常规量检测与控制工程专业综合实验设计

需图纸找百度Q名

目 录

1 前言 1 2 国内外发展概况及现状 2 3总体方案设计 5 3.1 实验装置介绍 5 3.2 单回路反馈控制电路基本原理 5 3.3 工艺方案的拟定 6 3.4 CKP磨液压系统的分析 8 4 实验装置的工艺部分设计及设备选型 10 4.1水泵的选择 10 4.2水管的选择 11 4.3水龙头的选择 12 4.4流量计的选择 12 4.5各种按钮的选择 12 4.6接触器的选择 12 4.7 继电器的选择 13 4.8 熔断器的选择 13 4.9 传感器的选择 13 4.10 电动执行器的选择 14 4.11 CPU的选择 15 4.12如何根据控制要求选择PLC机型 16 4.13 选择单片机的理由 17 5 设计计算 20 5.1 水槽尺寸计算 20 5.2 框架的材料选择及尺寸的确定 20 5.3 通过计算选择各种电器元件 21 6 结论 22 参考文献 23 致谢 24 程序清单 25 (一) 磨机与辅机控制程序清单 25 (二) 液位与温度等控制程序清单 29 附录 30

1

需图纸找百度Q名

1前言

本实验装置为常规量检测与控制的实验装置，它可以进行流量、液位、温度、压力的检测与控制 。为了体现专业特色本课题对CAM3225磨也进行控制。本次课程设计大致可分为两块：其一、实验装置的工艺部分的设计及选型部分如泵、阀、液微计等的选型，我们都采用标准件，因这是实验装置所以要求所选的装置都要尽量符合本实验装置的需要并配备齐全，为不久的将来能做出次实验装置做准备。其二、实验装置的控制电路设计及软件程序的设计。

本课题来源于学校综合实验台，其方案流程是用差压变送器测量水槽液位，将测量值与给定值进行比较得到偏差，调节器按次偏差发出控制命令，控制调节阀开度，达到使水槽液位控制在给定值上的目的。为了体现专业特色,又增加了对立磨的控制,立式磨的控制设计的方案流程主要是：物料由料仓经喂料机送给CKP磨，经过CKP磨磨出来的粗粉再次被送入磨内进行研磨，细粉被送出，送出的细粉被送到皮带称上，经过皮带称称重后，得到细粉的重量，这个数据被送入放大器、积分器运算后得到的数据与预先存储的数据进行比较来控制进料量的多少。另外，磨辊上的力是通过液压系统来控制的，而液压系统也是由电路控制的。

因在工业生产中，有很多像过热蒸汽的温度控制、污水废液的酸碱度中和处理和贮藏液位控制等需要为学生提供一个研究次项目的实验平台，而设计了这个适用的液位平衡控制系统实验装置。而CKP预粉磨系统的突出特点是产量高、能耗小、工作性能稳定。在生粉磨方面立磨和传统球磨机已经平分秋色，各占一半左右。但是在选用的立磨之中，目前约80%是进口的，而在进口立磨之中，丹麦史密斯公司的ATOX型立磨则占有70%以上的份额。预计到2005年我国水泥工业2000/d,以上生产线选用生料立磨的比例将上升到70%左右，其中国产立磨的份额也将增至20%以上。另外，在水泥和煤的粉磨中，随着人们认知水平的提高，立磨的选用率必将有相应的增长，特别是立式煤磨，已有基本适用的国产设备，尤应采取积极态度，认真推广选用之。

本课题的基本条件是单回路液位控制系统方块图，其技术要求是工艺部分都用标准件、在控制部分要求用单片微机控制来设计电路编写一套程序.实验装置的工艺部分的设计及选型、实验装置的控制电路设计及软件程序的设计是要解决的主要问题。

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

2

需图纸找百度Q名

2 国内外发展概况及现状

进入新世纪以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、促进环境卫生等方面起着越来越大的作用。过程控制的发展与控制理论、仪表、计算机以及有关学科的发展紧密相关的，过程控制的发展大体上可以分为下表2－1所示的三个发展阶段。70年代以前可以看作是第一阶段。

这一时期应属于自动化孤岛模式的阶段，其控制目标只能保证生产平稳和少出

事故。70～80年代是发展的第二阶段，分布式工业控制计算机系统（DCS）的出现为是先进控制创造了条件，多变量预测控制等先进控制方法的应用，使控制达到了新的水平，在实现优质、高产、低消耗的控制目标控制目标方面前进了一大步，值得指出的是在70年代中期，出现了现代控制理论是否适用于过程控制的困惑，这迫使人们去研究生产过程的特点与难点，以缩小理论与应用之间的鸿沟。80年代后期，工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，人工智能和智能控制受到人们的普遍关注，信号处理技术、数据库、通讯技术以及计算机网络的发展为实现高水平的自动控制提供了强有力的技术工具。过程控制开始突破自动化孤岛传统模式，采用CIM的思想和方法来组织、管理和指挥整个生产过程，出现了集控制、优化、调度、管理于一体的新模式。在连续工业中，也将这种模式称为综合自动化或CIPS（computer integrated processing systems）.可以看到，过程控制在这阶段的目标已从保持平稳和少出事故转向提高产品质量、降耗节能、降低成本、减少污染，并最终以效益为驱动力来重新组织整个生产系统，最大限度地满足动态多变市场的需求，提高产品的市场竞争力。

当前过程控制正处于第三个发展阶段，并以前所未有的速度和规模飞速前进。

3

需图纸找百度Q名

综观这一时期，可以归纳为如下三个主要特点。

a. 简单控制向先进控制发展

早期的控制受经典控制理论和常规仪表的限制，难以处理工业过程中存在的复杂性、耦合性、非线性等，只能按某种原则将复杂系统分解成若干相对独立的单变量系统。这种简单控制是一种分散自治控制。随着企业提出的高效益、高柔性的要求，上述控制方式已不能适应，先进控制便应运而生，先进过程控制（ advanced process control ）是指一类在动态环境中，基于数学模型，借助充分的计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。这种新的控制策略实施后，系统运行在最佳工况，达到所谓的 “卡边控制”。据资料报道，一个乙烯装置投资163万美元实施先进控制，完成后预期可获得效益600万美元/年。目前，国内许多大企业均纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。

b. 封闭的分布式计算机控制系统转向具有国际统一标准的开放式系统 1975年Honeywell公司推出第一台分布式计算机控制系统（DCS），实现了分散、监控视集中的功能，提高了系统的可靠性和灵活性，为连续工业自动化建立了丰功伟绩。但是DCS的一个致命弱点就是封闭性。随着综合自动化的潮流和计算机科学与技术的发展，Fisher-Rosemount,Honeywell等欧美十余家公司经过激烈的竞争，最后终于连手，将共同推出一种国际标准的现场总线（fieldbus）控制系统，它被公认为具有时代特点的新一代分布式计算机控制系统，它的出现标志着控制工具的又一次重大变。它的主要特点为：开放性、只能化现场仪表、数字信号传输、彻底分散性。

c. 单一控制系统向综合自动化系统发展 本质上讲，工业企业自动化在90年代以前仍是自动化孤岛模式。进入90年代，国内外企业界在国际市场剧烈竞争的刺激下，已把注意力转移到节能降耗、少投入多产出的高效生产模式上。企业开始把提高综合自动化水平作为快速挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前自动化发展的趋势。

有一种炼油厂的综合自动化模式。在整个系统中，信息是由底层不断经过加工处理向上层传递，而各种指令也由最高层逐级分解，以指令形式向下层传递。每个层次的运行周期不等，从底层向上，以秒、分、时、日、旬，乃至月、季来计算。这种递阶系统，把全厂各层控制功能与企业管理相结合，实现从原料进厂到产品出厂的全部控制与分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成，进而实现充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统（ humanware ）的集成，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能生产系统。这就是CIM思想在连续工业中的体现。

据报道，国外目前约有100个炼油厂和化工厂企业在建立一体化信息系统，在欧洲有13家炼油厂、北美至少有15家炼油厂、远东和澳洲有14家炼油厂正在实施CIM计划。她们的基本思想都是集控制、优化、生产调度、计划排产和优化决策于一体，以达到节能降耗、提高产量和质量、增加产品市场竞争能力的最终目标。有关

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

4

需图纸找百度Q名

统计资料也已经表明了综合自动化的重要作用。我国在连续工业方面，自1990年开始，已进行了一些综合自动化试点。近年来，连续工业CIM已列入国家科委863CIMS典型应用工程和国家计委“八五”、“九五”攻关任务。可以预料，综合自动化的实施和发展将给国民经济建设带来巨大的经济效益和社会效益，是一个十分诱人的发展方向。实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有着十分重要的意义。

当前，一项在今后几年内可能大大改变过程控制系统面貌的新技术－现场总线正处于迅速发展中。这是用于现场仪表与控制室之间的全数字化、双向、多站的通迅系统。通迅总线地直延伸到现场仪表，使得许多现场仪表可以在同一总线上进行双向多信息数字通信。现场总线用全数字化、双向、多站的通迅方式来替代目前使用的4－20ma单变量单向模拟传输方工式。随着这一技术的不断完善，一种更高层次的自控技术－工业现场网络也将逐步应用于工厂或工艺流程的过程控制系统。

就目前该课程的教学来看，大部分内容还处在80 年代以前的水平，严重地落后于当代过程控制技术发展的现状，另外我国的工业过程控制仍处在经典过程控制和程序化、数字化的数字处理技术并存的局面，过程控制装置及仪表工业还处于较落后状态，且与世界先进水平的差距越来越大。为能访问到所有现场设备的信息，而不一定要到集中的控制室才能获得。工业现场网络包括三个组成部分，即符合现场总线标准的智能现场设备、规格可变的控制的管理技术水平台以及集成的模块化软件。可以用工业现场网络结构装备整个工厂，也可从一台设备或几个回路开始，然后再方便地扩充规模。容易想象，未来的控制系统，是用控制器用户操作站、PL和软件将所有现场设备的功能更方便地集成在一起的控制系统。

实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有十分重要的意义。

5

需图纸找百度Q名

3 总体方案设计

3.1 实验装置介绍

控制技术基本实验装置为液位自控实验装置，它可以进行压力、温度、流量、液位等多种控制系统内容的实验。今后的控制系统实验都将在实验装置进行。

实验将工艺装置部分的测量信号直接送到计算机的信号调理板，仪表的电源、D/A、计算机电源、水泵的按钮开关、信号灯等设备，组装成一个电控箱，该电控箱安装在工艺装置部分中部。

图3-1 实验装置工艺流程图

图3-1中有三只水槽。其中槽1、槽2为被控对象。它们的液位高度L1及L2分别通过两台差压变送器测出，槽3为储槽，是为了构成水的循环而设置的。储槽3中的水通过水泵1或2抽出，经孔板和控制阀后送入槽1或2（视手动阀1.2.3.4的开闭而定），两路水管中的水流量大小分别通过各自的变压器（与孔板配合）回到储槽3中，这样对水来说始终处于循环状态。

本实验装置除比值实验外，一般情况下，所在的管道为主物料管道，F2管线则专供作为加干扰用。

3.2 单回路反馈控制电路基本原理

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

6

需图纸找百度Q名

图3-2 控制系统方块图

本实验装置中的液位控制系统为单回路控制系统。该系统方块图如3-2所示： 单回路控制系统是指只有一个测量变送器；一个调节器；一个调节阀连同被控过程。对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统。由于单回路控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足一般工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯时延和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控质量要求不太高的场合。单回路控制系统虽然简单，但是，它的分析、设计方法是其他各类复杂控制系统分析、设计的基础。所以，掌握了单回路控制系统的分析和设计方法，就不难设计其他更为复杂的过程控制系统。 3.3 工艺方案的拟定

3.3.1 实验装置的工艺部分设计方案

根据实验装置的需要选择水泵、水管、水龙头、电动执行器，根据水泵的流量特性选选择水槽的材料和尺寸，再根据水槽的尺寸选择传感器的类型和尺寸和液位计，估算控制柜的尺寸，再综合各个元件大体定整体框架尺寸。最后设计控制箱。 磨的部分：物料由料仓经喂料机送给CKP磨，经过CKP磨磨出来的粗粉再次被送入磨内进行研磨，细粉被送出，送出的细粉被送到皮带称上，经过皮带称称重后，得到细粉的重量，这个数据被送入放大器、积分器运算后得到的数据与预先存储的数据进行比较来控制接触器CR的动作以实现整个电路的控制。另外，磨辊上的力是通过液压系统来控制的，而液压系统也是由电路控制的。关键是设计的整个系统是用接触继电器控制了还是用PLC控制了，前者控制线路复杂，价格比较便宜，但控制不够稳定，后者是现在工业生产上正在使用的控制元件，控制精度高，性能稳定，使用寿命长，但价钱比较贵考虑了方方面面，我决选定用PLC控制系统。 3.3.2 实验装置的控制部分设计方案

磨机的主轴转动由电机M1拖动，磨机主轴转动不需要正反转控制。但电机M1的功率很大由于磨盘需承受很大的压力，压力大了，电机的工作电流也会增大，所以要防止电机烧坏，在电路中加入过电流继电 ；另外，主电机的运转要考虑的另一个大的问题，这么大的电机的启动电流很大，所以要用减压启动回路。在粉磨过程中要考虑的问题，防止一些坚硬的异物进入磨内，如有这种现象出现，应使主电机M1立即停止转动，而且压力立即降低，以免伤到整个磨机系统。磨盘的转动是Y180M-2,Y系列（IP44）封闭式三相异步电机带动的，我这里采用的星型—三角形减压起动，这种方式的起动电流只有 正常工作的1/3扭矩是正常工作时的1/3，能够很好的

7

需图纸找百度Q名

保护电路。入磨输送部分主要应考虑选哪种方式给磨机喂料，考虑到产量和磨机的效率，还有成本费用，所以用电子皮带称给它喂料，通过电子皮带称上的喂料机的控制压力。

液压系统的继电接触控制是立磨系统中的一全重要部分，只能对液压系统如何对磨盘进行压力控制的还有其它一些辅助功能。液压系统中的液压泵是由电动机带动，直接全压起动。当电动机带动液压泵时该系统向液压缸供油，随着时间的延长，缸里压力越来越大，加在磨盘上的力也越来越大，二个缸的动作基本一致的，当缸内压力达到压力继电器的上限时，主液压泵供油结束Y12-，换向阀6处于中位，二位二通电磁换向阀 Y14+、Y15+使系统保压，但由于实际情况中，系统中的任何液压元件都要有泄漏，使系统中的压力逐渐下降，当下降到压力继电器下限时，泵8、9又都开始工作，使系统中的压恢复，当达到压力继电器的上限时，泵8、9都停止工作，就这样循环的为缸保压，它们的电机都用全压启动，用熔断器、热继电器对电路保护。

电气控制箱置于专门的操作室。民器板与控制板之间，以及电控箱与执行系统之间的连接，采用接线板进出线方式。

根据实验需要初步选择单片机、键盘、显示器、A/D转换器、D/A转换器、放大电路的选择，画出电路图，在编写程序，最后上机调试。

其控制思路为：打开水泵、水龙头1及水龙头3。将液位变送器测量的液位经A/D转换送入单片机控制系统。将此信号与键盘设定值进行比较。单片机控制系统输出差值信号，经D/A转换、电压/电流转换后控制电动执行器的开闭，从而实现液位的平衡。

电机、电器的绝缘，导线的绝缘损坏或线路发生故障时，都可能造成短路事故。很大的短路电流和电动力可能使电器设备损坏或发生更严重的后果，因此要求一旦发生短路故障时，控制线路能迅速地切除电源的 保护叫短路保护。常用的短路保护元件有熔断器和短路器等。其保护原理及保护元件的选择方法、短路器的整定要求。

电动机长期超载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时还会使电动机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护元件是热继电器。由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬间动作，所以在使用热继电器作过载保护的同时，还必须有短路保护。作短路保护的熔断器熔体的额定电流不能大于4倍热继电器发热元件的额定电流。

过电流保护广泛用于直流电动机或绕线转子异步电动机。对于三相笼型异步电动机，由于其短时过电流不会产生严重的后果，故可不设置过电流保护。过电流电流保护往往由于不正确的起动和过大的负载引起的，一般比短路电流要小，在电动机运行中产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转动的重复短时工作制电动机更是如此。直流电动机和绕线转子异步电动机控制线路中，过电流继电器也起着短路保护的作用，一般过电流的动作值为起动电流的1.2倍。

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

8

需图纸找百度Q名

必须强调指出，短路、过载、过电流保护虽然都是电流型保护，但由于故障电流、动作值以及保护特性、保护要求以及使用元件的不同，它们是不能互相取代的。

3.4 CKP磨液压系统的分析

调压回路的功用在于调定或限制液压系统的最高工作压力，或者使执行机构在工作过程不同阶段实现多级压力变换。一般由溢流阀来实现这一功能。

如图3－2为最基本的调压回路。当改变节流阀2的开口来调节液压缸速度时，溢流阀1始终开启溢流，使系统工作压力稳定在溢流阀1调定压力

附近，溢流阀1作定压阀用。若系统中无节流阀，溢流阀1则作安全阀用，当系统工作压力达到或超过溢流阀调定压力时，溢流阀开启，对系统起安全保护作用。如果在先导型溢流阀1的遥控口上接一远程调压阀3，则系统压力可由阀3远程调节控制。

主溢流阀的调定压力必须大于远程调压阀的调定 图3-2 调压回路 压力。在CKP磨的液压系统中没有节流阀，溢流 阀只是起安全保护作用。

卸载回路是在系统执行元件短时间不工作时，

不频繁启停驱动泵的原动机，而使泵在很小的输出功率下运转的回路。因为泵的输出功率等于压力和流量的乘积，因此卸载的方法有两种，一种是将泵的出口直接接回油箱，泵在零压或接近零压下工作，一种是使泵在零流量或接近零流量下工作。前者称为压力卸载，后者称为流量卸载。当然，流量卸载仅适合于变量泵。定量泵可借助M型、H型或K型换向阀中位机能来实现泵降压卸载，如图3－3。因回路需保持一定控制压力以操纵液动元件，

在回油路上应安装背压阀a。该液压回路是用在主回路 图3-3 卸载回路 中，对整个系统起卸载作用。

右图3－4中的是采用二位二通电磁阀控制先导行溢流阀

的卸载回路。当先导型溢流阀1的遥控口通过二位二通电磁阀2接通油箱时，泵输出的油液以很低的压力经溢流阀回油箱，实现卸载。为防止卸载或升压时产生压力冲击，在溢流阀遥控口与电磁阀之间可设置阻尼b。这个回路的应用主要考虑保压和停止工作时设计的，

当系统处于保压

9

需图纸找百度Q名

时，电磁铁失电，油路截至；当液压缸不工作时，这时活塞杆要退回，换向阀电磁铁得电，油液可以从该回路流油 图3-4 电磁阀 箱。

这里我要介绍的是保压回路，这个回路在我的设计系 统中起着很重要的作用，在我的设计系统中它是我的整个液压系统的主干回路我只介绍我用到的自动补油保压回路。

右图3－5中在回路中增设了一台小流量高压泵5。当液压缸加压完毕要求保压时，有压力继电器4发讯，换向阀2处于中位，主泵1卸载；同时二位二通换向阀8处于左位，由辅助泵5向封闭的保压

系统a点供油，维持系统压力稳定。由于辅助泵只需补偿系统的泄露量，可选用小流量泵，功率损失小。压力稳定性取决于溢流阀7的稳定性能。CKP磨的液压系统中主要采用类是该回路的思想，用小流

量高压泵5来保压。

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

10

图3-5 卸载回路

需图纸找百度Q名

此处省略 NNNNN

NNNNNNN NNNN NNN NN 字

图

4.11 CPU的选择

因为选择单片机来实现这次实验装置的自动控制，所以选择芯片很重要。 这里选择的是51系列的CPU 51子系列的主要功能有：8位CPU；片内带振荡器，振荡频率范围为1.2-12MHz；可有时钟输出；128个字节的片内程序存储器（8031无）；趁许存储器的寻址范围为64K字节；21个字节专用寄存器；4个8位并行I/O接口，可多机通信；2个16位定时器/计数器；中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级；111条指令，含乘法指令和出发指令；有强的位寻址、位处理能力；片内采用但总线结构；用单一+5V电源。

52子系列单片机与51子系列单片机的不同在于：片内数据存储器增至256个字节；片内程序存储器增至8KB（8032无）；有3个16位定时器/计数器；有6个中断源。其他性能均与51子系列相同。

这样看来52系列的单片机的功能在某些方面比51子系列强的多，但是由于这里的实验装置所需要的只要51子系列的就足够了所以选择51子系列的单片机。

51子系列的单片机可分8031、8051、和8751三种机型，8031内无程序存储器；8051内有4k字节的掩膜程序存储器；8751内有4k字节的EPROM。

这三种芯片没有多少本质的区别，它们所代表的是三个不同的版本。

8051是目前最流行的51系列单片机芯片：8位CPU、128B RAM、4KB ROM、23个特殊寄存器、4个8位并行口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。

8751：仅仅是将8051的4KB ROM改为4KB EPROM。

8031：与8051相比较，不含有ROM，算不上是完整的单片机。一旦使用，就需要扩展ROM，比较麻烦。 并且市场上这种单片机渐渐被淘汰。

所以根据实验装置的需要这里选择的是89C51的单片机。 作为CPU的芯片选择AT89C51：带有4K字节闪速存储器的8位微控制器AT89S51这是一个带有4K字节闪速可编程可擦除只读存储器的低功能，高性能的CMOS8位控制器，它与工业标准80C51的指令设置和管脚输出相兼容。它可以与MSC-51产品兼

11

需图纸找百度Q名

容；具有4K字节内部可编程闪速存储器；它可以进行1000次写/擦除；它的数据可保持10年；它的2髋工作电压范围为2.7-6V；它的全静态工作时的频率为0HZ-16MHZ；它具有三级程序存储锁存；它有32根可编程I/O接口线；它有2个16位定时/记数器；有5个中断源；有可编程串行口；有低功率休眠和功率下降模式；

其极限参数为：

工作环境温度范围：-55℃-125℃ 存储温度：-65℃-150℃

与地相连任一脚电压-1.0-7.0V 最大工作电压：6.6VA 直流输出电压：5.0MA 4.12 如何根据控制要求选择PLC机型

如何根据控制要求来选择机型是使用可编程控制器的很重要的一步，在选择PLC时，根据自己的需要，既不能选择比实际运用多的多的点数，也不能使点数不够用，FX2N 系列每一种都有它的扩展模块，要尽可能充分利用。在选择时考虑到以下几点就可以了。

a.分析系统类型是属于单位控制对象的小系统，还是慢过程大系统，或者实时控制快速系统等。工业现场对控制器响应速度有何要求。

b.有多少点开关量输出，是直流电压输入还是交流电压输入，电压分别为多 c.有多少点开关量输出，采用何种输出方式，常用的输出方式有继电器输出、双向晶闸管输出及晶体管输出等方式。输出功率分别为多大。

d.有多少模拟量输入和多少模拟量输出，各自的精度要求为多少，采样的速率要求有多高。

e.需否扩展配置，若需扩展配置，是采用本地扩展配置，还是采用远程扩展配置，或者二者都要；若有远程扩展配置，是接终端还是接模块。

f.是否有特殊控制要求，如高速计数器、位控及运动控制单元、温度单元、凸轮定位器、PID单元、语音单元等。

g.是否有通信及组网的要求，通信及联网打算采用何种方式。不同厂家的设备是否兼容，比如：要选择的PLC，其通信及网络是否支持已选择好的智能装置等。

h.对于可靠性要求有多高，需否冷备份或热备份。 i.控制机房与工业现场是分开还是一起。

j.输入、输出单元及内存容量等应考虑一定的冗于配置，以备以后的扩展。 4.13 选择单片机的理由

近几十年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、

商业管理和办公自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高、灵活通用等优点，因此在各种专业控制中也得到了广泛的应用。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已经渗透到了诸多学科和各种领域乃至人们生活的方方面面。

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

12

需图纸找百度Q名

单片机在各个技术领域中的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：

单片机构成的应用系统具有较强的可靠性；系统扩展和系统配置比较典型而规模的应用系统；由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测控功能由软件实现，故具有柔性特点；有优异的性能价格比。

机等等！而其中8位单片机又有很多派别，在中国主流分为：PIC、MCS51、AVR等等！

自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。纵观20年来单片机发展里程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。

4.13.1 单片机寿命长

这里所说的长寿命分两个方面:一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作10年，20年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁，产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的CPU类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。

4.13.2 8位、16位、32位单片机共同发展

这是单片机技术发展的另一个动向。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通信、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足的发展。以MOTOROLA68k为CPU的32位单片机为例，1997年的销售量达8千万枚。过去认为由于8位单片机功能越来越强，32位机越来越便宜，使16位单片机生存空间有限，而16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。

4.13.3 单片机的速度越来越快

MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了许多。MOTOROLA单片机则使用了锁相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟频率。68HC08单片机使用4.9M外部振荡器而内部时钟达32MHz，而M68K系列32位单片机使用32K的外部振荡频率，内部时钟可达16MHz以上。 4.13.4 低电压低功耗

13

需图纸找百度Q名

自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺所代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3um工艺发展1.5、1.2、0.8、0.5、0.35进而实现了0.2um工艺，全静态设计使时钟频率从直流电到数十MHz任选，都使功耗不断下降。MOTOROLA最近推出任选的M.CORE可在1.8V电压下以50MHz/48 MIPS全速工作，功率约为20mW。几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3—6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供电的单片机已经问世。

4.13.5 低噪声与高可靠性技术

为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路，增强了“看门狗”的性能。MOTOROLA也推出了低噪声的LN系列单片机。

寿命长、8位、16位、32位单片机共同发展、速度快、低电压、低功耗、低噪声、高可靠性技术这正符合了实验装置的需要所以在这里选择单片机来实现这次实验装置的自动控制。

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八 14

需图纸找百度Q名

5 设计计算

5.1 水槽尺寸计算

33mm根据所选水泵的参数，流量Q为6.0/h，即6/60=0.1 /min。在实验中，

打开水泵抽水时，水装满水槽的时间既不能太长也不能太短。为了节省实验时间，

需要在2～3分钟内使水槽中的水达到实验所需要的的液位。对于单回路反馈控制的实验，可以选择两分钟内使实验装置中水位达到平衡。

3m水泵的流量Q为0.1 /min。 实验装置中水位达到平衡的时间h为3min。

设三个水槽的总体积为V。

3

则V=Q h =3 0.1=0.3 m

由V 可初步选择两个装有两个液位变送器的水槽即槽1和槽2的尺寸为600 400 300(mm)的水槽、用于水循环的槽3为700 500 300（mm）的水槽。

此时总体积：

3

V=2 （600 400 200）mm3+700 500 300 mm3=0.297m 液位平衡时间h=V/Q=0.397/0.1=2.97min

由于计算所得的时间h在所需要的时间范围2～3分钟之内，这就说明水槽的尺寸选择合适。

选择白口铁作为三个水箱的材料，壁厚为5mm，

槽1中的水通过水管流入槽2，槽2中的水又通过水管流回到槽3中。样对于水来说，始终处于循环状态。其中槽3为储槽，是为了构成水的循环而设置的。 5.2 框架的材料选择及尺寸的确定

框架选用不锈钢

15

需图纸找百度Q名

根据所选的水泵、流量计、液位传感器、电动执行器、水管及水龙头的尺寸确定框架结构的尺寸。箱架的断口截面尺寸为40×40（mm）。箱架设置为三层：

上两层框架距离=水槽高+留出的水管水龙头尺寸和压力传感器的高度

=300+70+100+60 =530（mm）

底层框架距离 =水槽高+留出的水管水龙头尺寸

=300+70＋100+60 2

=590（mm） 整体结构：

长=335+700+435=1465mm） 宽=140＋500＋140=780（mm） 高=530+530+590=1650（mm）

为了使实验装置的结构紧凑，电控箱的尺寸设计为400×200×200（mm）。 5.3 通过计算选择各种电器元件

a. 皮带输送机的电熔器及熔断器FU2的选择：由［7］

IN8.2

7 19.1(A) （5－1） IRN =7 2.5~33

型号为RL1—60，外形尺寸为78 55 77 接触器KM4的选择：由［7］

P 10004 1000

IC= 7.5(A) （5－2）

k UN(1~1.4) 380

70 70 92 型号CJ10-10，外形尺寸为

热继电器FR2的选择：由［7］

Ie jr (0.95~1.05) 8.2 8.2 （5－3） 型号JR16B-20/3

b. 入磨输送机的电熔器及熔断器FU3的选择：由［7］

IN8.2

IRN=7 7 19.1(A) （ 5－1）

2.5~33

电熔器、熔断器及热继电器的型号与皮带输送机相同。

c. 斗式提升机的电熔器及熔断器FU4的选择：由［7］

IN6.8

IRN=7 7 15.9(A) （ 5－1）

2.5~33

型号为RL1-60，外形尺寸为78 55 77 接触器KM4的选择：由［7］

P 10003 1000

5.6(A) （5－2） IC=

k UN(1~1.4) 380

70 70 92 型号为CJ10-10，外形尺寸为

热继电器FR2的选择：由［7］

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

16

需图纸找百度Q名

Ie jr (0.95~1.05) 6.8 6.8 （5－3） 过电流继电器KI1、KI2的型号为DL-54Q，外形尺寸为160 260 280

6 结论

在本次电气控制的设计中主要有以下几个优点：

a)实行了由继电器控制向PLC控制的转变，提高了自动化程度，降低了工人的劳动强度，操作简单，效率高。

b)不仅用PLC控制机械，还实现了用PLC控制系统的电磁换向阀，实现了液压系统的控制。

c)虽然PLC有它的很多优点，但还是要对继电器控制的系统有一定的了解，因为它们是在原理上相通的。

d)在保证质量的前提下，能适应大规模生产的需要，并且对工人的技术要求也不高。

所以本设计达到了预期的效果，但还存在以下不足之处：

a)设计的控制系统在逻辑上并不是很完美，而且存在很大的缺陷，降低了生产的效率。

b)报警系统在我的设计中并没涉及到，它在整个系统中对生产的安全起到很重要的作用。

c)系统在设计时还有手工操作的并没很好的实现自动化。

17

需图纸找百度Q名

参考文献

［1］周力平．PLC在小型化工生产过程控制中的应用［J］．湖北化工，1997(3)：63-64. ［2］杨祥刊，李保金主编.水泥设备标准手册[M]. 北京: 中国建材工业出版社，

1995.

［3］何离庆主编.过程控制系统与装置[M].重庆大学出版社,2002.

［4］王毅. 教学过程控制的认识与实践［J］. 大连水产学院,1994(3)：33-36. ［5］朱昆泉，许林发主编.建材机械工程手册[M]. 武汉: 武汉工业大学出版

社,2000.

［6］曲忠庆,王君慧. 计算机在过程控制中的应用和发展［J］.洛阳农专学报,1994

(1)：53-57.

［7］俞金寿主编.过程自动化及仪表[M].北京：化学工业出版社,2002.

［8］ 林中达. 过程控制系统的实时性分析［J］. 东南大学学报,1995(4)：94-97. ［9］陈凤谋. 过程控制中多任务并行模式［J］.广西科学,1995(2)：14-17. [10] 翁维勤，孙洪程主编.过程控制系统及工程[M].化学工业出版社,1995.

要完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

18

需图纸找百度Q名

致谢

本次设计的设计的内容是过程装备与控制专业综合实验设计。设计中采用了继电

器控制和PLC控制，使以前学的知识得到的巩固，对PLC的各种型号及工作原理都有了更深的理解。本次设计还培养了我的自学和独立完成各项工作能力，为以后的工作打下了坚实的基础。

在设计过程中倪老师及时的了解我们设计的进展情况，及时帮助我们解决设计过程中遇到的难题。他以高度的责任心和严谨的治学态度深深感染着我。在此向倪老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意！

同时感谢海安鹏飞集团有限公司的领导在实习过程中所给予的帮助；也感谢给予我关心和帮助的其他老师和同学们！限于本人水平有限和时间仓促，文中缺点和错误在所难免，恳请广大老师不吝批评指正。

19

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/eq4m.html