CN203324746U - 一种水位温度远程控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水位温度远程控制装置，包括：第一液罐、水泵、手阀、电动调节阀、手操器、PLC控制器、第二液罐、温度变送器、加热器、第一固态继电器、液位变送器、计算机、第二固态继电器；第一液罐的出水管处设置水泵，水泵连接PLC控制器，电动调节阀设置在第一液罐的进水管，电动调节阀连接PLC控制器，手阀安装在第二液罐的进水管和出水管上，温度变送器和加热器安装在第二液罐的右侧，液位变送器安装在第二液罐的底部，液位变送器连接PLC控制器，加热器连接PLC控制器，PLC控制器连接计算机。本实用新型通过计算机和PLC控制器的远程控制，实现了水位和温度的远程控制，达到了自动化的要求，有着很好的应用价值。

Description

一种水位温度远程控制装置

技术领域

本实用新型属于自动化控制技术领域，尤其涉及一种水位温度远程控制装置。

背景技术

一个国家的现代化的水平决定于自动化的水平，自动化水平是衡量一个国家发达程度的重要标志，

自动化技术的进步推动了工业生产的飞速发展，在促进产业革命中起着十分重要的作用，特别是在石油、化工、冶金、轻工等部门，由于采用了自动化仪表和集中控制装置，促进了连续生产过程自动化的发展，大大地提高了劳动生产率，获得了巨大的社会效益和经济效益。

自动化是提高社会生产力的有力工具之一，实现生产过程自动化的目的如下：

(1)加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量，由于人的五官、手、脚，对外界的观察与控制其精确度和速度是有一定限度的，而且由于体力关系，人直接操纵设备功率也是有限的，如果用自动化装置代替人的操纵，则以上情况可以得到避免和改善，并且通过自动控制系统，使生产过程在最佳条件下进行，从而可以大大加快生产速度，降低能耗，实现优质高产；

(2)减轻劳动强度，改善劳动条件，多数化工生产过程是在高温、高压或低温、低压下进行，还有的是易燃、易爆或有毒、有腐蚀性、有刺激性气味，实现了化工自动化，工人只要对自动化装置的运转进行监视，而不需要再直接从事大量而又危险的操作；

(3)能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的；

(4)生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步的消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。

在现有教学中缺少对水位、温度进行远程控制的试验模型，使得学生不能直观的了解自动控制系统的原理及作用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水位温度远程控制装置，旨在解决现有教学中缺少对水位、温度进行远程控制的试验模型，使得学生不能直观的了解自动控制系统的原理及作用的问题。

本实用新型是这样实现的，一种水位温度远程控制装置，所述水位温度远程控制装置包括：第一液罐、水泵、手阀、电动调节阀、PLC控制器、第二液罐、温度变送器、加热器、液位变送器、计算机；

所述第一液罐的出水管处设置所述水泵，所述水泵连接所述PLC控制器，所述电动调节阀设置在所述第一液罐的进水管，所述电动调节阀连接所述PLC控制器，所述手阀安装在所述第二液罐的进水管和出水管上，所述温度变送器和加热器安装在所述第二液罐的右侧，所述液位变送器安装在所述第二液罐的底部，所述液位变送器连接所述PLC控制器，所述加热器连接所述PLC控制器，所述PLC控制器连接所述计算机。

进一步、所述水泵通过第二固态继电器连接PLC控制器。

进一步、所述电动调节阀通过手操阀连接PLC控制器。

进一步、所述加热器通过第一固态继电器连接PLC控制器。

进一步、所述PLC控制器通过RS232C电缆线连接计算机。

本实用新型的水位温度远程控制装置，通过计算机对PLC控制器的控制，实现水泵的启动和停止，从而控制水位和温度值，实现了水位和温度值的自动化控制，提高了工作效率和经济效益，同时提供了直观的自动化控制模型。此外，本实用新型结构简单，操作方便，制作成本低，有着很好的应用价值和深远的社会意义。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的水位温度远程控制装置的结构示意图。

图中：1、第一液罐；2、水泵；3、手阀；4、电动调节阀；5、手操器；6、PLC控制器；7、第二液罐；8、温度变送器；9、加热器；10、第一固态继电器；11、液位变送器；12、计算机；13、第二固态继电器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了本实用新型提供的水位温度远程控制装置结构。为了便于说明，仅仅示出了与本实用新型相关的部分。

本实用新型的水位温度远程控制装置，该水位温度远程控制装置包括：第一液罐、水泵、手阀、电动调节阀、PLC控制器、第二液罐、温度变送器、加热器、液位变送器、计算机；

第一液罐的出水管处设置水泵，水泵连接PLC控制器，电动调节阀设置在第一液罐的进水管，电动调节阀连接PLC控制器，手阀安装在第二液罐的进水管和出水管上，温度变送器和加热器安装在第二液罐的右侧，液位变送器安装在第二液罐的底部，液位变送器连接PLC控制器，加热器连接PLC控制器，PLC控制器连接计算机。

作为本实用新型实施例的一优化方案，水泵通过第二固态继电器连接PLC控制器。

作为本实用新型实施例的一优化方案，电动调节阀通过手操阀连接PLC控制器。

作为本实用新型实施例的一优化方案，加热器通过第一固态继电器连接PLC控制器。

作为本实用新型实施例的一优化方案，PLC控制器通过RS232C电缆线连接计算机。

作为本实用新型实施例的一优化方案，水位远程控制的具体数学模型为：

用传递函数描述时，H所反映的变化过程近似于一个积分过程和纯滞后过程的串联，可表示为

$\frac{H\left(s\right)}{W\left(s\right)}=\frac{K_0}{S}{e}^{-\mathrm{\τs}}$

式中K₀——响应速度，即给水量变化单位流量时，水位的变化速度[(mm/s)/(t/h)]；

τ——时滞(s)。给水温度越低，纯滞后时间τ越大，通常τ在15～100s之间。

作为本实用新型实施例的一优化方案，温度远程控制的具体数学模型为：

传递函数的形式为：

$G\left(s\right)=\frac{{\mathrm{ke}}^{-\mathrm{\τs}}}{1+T\·S}---(2-1)$

$K=\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\ΔQ}}$

为了确定上式中的参数K，T和τ，采用两点法，利用阶跃响应y(t)上两点的数据去计算K和τ，增益K仍按输入、输出的稳态值计算；

首先需要把y(t)转换成它的无量纲形式y^*(t)，即

$y^{*}\left(t\right)=\frac{y\left(t\right)}{y(\∞)}$

其中y(∞)为y(t)的稳态值；

上式与(2-1)相对应的阶跃响应无量纲形式为

$y^{*}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<\mathrm{\&tau;}\\ 1-\exp (-\frac{t-\mathrm{\&tau;}}{T})& t\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$

上式中只有两个参数即τ和T，因此只能根据两个点的测试数据进行拟合，为此先选定两个时刻t₂＞t₁≥τ，从测试结果中读出y^*(t₁)和y^*(t₂)并写出下述联立方程：

$y^{*}\left(t_1\right)=1-\exp (-\frac{t_1-\mathrm{\&tau;}}{T})$

$y^{*}\left(t_2\right)=1-\exp (-\frac{t_2-\mathrm{\&tau;}}{T})$

由以上两式可以解出

$T=\frac{t_2-t_1}{\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_1\right)]-\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_2\right)]}$ $\mathrm{\&tau;}=\frac{t_2\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_1\right)-t_1\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_2\right)]}{\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_1\right)]-\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_2\right)]}$

作一下阶跃响应，通过MATLAB编程并仿真计算出ky，τy，τy；

Ky＝-0.4980；

τy＝74.97；

τy＝50.0469。

下面结合附图及具体实施例对本实用新型的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本实用新型实施例的水位温度远程控制装置主要由第一液罐1、水泵2、手阀3、电动调节阀4、手操器5、PLC控制器6、第二液罐7、温度变送器8、加热器9、第一固态继电器10、液位变送器11、计算机12、第二固态继电器13组成；第一液罐1和第二液罐7里面放水，由第一液罐1的水通过进水管的水泵2将水输送到第二液罐7，控制参数为第二液罐7中水的水位、温度，计算机12上组态软件上的按钮经点击后通过PLC控制器6、第二固态继电器13使水泵2工作，第二液罐7中的水位持续上升，水位的控制过程如下：如果水位要达到某一百分比值，需将该值设定在计算机12的组态软件上，液位变送器11检测到的水位值通过PLC控制器6送到计算机12中，PLC控制器6与计算机12之间是用RS232C电缆线直接相连的，该值与计算机12上的设定值进行比较，如果检测到的值小于设定值，那么计算机12运算后将经过PLC控制器6、手操器5，最终将信号送到出水管的电动调节阀4上，信号将电动调节阀4关小，如果检测到的值大于设定值，那么计算机12运算后将经过PLC控制器6、手操器5，将信号也传到出水管的电动调节阀4上，电动调节阀4将开大，如果检测值与设定值正好相等时，这时的出水量应与水泵2的进水量相等，保持动态平衡。

第二液罐7中水的温度控制闭环过程，如果水的温度要达到某一温度值，需将该值设定在计算机12的组态软件上，温度变送器8检测到的温度值通过PLC控制器6送到计算机12中，与计算机12上的设定值进行比较，如果检测到的值小于设定值，那么计算机12运算后将经过PLC控制器6、第一固态继电器10，将信号送到加热器9上，将水加热。

在对液体温度的控制当中，是一个闭环过程，其控制框图如2所示：通过如果水的温度要达到某一温度值，需将该值设定在电脑的组态软件上，热电阻检测到的温度值通过PLC送到电脑中，与电脑上的设定值进行比较，如果检测到的值小于设定值，那么电脑运算后将经过PLC、固态继电器，将加热器火线接通，使加热器工作，将水加热，

传递函数的形式为：

$G\left(s\right)=\frac{{\mathrm{ke}}^{-\mathrm{\&tau;s}}}{1+T\&CenterDot;S}---(2-1)$

$K=\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{\mathrm{\&Delta;Q}}$

为了确定上式中的参数K，T和τ，本设计采用两点法，所谓两点法就是利用阶跃响应y(t)上两点的数据去计算K和τ，增益K仍按输入、输出的稳态值计算，

首先需要把y(t)转换成它的无量纲形式y^*(t)，即

$y^{*}\left(t\right)=\frac{y\left(t\right)}{y(\&infin;)}$

其中y(∞)为y(t)的稳态值

上式与(2-1)相对应的阶跃响应无量纲形式为

$y^{*}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<\mathrm{\&tau;}\\ 1-\exp (-\frac{t-\mathrm{\&tau;}}{T})& t\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$

上式中只有两个参数即τ和T，因此只能根据两个点的测试数据进行拟合，为此先选定两个时刻t₂＞t₁≥τ，从测试结果中读出y^*(t₁)和y^*(t₂)并写出下述联立方程^[19]：

$y^{*}\left(t_1\right)=1-\exp (-\frac{t_1-\mathrm{\&tau;}}{T})---(2-2)$

$y^{*}\left(t_2\right)=1-\exp (-\frac{t_2-\mathrm{\&tau;}}{T})---(2-3)$

由以上两式可以解出

$T=\frac{t_2-t_1}{\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_1\right)]-\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_2\right)]}---(2-4)$

$\mathrm{\&tau;}=\frac{t_2\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_1\right)-t_1\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_2\right)]}{\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_1\right)]-\mathrm{In}[1-y^{*}\left(t_2\right)]}---(2-5)$

现对其作一下阶跃响应，通过MATLAB编程并仿真计算出ky，τy，τy，

Ky＝-0.4980；

τy＝74.97；

τy＝50.0469。

本实用新型的水位的控制框图如3所示：

电动调节阀4对手操器5有反馈，形成了内闭环，第二液罐I7中的水通过液位传感器11对PLC控制器6有反馈，形成了外闭环，

如果需要测量第二液罐7的水位高低，通过液位传感器11进行测量，通过A/D模块将液位传感器11输出的4-20mA信号送到PLC控制器6中，通过串行口COM2口送到计算机12中与给定值进行比较，经运算完毕后，通过PLC控制器6、手操器5，控制电动调节阀4的开度，计算机12通过PLC控制器6的D/A口对手操器5进行控制，而控制电动调节阀4的正、反转的运行要由手操器5给出其信号，同时电动调节阀4反馈给手操器54-20mA的信号，以此反映阀门开度大小的信号，电动调节阀4安装在第二液罐7的出水管上，在手操器5上还可以进行给定值的设定，通过手动设定完成对电动调节阀4的控制。

用传递函数描述时，H所反映的变化过程近似于一个积分过程和纯滞后过程的串联，可表示为

$\frac{H\left(s\right)}{W\left(s\right)}=\frac{K_0}{S}{e}^{-\mathrm{\&tau;s}}---(2-6)$

式中K₀——响应速度，即给水量变化单位流量时，水位的变化速度[(mm/s)/(t/h)]；

τ——时滞(s)，给水温度越低，纯滞后时间τ越大，通常τ在15～100s之间。

本实用新型的工作原理为：

本实用新型中，电动调节阀4是在自动控制系统中用来调节或切断输送管道内的流动介质(液体、气体、蒸气)的流量，能够对温度，湿度、流量、压力、液位、配合比等工艺参数实现自动调节和远程控制，广泛用于恒温、恒湿控制、供热冷却、锅炉给水、液槽、水塔液位、容器恒压、空调、成份配比等用电作业能源的工业、国防、农业、化工、烟草、医药、科研、民用、机关部门使用；

电动调节阀4又称电动执行器，它是由直行程电动执行机构和调节机构组成的执行器；执行机构由单向交流伺服电动机为动力，经减速机减速，利用螺旋副转化成推力(或拉力)带动调节机构中特异设计的节流元件-阀芯，改变阀门阻力系数，从而达到所需的调节流量，同时与阀芯位移同步的位置反馈机构也发出阀位开度讯号，阀位还具有快速定位装置，使流量控制准确等优点，因而得到广泛应用，

由电动调节阀4所组成的自动控制系统的工作原理可用方框图来说明，

图4中的3、4、5与调节器、计算机或控制仪表的输出电路相接，6-4、7-4可作为阀位终端显示用；11-12为阀位发信号电源(～220V50Hz)输出-13，(负极)+14(正极)为统一直流标准电流(或电压)阀位信号的输出端，则可由8-9-10端发出0～1000Ω阻值范围的阀位信号；

更换不同功能的LF插板可得到不同的阀位信号，若不使用电流电压信号时，应取掉LF电子元件插板并11-12端不可带电，

电动调节阀4有双通和三通两个系列，用户可根据用途及流量等选择，与其配套使用的温度控制器可由本厂成套提供，也可由用户自备；

电动调节阀的主要技术参数如下：

(1)电源--220V、50Hz

(2)伺服电动功率：15W、25W、40W、60W

(3)以下是各技术参数：

(1)公称压力：以PG表示

(2)公称通径：以DN表示

(3)阀座直径：以dn表示

(4)最大行程：以L表示

(5)最大行程调节时间：以T表示

(6)允许压力差：以ΔP表示

(4)工作环境温度范围-20℃～+60℃

(5)工作环境相对湿度≤95％

(6)通过阀体介质温度≤200℃

(7)阀位信号形式

〔1〕0～10mA直流电流

(2)4～20mA直流电流

(3)0～10V直流电压

(4)0～1000Ω可变电阻

(10)阀体材料：

铸铁(HT20-40)

铸铜(ZHSi80-3)

铸不锈钢(ZG1Gr18Ni9Ti)

铸钢(ZG35)

(11)阀座材料：

铸铜(ZQSn6-6-3)

不锈钢(1Gr18Ni9Ti)

聚四氟乙烯

本实用新型的温度变送器8：

(1)热电阻：

热电阻是利用导体的电阻率随温度而变化这一物理现象来测量温度的，由于铂电阻易于提纯，物量、化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度，而铜电阻易于氧化，因此，本课题热电阻的材料选铂电阻，

电阻与温度的关系：0-650℃    Rt＝R₀(1+AT+BT²)

Rt——温度为t时的电阻值    R₀——温度为0℃时的电阻值

A、B均为常数         A＝3.96847×10^-3℃^-1  B＝-5.847×10^-7℃^-2；

(2)工作原理

温度变送器8采用铂热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压、滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信号输出；

(3)温度变送器型号及主要技术指标：

本设计采用SBWZ型温度变送器，是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送单元，采用二线传送方式，将热电阻信号变换成线性4～20mA的直流输出信号；

主要技术指标：

①输入：热电阻Pt100

②在量程范围内输出4～20mA与热电阻的被测温度信号成线性，

③基本误差：±0.2％

④传输方式：二线制

⑤额定电压：DC24V    额定负载：250Ω

⑥环境温度影响：≤0.05％/度

⑦正常工作环境：-10℃-60℃

(4)特点

高稳定性，高可靠性，高精度，带现场指示表，零点量程外部连续可调，全焊接结构坚固耐用，防雷击，抗射频干扰，体积小，外形美，性价比高。

加热器9，选择2KW、AC220V的加热器，作用是将水加热。

液位变送器11：

(1)概述：

CY-DB系列液位变送器采用CY-YZ系列固态压阻传感器作为力敏检测器件，采用美国AD公司的专用模块集成电路，可直接向传感器提供高精度激励源，构成受压、放大、转换，具有精度高、体积小、工作稳定等优点；

(2)型号含义

输出方式见2-5表：

表2-5液位变送器输出方式

List2-5Output methods of liquid level transducer

(3)主要技术参数：

①量程：0～600mmH20

②允许过载：≤200％

③输出信号：4～20mA

④电源：24VDC

⑤负载：R_L＝50Ω

⑥环境温度：-20℃～+70℃

⑦精度：0.3％F·S

⑧启动时间：预热10分钟；

(4)压力与液位的关系：

P＝ρgh(h_总＝60cm)

h＝10cm时P＝1kg/m³×9.8N/kg×0.1m＝0.98千帕

h＝20cm时P＝1kg/m³×9.8N/kg×0.2m＝1.96千帕

h＝30cm时P＝1kg/m³×9.8N/kg×0.3m＝2.94千帕

h＝40cm时P＝1kg/m³×9.8N/kg×0.4m＝3.92千帕

h＝50cm时P＝1kg/m³×9.8N/kg×0.5m＝4.90千帕

h＝60cm时P＝1kg/m³×9.8N/kg×0.6m＝5.88千帕

水泵2：

(1)型号：

IZDB-35自吸清水泵它的作用是将第一液罐1的水送到第二液罐7上，

(2)参数：

①电压：220V或330V

②电流：2.4A

③频率：50HZ

④转速：2900r/min

⑤吸程：6-8m

⑥扬程：5-35m

⑦流量：0.5-2.4m³/h

⑧规定扬程：20m

⑨规定流量：1.1m³/h；

本实用新型的其它辅助元件：

(1)第一液罐1和第二液罐7：

材料：不锈钢  特点：硬质、防锈、持久耐用；

第一液罐1：长方体L＝1000mm B＝500mm H＝600mm；

第二液罐7：圆柱体H＝600mm R＝250mm；

(2)水管：

材料：铝塑管P＝0.69MPa    特点：价廉，易安装；

(3)手阀3：

型号：DN20控制水管的通、断；

(4)控制柜及控制对象：

用不锈钢做的四面有透明有机玻璃600×600×1750(mm)的控制柜，柜中安装了PLC控制器6、变压器、手操器5、固态继电器等控制元件，控制对象的角铁架尺寸为1200×600×1750(mm)，上面安装有上、下液罐及水位、温度传感器、电动调节阀4、水泵2等；

(5)第一固态继电器10和第二固态继电器13：

①型号：JGT-10F

②参数：032/380V10A

③作用：用弱电控制强电。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水位温度远程控制装置，其特征在于，所述水位温度远程控制装置包括：第一液罐、水泵、手阀、电动调节阀、PLC控制器、第二液罐、温度变送器、加热器、液位变送器、计算机；

所述第一液罐的出水管处设置所述水泵，所述水泵连接所述PLC控制器，所述电动调节阀设置在所述第一液罐的进水管，所述电动调节阀连接所述PLC控制器，所述手阀安装在所述第二液罐的进水管和出水管上，所述温度变送器和加热器安装在所述第二液罐的右侧，所述液位变送器安装在所述第二液罐的底部，所述液位变送器连接所述PLC控制器，所述加热器连接所述PLC控制器，所述PLC控制器连接所述计算机。

2.如权利要求1所述的水位温度远程控制装置，其特征在于，所述水泵通过第二固态继电器连接PLC控制器。

3.如权利要求1所述的水位温度远程控制装置，其特征在于，所述电动调节阀通过手操阀连接PLC控制器。

4.如权利要求1所述的水位温度远程控制装置，其特征在于，所述加热器通过第一固态继电器连接PLC控制器。

5.如权利要求1所述的水位温度远程控制装置，其特征在于，所述PLC控制器通过RS232C电缆线连接计算机。

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