基于智能仪表和ADAM模块的过程控制毕业论文终结版.doc

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南阳理工学院

本科生毕业设计（论文）

学院（系）：

电子与电气工程学院

专业：

自动化

学生：

指导教师：

完成日期2012年5月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

基于智能仪表和ADAM模块的过程控制

实验台设计

DesignofProcessControlExperimenttableBasedontheIntelligentInstrumentandADAMModule

总计：

25页

表格：

1个

插图：

21幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文）

基于智能仪表和ADAM模块的过程控制实验台设计

DesignofProcessControlExperimenttableBasedontheIntelligentInstrumentandADAMModule

学院（系）：

电子与电气工程学院

专业：

自动化

学生姓名：

学号：

104091020016

指导教师（职称）：

评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

基于智能仪表和ADAM模块的过程控制实验台设计

基于智能仪表和ADAM模块的过程控制实验台设计

自动化专业

[摘要]本设计用智能仪表和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，设计过程控制实验台，能够对控制对象进行单双回路过程控制。

具体包括实验台架安装设计、交直流供电设计、信号端子排设计、控制电路设计、可控硅触发电路设计、锅炉防干烧联锁设计、ADAM模块实验电路设计等。

绘制了详细的工程图和仪表数据表，可以作为自动化学科教学科研的技术资料。

[关键词]智能仪表；ADAM模块；实验台；可控硅触发器

DesignofProcessControlExperimenttableBasedontheIntelligentInstrumentandADAMModule

AutomationSpecialtyYANGang

Abstract:

Thepressure,temperature,flow,liquidlevelwillbecontrolledactingasfourparametersbyintelligentmeterandADAMmoduleinthisdesign,whichsimulateengineeringfield,thebenchaboutprocesscoercionisdesignedthatcancontrolobjectsinsingleanddoubleloop.Theinstallationanddesignofbenchshelf,AC/DCpowersupply,singnalterminalblock,controllingcircuit,SCRtriggercircuit.theheatingofboilerwithoutwaterisprevented,theexperimentcircuitofADAMmodulearedesignedinthisdesign.wedrawdetailedengineeringdrawingandtableofmeterwhichareactedastechnicalinformationofautomationdisciplinetoteachingandsicenceresearch.

Keywords:

Intelligentinstrument;ADAMmodule;bench;scrtriggers

目录

1引言 1

1.1本课题在国内（外）的研究现状综述 1

1.2本课题预期实现的目标可行性分析 1

2主要设备的简介 2

2.1智能仪表的简介 2

2.1.1型号定义 2

2.1.2技术规格 4

2.1.3仪表接线 4

2.1.4面板说明 5

2.2ADAM模块的简介 6

2.3西门子变频器MM440 6

2.4空气开关及线径的选择 7

3实验台设计 9

3.1实验台架安装设计 9

3.2信号端子排的设计 12

3.3交直流供电设计 14

3.4可控硅触发电路设计 15

3.5锅炉防干烧联锁设计 17

3.6ADAM模块实验电路设计 18

3.7控制电路设计 19

4设备明细表 21

结束语 23

参考文献 24

致谢 25

II

1引言

1.1本课题在国内（外）的研究现状综述

过程控制通常是指石油，化工，电力，冶金，轻工，建材，核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产工程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。

ADAM模块是一种内置微处理器的智能传感器借口模块，提供信号调节、隔离、搜索、A/D、D/A、DI、DO、数据比较和数据处理。

智能仪表广泛应用于各类热轧机、电热器、电烘箱、烘房、烫光等电加热设备的升温、恒温、自动控温以及使用这类设备的生产线上。

控制方式灵活，手动自动转换方便，控温精度高。

智能调功器主要采用智能仪表AI-808、晶闸管模块、触发器、快熔等组成。

该系统主要采用无触点化，使得抗震、抗腐、抗干扰能力大大增强，具有高度的稳定可靠性，体积小，安装维修方便，是热处理、化工、轻纺、食品、汽车、电子等行业设备更新换代的新一代温度控制装置。

1.2本课题预期实现的目标可行性分析

本研究将在智能仪表和ADAM模块的过程控制实验装置设计——实验台设计上研究以温度、流量、液位等参数为控制对象的过程控制技术。

在实验室中“孝”字号过程控制实验装置具有压力、液位、流量、温度等过程控制对象。

ADAM模块作为控制平台的前后向数据通道，可以采集电压、电流等模拟量输入信号，也是一种内置微处理器的智能的传感器接口模块，提供信号调节、隔离、搜索、A/D、D/A、DI、DO、数据比较和数据通讯。

智能仪表AI-808温度调节控制仪采用嵌入式系统，内嵌式PID自整定功能，根据要求可设定升温还是降温控制。

根据现场温度传感器的不同类型，可自由设置其类型（接入热电偶、热电阻和线性电压、线性电流等），并可自由设置为0—10V，1—10mA，4—20mA标准输出控制信号。

其输出功率与控制电压或电流成正比。

调节方式：

可采用位式调节方式或采用AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的控制算法，既可闭环控制也可开环使用，手动调节给定电位器，达到控温的目的。

AI-808人工智能仪表具有分段功率限制和程序编排及多曲线程序的编排方法，增加通讯模块可与上位机通讯组成通讯网络可对多台温控制柜进行数据采集及控制，同时可根据生产需要选择不同的安装模块[1]。

以温度、压力、流量、液位四大参数为控制对象的过程控制技术是自动化技术的主要方面。

运用计算机、智能仪表、ADAM模块、传感器、流量调节阀等组成控制系统，对模拟工业对象的过程控制实验装置进行控制是接近工程实际的自动化技术学习载体。

2主要设备的简介

2.1智能仪表的简介

2.1.1型号定义

AI系列仪表硬件采用了先进的模块化设计，具备5个功能模块插座：

辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯。

模块可以与仪表一起购买也可以分别购买，自由组合。

仪表的输入方式可自由设置为常用各种热电偶、热电阻和线性电压（电流）。

AI系列人工智能调节仪表共由8部分组成，例如：

AI－808ANX3L5NS4—24VDC

①②③④⑤⑥⑦⑧

这表示一台仪表：

①基本功能为AI-808型；②面板尺寸为A型（96×96mm）；③辅助输入（MIO）没有安装模块；④主输出（OUTP）安装X3线性电流输出模块；⑤报警（ALM）安装L5双路继电器触点输出模块；⑥辅助输出（AUX）没有安装模块；⑦通讯（COMM）装有自带隔离电源的光电隔离型RS485通讯接口S4；⑧仪表供电电源为24VDC电源。

仪表型号中8个部分的含义如下：

①表示仪表基本功能。

②表示仪表面板尺寸规格。

A（A2带25段4级亮度光柱）面板96×96mm，开口92×92mm，插入深度为100mm；B面板160×80mm（宽×高），横式，开口152×76mm，插入深度为100mm；C（C3带50段2级亮度光柱）面板80×160mm（宽×高），竖式，开口76×152mm，插入深度为100mm；D面板72×72mm，开口68×68mm，插入深度为95mm；E面板48×96mm（宽×高），开口45×92mm，插入深度为100mm；E5无显示面板，采用DIN导轨安装方式，48×96×110mm（宽×高×深）；F面板96×48mm（宽×高），开口92×45mm，插入深度为100mm。

③表示仪表辅助输入（MIO）安装的模块，N表示没有安装，下同；I4可扩充0～20mA或4～20mA电流信号输入，并且内置24VDC电源输出，可直接连接二线制变送器；I5开关量输入模块，可在外部连接一开关，开关断开时给定值SV=SP1，开关闭合时SV=SP2；V24／12／V10／U5分别为24V、12V、10V及5VDC电源输出模块，最大电流50mA，可供外部传感器等使用。

④表示仪表主输出（OUTP）安装的模块，用于仪表调节输出或SV/PV的变送输出；L1单路继电器输出模块，250VAC/2A，采用优质国产继电器；L2小体积单路继电器输出模块，250VAC/1A，采用进口品牌继电器；L4单路继电器输出模块，250VAC/2A，采用进口品牌继电器；L5双路进口品牌继电器常开触点输出模块，OP1及OP2分别控制阀门电机的正/反转；K1“烧不坏”单路可控硅过零触发输出模块，可触发5～500A双向或二个反并联的单向可控硅；K3“烧不坏”三路可控硅过零触发输出模块，每路可触发5～500A双向或二个反并联的单向可控硅；K5“烧不坏”单路可控硅移相触发输出模块，适合200～240VAC电网；K6“烧不坏”单相可控硅移相触发输出模块，适合340～415VAC电网范围使用；X3光电隔离型线性电流输出模块，支持0～20mA及4～20mA输出，占用仪表内部12VDC电源；X5自带隔离电源的光电隔离型线性电流输出模块，支持0～20mA及4～20mA输出，不占用仪表内部12VDC电源；W1可控硅无触点常开式开关输出模块，容量为100～240VAC/0.2A，具备“烧不坏”特点；W2可控硅无触点常闭式开关输出模块，容量为100～240VAC/0.2A，具备“烧不坏”特点；G固态继电器（SSR）电压输出模块，规格为12VDC/30mA[2]。

⑤表示仪表报警（ALM）安装的模块（用于仪表AL1及AL2报警输出）。

L1／L2／L4单路继电器输出模块，可支持AL1一路报警；L5双路继电器常开触点输出模块，支持AL1及AL2二路报警。

⑥表示仪表辅助输出（AUX）安装的模块（用于仪表AU1、AU2报警或调节辅助输出）。

L1／L2／L4单路继电器输出模块，可支持AU1一路报警或作为加热/冷却输出的辅助输出；L5双路继电器常开触点输出模块，支持AU1及AU2二路报警；G固态继电器（SSR）电压输出模块，规格为12VDC/30mA；W1可控硅无触点常开式开关输出模块，容量为100～240VAC/0.2A，具备“烧不坏”特点；K1“烧不坏”单路可控硅过零触发输出模块，可触发5～500A双向或二个反并联的单向可控硅；X3光电隔离型线性电流输出模块，支持0～20mA及4～20mA输出，占用仪表内部12VDC电源；X5自带隔离电源的光电隔离型线性电流输出模块，支持0～20mA及4～20mA输出，不占用仪表内部12VDC电源；R光电隔离的RS232C通讯接口，使用仪表内部12VDC电源。

⑦表示仪表通讯（COMM）安装的模块。

X3光电隔离型线性电流输出模块，支持变送输出，占用仪表内部12VDC电源；X5自带隔离电源的光电隔离型线性电流输出模块，支持变送输出，不占用仪表内部12VDC电源；S光电隔离的RS485通讯模块，使用仪表内部12VDC电源；光电隔离的RS485通讯接口，自带隔离DC/DC电源转换器，不占用仪表内部电源。

⑧表示仪表供电电源：

不写表示使用100～240VAC电源，24VDC表示使用20-32VDC或AC电源。

注1：

K3模块需要占用OUTP及MIO供2个模块插座位置，OUTP选择安装K3后，MIO位置不能再安装模块。

此时若需要给定值切换功能，可将I5模块安装在COMM位置并设置Baud参数为1，可替换MIO实现该功能[3]。

注2：

V24、V10、V12及U5等电源输出类模块通常为外部的传感器、变送器反馈电阻提供电源，除D2尺寸仪表无法安装这种模块外，这种模块可安装在任何模块插座上，但为使接线规范，建议依据模块位置是否空闲依序安装在MIO、AUX和COMM的位置上。

2.1.2技术规格

（1）输入规格（一台仪表即可兼容）：

热电偶：

K、S、R、T、E、J、B、N、WRe3-WRe25、WRe5-WRe26；热电阻：

Cu50、Pt100，线性电压：

0～5V、1～5V、0～1V、0～100mV、0～60mV、0～20mV等；0～10V（需在MIO位置安装I31模块）；线性电流（需外接精密电阻分流或在MIO位置安装I4模块）：

0～20mA、4～20mA等；线性电阻：

0～80欧、0～400欧（可用于测量远传电阻压力表）。

（2）测量范围：

K（-100～+1300℃）、S（0～1700℃）、R（0～1700℃）、T（-200～+390℃）、E（0～1000℃）、J（0～1200℃）B（600～1800℃）、N（0～1300℃）、WRe3-WRe25（0～2300℃）、WRe5-WRe26（0～2300℃）Cu50（-50～+150℃）、Pt100（-200～+800℃）；线性输入：

-9990～+30000由用户定义；（3）测量精度：

0.2级（0.2%FS±0.1℃）。

（4）分辨率：

0.1℃（当测量温度大于999.9℃时自动转换为按1℃显示），可选择按1℃显示。

（5）温度漂移：

≤0.01%FS/℃（典型值约50ppm/℃）。

（6）响应时间：

≤0.3秒（设置数字滤波参数dL=0时）。

（7）调节方式：

位式调节方式（回差可调）；AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。

（8）输出规格（模块化）：

继电器触点开关输出（常开+常闭）：

250VAC/1A或30VDC/1A；可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：

100～240VAC/0.2A（持续），2A（20mS瞬时，重复周期大于5S）；SSR电压输出：

12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器）；可控硅触发输出：

可触发5～500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块；线性电流输出：

0～10mA或4～20mA可定义（安装X模块时输出电压≥10.5V；X4模块输出电压≥7V）。

（9）电磁兼容：

IEC61000-4-4（电快速瞬变脉冲群），±4KV/5KHz；IEC61000-4-5（浪涌），4KV。

（10）隔离耐压：

电源端、继电器触点及信号端相互之间≥2300VDC；相互隔离的弱电信号端之间≥600VDC。

（11）电源：

100～240VAC，-15%，+10%/50～60Hz；或24VDC/AC，-15%，+10%。

（12）电源消耗：

≤5W。

（13）使用环境：

温度-10～+60℃；湿度≤90%RH。

2.1.3仪表接线

D型面板仪表（72mmX72mm）接线图如下[1]：

注1：

线性电压量程在1V以下的由13、12端输入，0～5V及1～5V的信号由11、12端输入。

注2：

4～20mA线性电流输入可用250欧电阻变为1～5V电压信号，然后从11、12端输入。

注3：

COMM位置安装S或S4通讯接口模块时用于通讯；安装继电器/无触点开关/SSR电压输出模块时用于AL1报警输出；安装I5模块并将Baud参数设置为1，则可虚拟MIO模块开关量输入功能，在3、4端外接的开关实现SV1/SV2切换。

其仪表接线如下图1所示。

图1D型面板仪表（72mmX72mm）接线图

2.1.4面板说明

面板如下图：

①上显示窗②下显示窗③设置键④数据移位（兼手动/自动切换）⑤数据减少键⑥数据增加键⑦10个LED指示灯，其中MAN灯灭表示自控制状态，亮表示手动输出状态；PRG表示仪表处于程序控制状态；M2、OP1、OP2、AL1、AL2、AU1、AU2等分别对应模块输入输出动作；COM灯亮表示正与上位机进行通讯。

其面板如下图2所示。

图2面板图

2.2ADAM模块的简介

ADAM模块我们选择研华RS-485I/O模块（ADAM-4000和ADAM-5000/485系列）各个模块简介如下：

ADAM-4017是16位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,另外ADAM-4017还支持6路差分，2路单端信号，输入范围+/-150mV，+/-500mV，+/-1V，+/-5V，+/-10V，+/-20mA。

如果测试电流信号，需在该通道的输入端口并联一125欧姆的精密电阻[4]。

ADAM-4021是1路模拟量输出通道，分辨率为12位，输出范围0-20mA，4-20mA，0-10V。

作为模拟量输出模块，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。

ADAM-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115.2Kbps[5]。

2.3西门子变频器MM440

MICROMASTER440属于通用型变频器，驱动功率配比范围0.12kW/250kW，完全可以驱动0.5hp的磁力驱动泵。

输入电源为三相交流电，输出直接供给电机，接法均为三相四线制，动力电有一定的危险性，接线端子务必密封性良好，以防触电事故的发生。

它具有过流、欠压等跳闸保护，并有指示灯显示其工作状态或故障类型。

它的控制输入为智能仪表提供的4～20mA电流信号，其输出为0～380VAC送给磁力驱动泵[6-7]。

其实际接线如下：

模拟量输入：

选用端子（3）“ADC1+”和端子（4）“ADC1-”向变频器传送信号。

数字量输入：

用5，7，9三个端子输，5、9两端子用作电机开关，用来控制电机的启动。

而7、9两端子表示电机的复位作用[8]。

其变频器接线图如图3所示。

图3仪表输出控制变频器的模拟量信号接线图

2.4空气开关及线径的选择

空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制多种保护功能于一身。

空气开关也就是断路器，在电路中作接通、分断和承载额定工作电流，并能在线路和电动机发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护。

断路器的动、静触头及触杆设计成平行状，利用短路产生的电动斥力使动、静触头断开，分断能力高，限流特性强[9]。

目前家庭常使用DZ系列的空气开关，主要型号有：

C16、C25、C32、C40、C60、C80、C100、C120等。

工业上常见的型号有，DW和DZ型，20，32，50，63，80，100，125，160，250等。

下图4为DZ47型空气开关。

图4空气开关

空气开关是用来保护电线及防止火灾，所以要根据电线的大小选配而不是根据电器功率的大小选配的。

如果空气开关选用太大，就不能保护电线，当电线超载，空气开关仍不会跳，就会为家庭安全带来隐患。

所以应该先检查电线的大小，如果电线允许更大的空气开关，则可以换大一点的空气开关。

1.5平方线配C10的开关，2.5平方线配C16或20的开关，4平方线配C25的开关，六平方线配C32的开关。

如果电线太小，应该给大功率用电器配专用线[7]。

一般铜线如何选择，需要根据导线截面积与电流的关系进行计算，安全计算方法是：

2.5平方毫米铜电源线的安全载流量－－28A。

4平方毫米铜电源线的安全载流量－－35A。

6平方毫米铜电源线的安全载流量－－48A。

10平方毫米铜电源线的安全载流量－－65A。

16平方毫米铜电源线的安全载流量－－91A。

25平方毫米铜电源线的安全载流量－－120A。

经过对负载电流的计算，并根据线径安全计算方法，我们选择的线径分别为6㎡、6㎡、6㎡、4㎡（毫米）对应的空气开关分别为C32、C32、C32、C25。

能够满足用电器的需要。

3实验台设计

3.1实验台架安装设计

本实验台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。

本实验台由基座和控制面板两大部分组成。

基座有三角钢通过人工截取和固定组建而成，主要为控制台提供支撑。

具体形状为一个长方体，长、宽、高，分别为100cm、50cm、150cm。

上面固定一块等大的PV塑料板。

控制面板由PV塑料板通过三角钢固定竖立在控制台正中间。

控制面板长、宽，分别为100cm、50cm。

各种设备安装在控制面板正面，配电线路以及端子排一律安装在控制面板后面，此举既能方便操作，又能有效的保护人身安全，符合工业现场设计规则。

为完成控制要求本实验台主要选用的设备有智能仪表、ADAM模块、变频器、可控硅触发器、空开开关、按钮等。

具体安装位置为，左上方是防干烧连锁所用的智能仪表LISA-301，智能LISA-301的右侧是变频器MMV440，变频器的下方是两个开关按钮，分别是变频器启动和复位开关按钮，变频器的右侧是依次是4个智能仪表（PIC101、TIC101、XIC101、FIT101），其中智能仪表XIC101、FIT101下方分别是XIC102、FIT102，他们分别控制着压力、温度、液位、流量等参数的实验对象；在智能TIC101的下方是可控硅触发器，它和智能仪表TIC101、LISA-301共同组成温度控制实验。

面板的右下方安装ADAM模块的启动按钮和ADAM模块，左下方安装空气开关和开关指示灯。

一共有四个空气开关，从左到右分别命名为一号、二号、三号、四号。

其中一号开关控制变频器，二号开关控制仪表PIC101、TIC1