盤管出水口水溫與熱水流量性能測試

1、PINGDINGSHAN UNIVERSITY過程控制班級：測控技術(shù)與儀器學(xué)號：131130142姓名：楊航盤管出水口水溫與熱水流量性能測試導(dǎo)讀：1.1過程控制介紹，1.1.1過程控制的發(fā)展概況，做為工業(yè)自動化重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重，初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動為控制目的過程，串級控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，同時電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過程1.1過程控制介紹關(guān)鍵詞:串級控制;MCGS;PID參數(shù)整

2、定法1.1.1 過程控制的發(fā)展概況隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，做為工業(yè)自動化重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重。初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度，液位，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動為控制目的過程。其后，串級控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電

3、子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC） 。之后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識，以極大值和動態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和 以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應(yīng)用于解決過程控制生產(chǎn) 中的非線性，耦合性和時變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時新型的 分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動化進(jìn)入控制管理一體化的新模式。現(xiàn)今工業(yè)自動化己進(jìn)入計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）時代，并依托人工智能，控制理論和運籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠 綜合自動化的方

4、向發(fā)展。1.1.2過程計算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，而對生產(chǎn)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益的要求，對生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來越高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動控制水平的重要指標(biāo)。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對現(xiàn)代化過程工業(yè)的控制要求。由于計算機(jī)具有運算速度快、精度高、存儲量大、編程靈活以及具有很強(qiáng)的通信能力等特點， 目前以微處理器、單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器過程計算機(jī)設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過程控制中得到十分廣泛的作用。在控制系統(tǒng)中引入計算機(jī)

5、，可以充分利用計算機(jī)的運算、邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)和實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。在系統(tǒng)中，由于計算機(jī)只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計算機(jī)。當(dāng)計算機(jī)接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（PID）進(jìn)行運算，計算結(jié)果再經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。過程計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對象、檢測與執(zhí)行裝置外）。（1）過程計算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分：1）由中央處理器、時鐘電路、內(nèi)存儲器構(gòu)成的計算機(jī)主機(jī)是組成計算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制

6、量計算、越限報警等，通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮系統(tǒng)安全可靠的協(xié)調(diào)工作。2）包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器和數(shù)字顯示器等的控制臺是人機(jī)對話的聯(lián)系紐帶， 操作人員可以通過操作臺向計算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計算機(jī)向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)出報警信號。3）通用外圍設(shè)備包括打印機(jī)、記錄儀、圖形顯示器、閃存等，它們用來顯示、存儲 、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。4）I/O 接口和 I/O 通道是計算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。I/O 通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。模擬量 I/O 通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)電信號）變換成二進(jìn)制代碼傳送給計算機(jī)；同

7、時將計算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。（2）過程計算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分：1）系統(tǒng)軟件由計算機(jī)及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計算機(jī)本身資源，方便用戶使用計算機(jī)。2）應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序，應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能 、精度和效率。2.1 總體方案的設(shè)計原理本設(shè)計的控制系統(tǒng)的主控量為鍋爐內(nèi)膽的水溫T，副控量為鍋爐內(nèi)膽循環(huán)水流量Q，它是一個輔助的控制變量。內(nèi)膽內(nèi)的電熱管持續(xù)恒壓加熱，執(zhí)行元件為電動調(diào)節(jié)閥，它控制管道中流過的冷水的流量大小，以改變內(nèi)膽中的水溫。副回路是一個隨動系統(tǒng)，要求副回路的輸出能正確、快速地復(fù)現(xiàn)

8、主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達(dá)到對主控制量T的控制目的，因而副調(diào)節(jié)器可采用P控制。但選擇流量作副控參數(shù)時，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例度必須選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用PI控制規(guī)律。引入積分作用的目的不是消除靜差，而是增強(qiáng)控制作用。顯然，由于副對象管道的時間常數(shù)遠(yuǎn)小于主對象鍋爐內(nèi)膽的時間常數(shù)，因而當(dāng)主擾動（二次擾動）作用于副回路時，通過副回路的調(diào)節(jié)作用可快速消除擾動的影響。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖所示。3.1 系統(tǒng)設(shè)備1）實驗對象及控制屏、SA-11掛件一個、計算機(jī)一臺、萬用表一個；2）SA-12掛件一個、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊線一根。3.2 RS485/

9、232轉(zhuǎn)換器3.2.1 概述隨著計算機(jī)在工業(yè)的廣泛應(yīng)用 控制局域網(wǎng)絡(luò)也深入應(yīng)用到各行各業(yè)之中 現(xiàn)行的 諸多控制系統(tǒng) 若采用單機(jī)控制方式已越來越難以滿足設(shè)備控制的要求 因為往往我們 所控制的設(shè)備只是整個系統(tǒng)的一個基本單元 它既需要外部輸入一些必要的信息 同時 也需要向外部輸出自身的運行參數(shù)和狀態(tài) 所有這些 都要求我們采用控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 將眾多設(shè)備有機(jī)地連成一體 以保證整個系統(tǒng)安全可靠地運行。目前， 在我國應(yīng)用的現(xiàn)場總線中 RS-485/RS-422 使用最為普遍 當(dāng)用戶要將基于 標(biāo)準(zhǔn)的 RS-232 接口設(shè)備。如PC機(jī)連接至由 RS-485/RS-422 構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)時，則必須作RS-232 和

10、RS-485/RS-422 之間的電平轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的做法是在設(shè)備內(nèi)擴(kuò)展一個通訊適配卡.由通訊適配卡實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換內(nèi)部主機(jī)再通過并行總線讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。顯然，這種設(shè)計方法存在下列缺點 ：1）由于適配卡是基于某一種總線標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的 而不是基于 RS-232 電平標(biāo)準(zhǔn) 所以 其應(yīng)用范圍受到限制 只能一種適配卡適用一種總線 如 ISA 適配卡不可能插 其通用性較差 入 STD 總線或用戶自定義的總線 。2）雖然實現(xiàn)的僅僅是電平轉(zhuǎn)換 但是由于需要考慮與擴(kuò)展總線的接口和增加一個 標(biāo)準(zhǔn)的 UART 并且需要占用系統(tǒng)的其它寶貴資源 使硬件和軟件變得過于復(fù)雜 。3）復(fù)雜的硬件設(shè)計大大增加了元器件的數(shù)目和電路板面 使適

11、配卡的成本過高 。4）由于采用內(nèi)置插卡方式 使變更通信方式比較麻煩 如將半雙工通信方式設(shè)置 為全雙工方式等 另外 維修和測試也比較麻煩。5）對于現(xiàn)有的基于RS-232的設(shè)備在無法變動系統(tǒng)軟件和硬件的情況下顯然適配卡無，為了克服上述缺點同時考慮到RS-232接口的自身特點我們設(shè)計了一種小巧的無須外部，本智能轉(zhuǎn)換器作為一個獨立的電平轉(zhuǎn)換控制器，即如何從RS-232線上獲得電路和RS-485/RS-422接口驅(qū)動所需的功率和，我們設(shè)計一個效率為85%輸出電壓為3V的DC-DC轉(zhuǎn)，2）智能控制收發(fā)使能，適用于點-點通訊無須專門的收發(fā)使3.2.2 功能描述及結(jié)構(gòu)框圖本智能轉(zhuǎn)換器作為一個獨立的電平轉(zhuǎn)換控制

12、器，涉及線上取電、發(fā)送和接收狀態(tài)的低功耗微處理器微處理器通過監(jiān)測TXD信號的變化 決定是否允許數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，另外有關(guān)通信方式，波特率和半/雙工工作方式選擇也是通過TXD信號或 I/O口來設(shè)定的RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。RS-485/RS-422電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。+3.0V 或+5V RS-DTR RS-RTS RS-TXD TTL-TXD DC-DC 轉(zhuǎn)換器發(fā)送使能低功耗 微處理器接收使能 RS-RXD RS-232 接口 TTL-RXD RS-485/RS-4 22 接口 半雙工/ 全雙工 接口 半/全雙工跳線3.2.3 工作原理該智能轉(zhuǎn)換器必須解決兩個關(guān)鍵問題

13、，即如何從 RS-232 線上獲得電路和 RS-485/RS-422 接口驅(qū)動所需的功率和如何智能控制 RS-485/RS-422 的收發(fā)使能。1）電源方案標(biāo)準(zhǔn)的RS-232定義中有三個發(fā)送信號TXD RTS和DTR每根線上的典型輸出電流為8mA/ 12V考慮到TXD為負(fù)電平，處于停止發(fā)送或發(fā)送數(shù)字 1 時的時間較多，因而電源轉(zhuǎn)換決定采用負(fù)電源輸入以最大限度地增加電源輸入功率 升壓至所需的工作電源，從 RTS 和 DTR 上輸入功率=2*8*12mW=192mW。另外，由于通訊為間歇工作方式。所以輸入電源端的儲能電容和 TXD 為負(fù)電平時，能夠補充一定的 功率。假設(shè) ，我們設(shè)計一個效率為 85

14、% 輸出電壓為 3V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，則輸出電流可達(dá) 54.4mA。2）智能控制收發(fā)使能RS-232 通訊接口采用電平方式傳輸，適用于點-點通訊無須專門的收發(fā)使能控制。而對于 RS-485/RS-422 通訊接口則不同 由于采用差分電平方式傳輸，且允許在 一條通訊總線上掛接多個節(jié)點。必然要求各個節(jié)點能夠獨立地控制總線驅(qū)動器關(guān)斷或打開，保證不會影響到其它節(jié)點的正常通訊。為了簡化與轉(zhuǎn)換器 RS-232 接口端相連的軟件工作。更重要的是為了提高本轉(zhuǎn)換器的通用性和靈活性，即插即用無須要求。用戶更改任何相關(guān)軟件和硬件本轉(zhuǎn)換器內(nèi)置微處理器實現(xiàn)收發(fā)使能的智能控制具體方法微處理器在檢測到 UART 的

15、通信起始位后 打開發(fā)送使能允許串行數(shù)據(jù)發(fā)送至 RS-485/RS-422 通訊網(wǎng)絡(luò) 微處理器根據(jù)所設(shè)定的波特率延時至 UART 停止位 發(fā)送一半時。例如 11 位格式時，延時10.5T,T=1/fBAUD ,開始檢測是否有下一個起始位到來。在時間 T 內(nèi)，若有下一個起始位到來，則保持發(fā)送狀態(tài)。否則將關(guān)閉發(fā)送使能結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送。3.2.4 硬件設(shè)計由于本轉(zhuǎn)換器供電來自 RS-232信號線，其輸入功率受到限制。因而在本設(shè)計中將盡，可能地采用+3V 供電的低功耗器件保證總電流小于 54.4mA 主要包括4個部分DC-DCRSRS-485/RS RSRS-232至RS-485/RS-422智能轉(zhuǎn)換器RS

16、-232接口RS-485/RS-422接口和微處理器 分別介紹如下：1）DC-DC 轉(zhuǎn)換器顯然，還沒有一個DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠直接實現(xiàn)-12V輸入+3V輸出的IC但是如果我們利用現(xiàn)有的IC稍作改動即可實現(xiàn)該功能DC-DC 轉(zhuǎn)換電路。就是利用MAX761實現(xiàn)的-12V輸入+3V輸出效率高于85%的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器該轉(zhuǎn)換器。實際輸入電壓范圍為-2.5V至-13.5V 靜態(tài)工作電流僅I1=120 A具有輸出電流大于54.4mA的能力。如果前端輸入功率未受到限制，則輸出電流可達(dá)300mA以上。由于MAX761采用高效率的PFM 控制方式,而且在本電路中,開關(guān)損耗較小(因為開關(guān)電流小于負(fù)載電 流),

17、所以能夠達(dá)到比 MAX761典型應(yīng)用更高的效率(MAX761典型 應(yīng)用效率為 86%)輸出電壓由下列方程確定VOUT=VREF*R1/R2+0.7(V) 其中 VREF=1.5V 根據(jù)所需選取 R2=100K 要的輸出電壓 計算 R12）RS-232 接口本轉(zhuǎn)換器只需要一片單發(fā)/單收 RS-232 接口就可以滿足要求 但必須要求+3V 單電源 工作 工作電流盡可能地小的接口電路 MAX3221/MAX3221E 帶 15kVESD 保護(hù) 剛好能 夠滿足上述要求 具有 1TX/1RX 其工作電壓+3V 至+5.5V, 僅 1 A 的靜態(tài)電流 負(fù)載電 流小于 I2=2mA 4.3. RS-485/

18、RS-422 接口 為兼顧RS-485/RS-422 接口中半雙工和全雙工的要求 本轉(zhuǎn)換器采用 MAX3491 作為 RS-485/RS-422 接口電路 其主要指標(biāo)為 +3V 至+3.6V 單電源工作 工作電流 1mA,驅(qū)動 60 負(fù)載時 半雙工時 兩個 120 終端匹配電阻的并聯(lián)值 峰值電流可達(dá) I3=3V/60 =50mA 半雙工和全雙工工作方式是通過跳線器來設(shè)置的. 微處理器 在本轉(zhuǎn)換器中 微處理器所要 完成的任務(wù)很簡單 僅需要幾根 I/O 線即可實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和發(fā)送 使能的自動控制 實際選擇中 采 用 Microchip 公司的 PIC12C508A 其主要指標(biāo)為 工作電流 I4&l

19、t;1.0mA( 工 作 電 壓 3V 頻 率 4MHz),6 條 I/O 線 512kByte 的 ROM 其中 GP0 GP1 GP4 和 GP5 四個引腳設(shè)定對應(yīng)于 16 種常用波 特率 300 600 1200 至 38.4Kbps 等 8 種 以 及 900 1800 至 115.4Kbps 等 8 種 的延時時間 GP3 對應(yīng)于 10 位或 11 位串行數(shù)據(jù)格式 GP2 為 TXD 輸入 用來檢測 UART 何時發(fā)送和停止數(shù)據(jù) GP1 為復(fù)用輸出引腳 用來控制 MAX3491 的發(fā)送使能控 制端 GP0 也為復(fù)用輸出引腳 用來控制 MAX3491 的接收使能本轉(zhuǎn)換器的最大電流總和&

20、lt;I1+I2+I3+I4=0.12+2.0+ 50.0+1.0=53.12mA 小于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的最小輸出電流54.4mA 因而通過 RS-232 信號線為本電路供電是完全可行的。實際上由于輸入電源端的儲能電容E1和TXD為負(fù)電平時能夠為電路補充一定的功率所以設(shè)計上留有較大的電源功率裕量.3.2.5 軟件設(shè)計本轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計較為簡單微處理器復(fù)位后將所有的I/O口設(shè)為輸入 并讀入所有的I/O 狀態(tài)保存到寄存器，將GP2和GP3改設(shè)為輸出狀態(tài)并輸出低電平，使 RS-485/RS-422接口處于禁止發(fā)送允許接收的狀態(tài)CPU根據(jù)GPIO的初始狀態(tài)確定出用戶設(shè)定的通訊波特率和串行數(shù)據(jù)格式。

21、從而預(yù)置內(nèi)部的延時設(shè)定CPU檢測到UART開始通訊后打開發(fā)送使能經(jīng)內(nèi)部預(yù)置延時后開始在一個位寬時間內(nèi)檢測是否有下一個起始位到來如檢測到，則重新延時等待。否則，關(guān)閉發(fā)送使能結(jié)束當(dāng)前通訊重新檢測UART的起始位對于半雙工通訊方式允許發(fā)送使能前應(yīng)該關(guān)閉接收使能，而在發(fā)送使能關(guān)閉后才打開接收使能，對于全雙工通訊方式其接收使能可以不受此信號控制而可以直接通過跳線接地始終允許接收 。實驗流程1）將三個SA-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機(jī)串口2，并按照下面的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。2）接通總電源空氣開關(guān)

22、和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相、單相空氣開關(guān)，給智能儀表1及電動調(diào)節(jié)閥上電。（1） 逐步逼近法所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，使主回路閉合，按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。 （2） 兩步整定法兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。 整定的具體步驟為：在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)

23、節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應(yīng)的比例度2S和振蕩周期T2S。2S將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的值上，且把副回路作為主回路中的1S一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度和振蕩周期T1S。根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。（4）按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。 (3) 一步整定法由于兩步整定法要尋求兩個4：1的衰減過程，這是一件很花時間的事。因而對兩步整定法做了簡化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為：在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/20.5這一關(guān)系式，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗選取，并將其設(shè)