检测技术与自动化仪表实验指导书.docx

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检测技术与自动化仪表实验指导书

检测技术与自动化仪表

实验指导书

黄山学院信息工程学院自动化教研室

施云贵

2011年12月

第一章实验装置说明

第一节系统概述

浙江求是科教设备有限公司生产的QSYB-HG1系列自动化仪表实训装置，可以非常好地满足自动控制等课程实验的要求。

在这套设备由被控对象和控制台组成，通过手动或计算机控制，可以将被控对象转变成不同特性的过控对象，因此，在此基础上可以进行简单的温度流量、液位的单回路控制，而且也可以进行一系例复杂控制系统实验如：

串级实验、二容液位实验等。

一、QSYB-HG1系列自动化仪表实训装置特点:

1．装置由控制对象、控制台、计算机三部分组成，对象构布局合理，造型美观大方。

2．真实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。

3．参数全面，涵盖了液位、压力、流量、温度等典型的热工量参数。

4．敞开式实验对象的结构设计，使实验对象直观性强，便于理解。

5．硬件对象的设计充分考虑了其数学模型确定性，与理论教材相结合。

6．所选用的仪器仪表的参数和特性符合系统的设计要求，实验效果理想。

7．仪器仪表的可拆性，更加深了学生对工程仪器仪表的理解，尤其对器件的内部原理的理解。

8．实验装置通过带快速接头的软管自由连接和设计，不仅锻炼了学生的动手能力，也使学生对系统有了深刻的认识。

9．实验项目可以扩展，不同的硬件组成可搭配出不同的控制系统。

二、本实验装置可以灵活搭配，进行多方面的实验，有利于学生掌握下列内容：

1．自动化仪表的初步使用，其中包括检测仪表、变送单元、执行单元和控制仪表。

2．测定控制对象特性的方法。

3．变频器的基本工作原理和初步使用。

4．单回路控制系统的参数整定。

5．复杂控制系统的参数整定。

6．控制参数对控制系统品质指标的影响。

7．控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力。

8．学习组态王控制软件的功能、使用和编程。

三、实验的基本程序：

1．明确实验任务。

2．提出实验方案。

3．画实验接线图。

4．进行实验操作，作好观测和记录，调整控制参数。

5．整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行本书中的综合实验时，上述程序应让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的动手能力。

要做好各主要实验，就应做到：

实验前做准备，实验中有条理，实验后勤分析。

第二节QSYB-HG1型化工自动化仪表实验对象

本实验装置对象主要由水箱、锅炉、管式电阻炉和压力检验台四大部分组成。

供水系统有两路：

一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计及手动球阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、玻璃转子流量计及手动球阀组成。

主控屏部分有智能仪表、氧量分析仪、无纸记录仪、闪光报警仪、温度动圈调节仪、八路巡检仪和流量积算仪组成。

一、被控对象

1．水箱：

包括上水箱、下水箱和储水箱。

上、下两个水箱采用8mm厚的进口有机玻璃无缝加工而成的方形三槽式水箱，容积为30升，每个水箱都有三槽结构（进水水箱、出水水箱和实验水箱）。

采用了无缝加工技术，确保无漏水现象。

水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。

上、下水箱可以组合成一阶、二阶单回路液位控制系统和双闭环液位串级控制系统。

储水箱由不锈钢板制成，容积为200升，完全能满足上、下水箱的实验供水需要。

2．模拟锅炉：

是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）、冷却层（锅炉夹套）和溢流层，均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。

做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

夹套里的水满了之后便会从溢流层流出去。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。

3．管式电阻炉：

本管式电阻炉可供工矿企业、大专院校及科研单位等实验室作化学分析、物理测定等加热用。

本电炉与KSJD电阻炉温度控制器和热电偶等配套使用，能对电炉的温度自动控制、测量及指示。

4．阀门：

所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

5.压力检验台：

含活塞式压力计，主要适用于校验精确度等级低于0.25级的精密压力表，亦可用来校验低一等级的活塞压力计、各种工业用压力表或其它各类压力测量仪器。

压力计适合在周围为10℃~30℃、相对湿度不大于80%的条件下工作。

二、检测装置

1．压力传感器、变送器和差压变送器：

三个压力传感器分别用来对上、下两个水箱的液位进行检测（其中下水箱两个，用来完成液位解耦实验），其量程为0～3KP，精度为0.5级。

采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：

4～20mADC。

2．温度传感器：

装置中采用了一个PT100、一个CU50、两个热电偶温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、以及电阻炉的温度。

Pt100测温范围：

-200～+420℃。

经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。

Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

3．涡轮流量计和玻璃转子流量计：

涡轮流量计优点是测量精度高，反应快。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。

流量范围：

0.1～0.6m3/h；精度：

1.0%；脉冲输出，配套流量积算仪用，输出4～20mADC信号。

玻璃转子流量计的主要测量元件为一根垂直安装的下小上大锥形玻璃管和在内可上下移动的浮子。

当流体自下而上经锥形玻璃管时，在浮子上下之间产生压差，浮子在此差压作用下上升。

当此上升的力、浮子所受的浮力及粘性升力与浮子的重力相等时，浮子处于平衡位置。

因此，流经玻璃转子流量计的流体流量与浮子上升高度，即与玻璃转子流量计的流通米面积之间存在着一定的比例关系，浮子的位置高度可作为流量量度。

4.智能仪表：

采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，AI-818型仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号；具有手动输出功能，AI系列仪表可通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯（附加功能），从而实现系统的实时监控。

5.氧量分析仪：

氧化锆氧量分析仪是一种可靠的自动化分析仪表，能与各种电动单元仪表，常规显示记录仪及DCS集散控制系统配合使用，可对钢炉、窖炉加热炉等燃烧设备在燃烧过程中所产生的烟气含氧量进行快速、正确的在线检测分析，以实现低氧燃烧控制，达到节能、减少环境污染。

6.无纸记录仪：

VX2100系列3通道输入单色无纸记录仪，可输入标准电流、标准电压、频率（附加功能）、毫伏、热电偶、热电阻等信号。

具有传感器隔离配电输出、继电器报警输出、变送输出、流量积算、温压补偿、历史数据转存、打印以及远程通讯功能。

7.闪光报警仪：

闪光报警控制仪可与各种HXWP系列控制仪表或其他接点式控制检测仪表配套使用。

可同时检测八路输入信号，八路信号均采用大规模、高亮度数码管分别显示各通道的当前状态值。

8.八路巡检仪：

智能巡检仪用于工业控制系统多测量点的巡回检测、显示和报警。

9.温度动圈调节仪：

XCT型动圈式指示调节仪表可以与热电偶、热电阻、活儿变送器、远程压力变送器以及标准mV或mA信号配合，能将0~2000℃范围内之各种工业介质的气体、液体、蒸汽的温度、压力货其它工业参量进行指示或调节、报警用。

10.流量积算仪：

流量积算仪与各种流量传感器配合使用（本装置中与涡轮流量计配合使用），可对各种液体、蒸汽、天然气、一般气体等流量参数进行测量显示、累积计算、报警控制、变送输出。

三、执行机构

1．电动调节阀：

采用霍尼韦尔公司的ML7420型电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。

调节阀的执行器采用进口器件，阀体口径DN15,采用等百分比特性控制；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24VAC，执行机构直接接受4-20mADC或1-5V控制信号，使用和校正方便

2．水泵：

本装置采用两只磁力驱动泵,一只为单相恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

磁力驱动泵的型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。

3．加热装置：

控制信号：

4～20mADC，对触发模块进行控制，进而对调压模块进行输出调压控制。

第三节软件介绍

一、组态王6.52

组态王6.52是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向高端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。

该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效的获取信息，及时的做出反应，以获得最优化的结果。

组态王6.52保持了组态王早期版本运行稳定、使用方便的特点。

并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。

该款产品的历史曲线、温控曲线以及配方功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。

 组态王6.52的主要功能特性：

（1）可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接

（2）无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能

　　（3）变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间

　　（4）强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存

　　（5）强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理

　　（6）全新的WebServer架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布

　　（7）丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能调节器、智能模块

二、西门子S7系列编程软件

本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-200PLC，西门子S7-200PLC采用的是Step7编程软件。

利用这两个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。

有关软件使用请参考光盘中相应的内容。

第四节实验操作规程

一、实验前的准备

实验前应复习教科书有关章节，认真阅读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。

实验前应了解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置。

以便于在实验中对它们进行操作和观察。

熟悉实验装置面板图，要求做到：

由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。

熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。

二、实验过程的基本程序

1．明确实验任务；

2．提出实验方案；

3．画实验接线图；

4．进行实验操作，做好观测和记录；

5．整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实际动手能力，要做好各主题实验，就应做到：

实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。

三、实验安全操作规程

1．实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。

2．接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。

完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。

3．在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。

4．在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。

5．实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。

6．仪表应通电预热15分钟后再进行校验。

7．小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。

第二章仪器、仪表的认识及使用实验

实验一玻璃转子流量计的认识实验及使用实验

一、实验目的

1．通过实验，了解玻璃转子流量计的工作原理。

2．掌握玻璃转子流量计的使用方法。

二、实验所需仪器设备

水泵、电动调节阀、变频器、玻璃转子流量计、调节器。

三、实验指导

玻璃转子流量计的计量原理:

流量计又称浮子流量计，是一种以优质透明有机玻璃为主体的转子流量计，主要应用于净水处理及环保工程配套，也可用于化工、石油、轻工、医药、化肥、食品、造纸及科学研究部门，用于测量液体、气体单向非脉动的流量；是变面积式流量计的一种，其是由一个锥形管和一个置于锥形管内可以上下自由移动的转子（也称浮子）构成。

转子流量计本体可以用两端法兰、螺纹或软管与测量管道连接，垂直安装在测量管道上。

当流体自下而上流入锥管时，被转子截流，这样在转子上、下游之间产生压力差，转子在压力差的作用下上升，这时作用在转子上的力有三个:

流体对转子的动压力、转子在流体中的浮力和转子自身的重力。

流量计垂直安装时，转子重心与锥管管轴会相重合，作用在转子上的三个力都沿平行于管轴。

当这三个力达到平衡时，转子就平稳地浮在锥管内某一位置上。

对于给定的转子流量计，转子大小和形状己经确定，因此它在流体中的浮力和自身重力都是已知是常量，唯有流体对浮子的动压力是随来流流速的大小而变化的。

因此当来流流速变大或变小时，转子将作向上或向下的移动，相应位置的流动截面积也发生变化，直到流速变成平衡时对应的速度，转子就在新的位置上稳定。

对于一台给定的转子流量计，转子在锥管中的位置与流体流经锥管的流量的大小成一一对应关系。

这就是转子流童计的计量原理。

转子流量计的示意图如左图所示。

四、实验内容

1．连接实验管路，水泵、电动调节阀、玻璃转子流量计、储水箱。

2．连接实验接线，智能调节器手动控制电动调节阀。

3．启动水泵，变频器以35Hz频率控制水泵。

改变调节阀开度。

读出转子流量计的度数，完成表格2.1

表2.1

1组

2组

3组

4组

5组

6组

阀的开度

流量计度数

五、实验报告：

根据实验记录表2.1，绘制流量-阀的开度曲线图。

实验二电压表、电流表的认识及使用实验

一、实验目的

1．通过实验，认识电压表、电流表。

2．掌握电压表、电流表的使用方法和场合。

二、实验所需仪器设备

加热筒、调节器、热电阻、温度变送器。

三、实验指导

1．电压表：

通常电压表可由微安表（电流表的一种）或灵敏电流计来改装。

在微安表满偏电流与内阻一定的情况下,只要串联一个足够大的电阻,则它两端所能承受的电压也将随之变大.不妨设满偏电流为I,而微安表内阻为r,而串联电阻的阻值为R,则该改装电压表的量程为I*（R+r）.R越大,量程越大.此可以当作电压表为什么要串联一个大电阻的原因之一了。

电压表工作时,是并联在待测电路或者电阻上的,这时电压表和电路两端的电压相等.如果电压表的电阻不可忽略,则电压表和待测电阻组成并联电路的总阻值为:

1/R并=1/R待测+1/R电压表。

当且只当电压表的内阻无限大的时候可以认为1/R电压表=0。

则可认为并联电路的阻值即是待测电阻的阻值,即可认为通过电压表的电流为0,认为电压表的两端不参与到电路之中的。

所以为了精准地测出电路电压,电压表必须得有极大的电阻,否则便不可忽略,测得的值便不准确。

2.电流表：

电流表内部有一永磁体，在极间产生磁场，在磁场中有一个线圈，线圈两端各有一个游丝弹簧，弹簧各连接电流表的一个接线柱，在弹簧与线圈间由一个转轴连接，在转轴相对于电流表的前端，有一个指针。

当有电流通过时，电流沿弹簧、转轴通过磁场，电流切磁感线，所以受磁场力的作用，使线圈发生偏转，带动转轴、指针偏转。

由于磁场力的大小随电流增大而增大，所以就可以通过指针的偏转程度来观察电流的大小。

这叫磁电式电流表。

四、实验内容

1．连接实验管路，给加热筒加水。

2．连接实验接线，智能调节器手动控制加热控制器。

接加热桶

3．启动开启加热电源，观察电压表、电流表,记录其度数。

完成表格2.2.

表2.2

1组

2组

3组

4组

5组

6组

控制信号

电压

电流

4．计算加热器的功率。

五、实验报告：

根据实验记录表2.2，绘制加热电压、电流与控制信号的关系曲线。

实验三流量积算仪的认识及使用实验

一、实验目的

1．通过实验，熟悉流量积算仪的工作原理。

2．掌握流量积算仪的操作和使用方法。

二、实验所需仪器设备

变频器、磁力泵、电动调节阀、智能调节器、涡轮流量计、流量积算仪。

三、实验指导

1．积算仪的主要功能：

可对质量流量自动进行积算和累积

可对标准体积流量自动进行积算和累积

可同时显示瞬时流量测量值及流量累积值（累积单位可任意设定）

可切换显示瞬时流量测量值、频率测量值

可设定流量小信号切除功能（瞬时流量小于设定值时流量不累积）

可设定流量定量控制功能（流量累积大于设定值时输出控制信号）

2.流量积算仪的主要技术参数：

输入信号模拟量输入电流：

0～10mA或4～20mA

电压：

1～5V或0～5V

脉冲量输入波形：

矩形、正弦或三角波

幅度：

大于4V

频率范围：

0～5kHz

输出信号模拟量输出0～10mA（<750Ω）4～20mA（<500Ω）

1～5V（>250Ω）0～5V（>250Ω）

开关量输出继电器控制输出（AC220V/3ADC24V/5A阻性负载）

精度测量显示精度：

±0.2％F.S±1字

四、实验内容

1．连接好实验管路，水泵、调节阀、涡轮流量计、储水箱够成回路。

2．连接实验接线，涡轮流量计的输出接流量积算仪的输入端口。

3．根据使用说明书设置参数。

4．启动水泵，改变调节阀的开度，分别记录积算仪显示的瞬时流量和累积流量，并记录改变调节阀的时间间隔，完成表格2.5画出输出流量-时间-累积流量的曲线图。

表2.5

1组

2组

3组

4组

5组

6组

瞬时流量

累积流量

调节时间

五、注意事项

涡轮流量计和流量积算仪为贵重仪器，接线正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确。

六、实验报告

根据实验记录表2.5，绘制瞬时流量-调节时间-累积流量的关系。

实验四电动调节阀的工作原理及认识实验

一、实验目的

1．通过实验，熟悉电动执行器的结构组成，了解其工作过程。

2．通过对电动执行器的测试和校验，掌握执行器的校验方法，理解其相关特性及性能指标含义。

3．通过对阀门定位器和执行器的联校，了解定位器的功能。

二、实验设备

电动调节阀、流量计、水泵、电流表、调节器。

三、实验指导

1．预备知识

（1）电动执行器的功能。

在自动控制系统中，执行器起着“手脚”的作用，它接受控制器的输出信号，改变自身开度，进而调节介质流量的大小，实现对生产过程中各种变量的控制。

（2）主要性能技术指标

基本允许误差

±4%

变差

1.0%

灵敏限

0.1%

输入信号

4～20mA

2．实验步骤

（1）连接实验管路，水泵、调节阀、流量计、储水箱构成回路。

（2）连接各仪器设备的线路。

注意电源的极性、防止短路。

（3）流量特性的测试有两种测试方法，其一手动测试。

执行器流量特性是指在阀前后压力差不变的情况下，介质流过阀门的相对流量与阀芯行程的对应关系。

测试方法是分别记录阀体在不同时开度时流量计的流量。

分别取阀体的开度为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%相对应的流量。

绘制开度-流量关系曲线，即可得到执行器的流量特性。

完成表3实验表格。

表3调节阀的特性测试数据记录

开度

5%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

输入电流

流量

（4）零点的调整。

给调节阀输入4mADC的信号，执行器刚好启动，如不符，可调节调零电位器（附加功能）。

（5）量程调整。

给调节阀输入20mADC的信号，可调节执行器的量程（附加功能）。

（6）灵敏限测试。

分别在输入信号为25%、50%、75%所对应阀的开度，增加或降低输入电流，读取流量的变化。

四、实验报告内容

1．根据实验数据记录的结果，绘制调节阀开度-流量曲线。

2．分析曲线，得出阀体的特性。

实验五涡轮流量变送器的工作原理及认识实验

一、实验目的

1．通过实验，熟悉涡轮流量流量计的结构组成，了解其工作过程，认识其结构形式。

2．通过对涡轮流量计的测试和校验，掌握流量计校验方法，理解其相关特性及性能指标含义。

3．了解涡轮流量计的基本工作原理。

二、实验所需仪器设备

变频器、磁力泵、电动调节阀、智能调节器、涡轮流量计、流量积算仪、毫安表。

三、实验指导

1．实验原理：

当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，周期性的改变电磁感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通周期性的发生变化而产生电脉冲信号。

在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。

该脉冲信号经放大器后送至二次仪表进行流量和总量的显示或积算。

2.涡轮流量计的主要技术参数：

该流量计由LWGY型涡轮流量传感器和LWGY／FI型转换器组成，能同时输出流量脉冲信号及标准直流电流信号远传给接收仪表，本流量计性能稳定可靠、精度高，耗电省，使用、操作及维修简单、方便，用途广泛，适用性强。

·技术参数：

直流电流信号：

4～20mA标准直流电流信号

输出电流基本误差限：

±0.3％F.S

输出电流信号反应时间：

≤0.5s

负载电阻：

250Ω

恒流性能：

≤±0.15％／△250Ω

额定流量：

0.3m3/h

·工作条件：

流体温度：

-20～120℃

环境温度：

-10～+60℃

相对湿度：

≤85％

供电电源：

24VDC±10％

耗电功率：

＜2W

四、实验内容

1．将涡轮流量计导线连接正确。

2．让传感器中充满介质。

3．通电预热15分钟。

4．打开水泵，改变调节阀的开度，分别记录流量转换计显示数据，记录其输出电流。

完成表格4，画出输出流量-电流曲线图。

表4流量计线性测试

流量

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

电流

五、注意事项

1．电磁流量计为贵重仪器，接线正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确。

2．将传感器前后阀门打开，让传感器测量管内冲满被测介质。

六、实验报告

根据实验记录表格4流量计线性测试，观察曲线判断流量计的线性情况。

实验六差压变送器的工作原理及认识实验

一、实验目的

1．通过实验，熟悉差压压力变送器的具体结构，巩固和加深差压变送器的工作原理及整机特性的理解。

2．了解压力变送器的安装及使用方法。

二、实验所需仪器设备

差压变送