的控制精度应为： +0.1Mpa。自蒸发器的压力控制可以通过控制蒸汽的流量来调节压力的变化，用压力变送器来检测压力并返回控制。3.2.4 蒸汽缓冲器蒸汽缓冲器用于存储高压蒸汽，给1#溶出器和 2#溶出器提供加热蒸汽。其高压蒸汽一般为 2.4Mpa。它有稳定加热蒸汽压力的作用。在此次控制系统的设计中，蒸汽缓冲器部分包括蒸汽缓冲器压力控制。为了防止蒸汽缓冲器的矿浆倒流，其进口压力必须为3.3MPa,出口压力为3.15MPa ，若蒸汽缓冲器的进出口压力降低了0.05MPa ，则给出报警信号。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 28 页 - - - - - - - - - 蒸汽缓冲器PI301PT301PI301TI301TT301图3.2.4 蒸汽缓冲器高压罐1蒸汽缓冲器需要监视的量有：TT301和PT301 ；就地显示的量有： TI301和PI301 2蒸汽缓冲器中的蒸汽来自锅炉房（热电厂）。有新蒸汽 Z2、Z3加入。此处需要监测蒸汽的流量 FT101 和FT102 （此处监测蒸汽流量主要是为了与锅炉房输出的流量作比较，用作蒸汽费用凭证）。3新蒸汽的压力是由电动阀门的开度来调节。第四章总体设计方案4.1 设计思想基于单片机的压力参数的控制和调节即以单片机为调节器辅助以配套的AD ，DA转换单元及电路 通过执行数字 PID程序实现自动调整。 图4.1 是一个单回路反馈控制系统， 控制的任务是使缓冲器的压力等于某定值减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。通过电动阀门的开度来调节， 达到被控压力参数的动态调整。 单回路控制系统由于结构简单、投资小、 操作方便且能满足一般生产过程的要求， 故它在过程控制中得到广泛应用。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择的不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期的效果。因此，当一个单回路系统搭建好以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的问题。PID 调节器是一种线性调节器， 它将给定值 r(t)与实际输出值 c(t) 的偏差的比例(P) 、积分 (I) 、微分 (D) 通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 28 页 - - - - - - - - - 1、PID调节器的微分方程tDIPdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()(式中)()()(tctrte 2、PID调节器的传输函数STSTKSESUSDDIP11)()()( PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t) ，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率 ) ，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。通过整定 PID参数：比例系数、积分时间、微分时间，使系统达到最佳的性能。4.2 总体设计流程图图 4.1 压力控制系统总体设计图压力控制系统由下列4 部分组成：被控对象密闭的压力容器，电动阀，压力变送器，PID只能调节器，他们的连接成控制系统的方框图如图4.1 调节器D/A 电子阀压力容器A/D 压力变送器给定量 PTs+偏差 PTi+ 变化量 u入气量扰动 fPID 智能调节器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 28 页 - - - - - - - - - 第五章硬件设计5.1 硬件设计概要压力控制系统装置装置由三个互相串联的不同大小的密闭压力容器和针型阀、压力及流量等检测变送仪表组成，配套的仪表屏上安装了控制、显示等仪表 ,并配有带连接信号插座孔的工艺模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图 3.1 所示 。图中，标有字母的方块为各种仪表，为各仪表输入、输出信号的单线接插件的插座孔（，插孔） 。其中 : C ：控制器（调节器）。该装置配有三个单回路调节器C1 、C2 和C3，控制输出信号为 420mA ，每个调节器设有三对插座孔（，插孔） 。其中:PV孔为测量值输入， SV 孔为外设定输入或阀位反馈信号输入，O 孔为调节器输出。R ：记录仪为无纸 3通道记录仪，输入信号 420mA ，其中R1 孔为1号通道，R2孔为2号通道，R3 孔为3号通道。每个通道有两个插座孔，其中上孔（）接变送器来的信号，下孔（）用来转接到其他仪表作为输入信号，注意不能接错。PT ：压力变送器。压力变送器为LSYB ，1#3#输入量程均为 080KPa ，变送输出为 420mA 。VL：电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入420 mA 电流信号，对应阀门输出开度0100% 。V12 和I12 ：两路电压 / 电流转换器。 其中V1为第1路电压输入信号端， I1 为第1路电流输出信号端， V2为第2路电压输入信号端， I2 为第2路电流输出信号端，O 上孔（插孔）接电压 / 电流转换器来的正信号，下孔（插孔）接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。由图4.1 可见，压缩空气分两路进入压力容器。支路为控制通道， 压缩空气经减压调整为 200KPa ，通过调节阀的流量可由玻璃转子流量计指示，经# 罐和针阀 1（可调气阻）、 2# 罐和针阀 2、 3# 罐和针阀 R3 最后排放入大气。支路2为扰动通道，压缩空气经减压调整为 60KPa ，通过调节阀的流量也可由玻璃转子流量计指示，进入 1# 罐、 2# 罐或3# 罐的通路由截止阀 F1、F2及F3控制，相当于扰动的输入位置可以选择。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 28 页 - - - - - - - - - 5.2 硬件选型5.2.1 基本组成部分（1）HR-WP 系列 32 段可编程序控制仪特点： 程序模糊 PID控制仪实现了真正的自整定功能；改变了控制方式这样一来可以合理的跟随测量数值和时间业控制。在软件上增加了上位机实现远程控制曲线和曲线的控制功能及跳转循环和停止功能；模型上采用三种模式：第一、用户自定义曲线；第二、时间比例曲线；第三、具有控制参量时间等待曲线功能。（2）压力变送器 : 主要技术参数 : 输出信号： 4 20mA ；基本误差 : 0.5% 、0.2%输出负载 : 4 20mA 0550（24V供电时）电源电压 : 24VDC（1836VDC ）使用环境 : 温度: 防 1 爆: -20 +50；液晶表头： -10+50；其它：-40+60；相对湿度： 5 95% 与膜片接触介质温度 100（高温介质可通过引压管降温引入）压力过载 2FS （最大量程）重量： 1Kg 量程分档：单位 MPa （3）KVHV 电动 V型调节球阀：主要技术参数 : 阀体：公称通径： 25-300mm名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 28 页 - - - - - - - - - 公称压力： PN1.6，4.0 ，6.4MPa连接形式：法兰式按JB/T79.2-94 凹或按 JB78-5P对夹式法兰连接材料： WCB ZG1Gr18Ni9Ti CF3M填料： V型聚四氟乙烯填料，含浸聚四氟乙烯填料，石棉纺织填料。耐高温碳纤维填料温度：常温： -20+120散热： +200+450阀内组件：阀芯形式： V形缺口半球体流量特性：近似等百分比或近似直线特性及快开特性。球体阀杆材料： 2Cr131Gr18Ni9Ti oCr17NI17Mo2 （316L）金属阀座材料：与阀杆材料相同，密封堆焊钴铬硬质合金非金属阀材料：增强聚四氟乙烯。执行机构：可选用 PSQ 系列、 3810 系列或 NB系列电子式角行程执行机构。5.2.2 数据采集在本实验装置中，数据采集与处理系统的任务是将检测元件获取的当前缓冲器的实际压力转换成相应的电压值，以便单片机将该电压值与设定的电压值进行比较，从而按所得偏差信号进行控制运算。本实验装置针对压力缓慢变化的模拟信号，考虑到经济、实用等因素，在原有控制器的基础上以AT89C5l单片机为核心，利用少量的 IO接口，采用 TLC2543串行AD转换芯片，扩展出一个数据采集系统。 AT89C5l单片机是 ATEML公司出产的一款经济、高性能单片机，其主要特性如下：1)工作频率为 024MHz 2)两个标准 l6位定D,1计数器3)32条可编程 IO El线5个中断源4)4K字节快闪 ROM，128字节RAM 5)40引脚 DIP封装模数转换器选用 TI公司的 12位串行 TLC2543，其分辨率较高，使用开关电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 28 页 - - - - - - - - - 容逐次逼近技术完成 AD转换过程。且采用的串行输入结构。TLC2543有12个输入通道，有三种输出数据长度。每种数据又可以设定为不同的数据顺序(高位在前还是低位在前 )。通道的选择、 数据格式的设定， 都是通过控制器向 TLC2543写控制字来实现的。控制字格式如表5.2所示。通道选择输出数据长度输出数据顺序极性选择D7(MSB) D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 表5.2 TLC2543控制字5.2.2 处理系统本装置中压力的测量采用的是TO-8型传感器。其工作原理是在单晶硅的基础上扩散出 P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下，根据半导体的压一阻效应，把压力的变化转换成电阻的变化经过测量电路所测的输出电压反映出所受压力的变化。 当硅膜片上受到压力聊腓用时， 由于它们对膜片产生的压力正好相反，因此作用在膜片上的压力为P= P1一 P2从而可以进行压差测量。 当容器内气压变化时，管内空气的压力将会成比例地变化，则TO-8传感器的压力面会将其所感知的压力变化传送给TLC2543串行AD转换芯片，将该压力的变化转换成电信号。5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明第六章软件设计6.1 软件设计流程图及其说明6.1.1 数据采集子程序对于串行输入输出数模转换器 在编程应特别注意 TLC2543 的工作时序 其I O CLOCK 引脚接收串行输入信号。在I O CLOCK 的前8个上升沿 DIN引脚的 8位输入数据存人数据存储器；在I O CLOCK 的第4个下降沿。被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I 0 CLOCK 的最后一个下降沿为止；将前一次转换数据的其余 11位输出到 DATA OUT 端，在 I 0 CLOCK 的下降沿时数据开始变化：I 0 CLOCK 的最后一个下降沿， 将转换的控制信号传送到内部状态控制位。因此，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 28 页 - - - - - - - - - TLC2543 在每次 I O 周期读取到的数据都是前一次的转换结果应该丢弃。再读一次即为当前转换值。数据采集子程序的程序流程图如图6.1.1 所示：图6.1.1 数据采集子程序图6.1.2 数据传送子程序6.1.2 数据传输子程序单片机数据传输子程序的功能是将单片机通过TLC2543采集到的数据。通过单片机的串行 El以一个固定的波特率发送到Pc机。本实验中采用的是 9600bs的波特率。为简单起见，发送数据以6个字节为一帧其传输格式为前l6位的同步码，中间 16位数据 (其中后 12位有效，即为系统采集到的数据)，最后16为CRC校验码。其程序流程图如图6.1.2