实验题目：基于实物的农村沼气恒压（恒温）控制系统的设计

1. 课程简要信息

课程名称：可编程控制器应用技术
课程学时：48学时，
适用专业：电气工程及其自动化 PLC 爱好者
学生年级：14级

2. 实验内容与任务（限 500 字）

1)一个密闭的立式罐体(模拟农村沼气池)，上部装有压力传感器，通过空压机往罐体内注入空气的方式对罐体进行加压，罐体下部装有电动调节阀门，通过控制电动调节阀门的开口大小，控制罐内空气的流出量，使罐内压力恒定在 0.3MPa，以达到控制罐内压力恒定的目的。测量精度不低于 0.01 MPa，请自行设计恒压控制系统；

2）一个密闭的立式罐体(模拟农村沼气池)，罐体装有热电偶传感器，通过缠绕在罐体的电伴热带通电方式对罐体进行加热，罐体下部装有电动调节阀门，通过控制冷却水流量的方式控制罐体内空气的温度，使罐内空气温度恒定在 $4 5 \mathrm { { ^ \circ C } }$ ，以达到控制罐内温度恒定的目的。温度控制精度不低于± $1 \mathrm { { } ^ { \circ } C }$ ，请自行设计恒温控制系统；

3）在分别对罐体进行恒压控制或恒温控制后，进行系统联调，外界温度和压力改变时，罐体内气体依然恒温恒压。

4）配置GRM PLC无线通讯模块，利用组态软件对远程 PLC监控。

3. 实验过程及要求（限 300字）

1）总体方案的确定

根据控制要求，确定总体方案。

a)、建立控制系统的结构框图，构建数学模型；

b)、基于数学模型，设计实验参数；

c)、MATLAB 仿真；

d)、传感器的使用；

e)、基于PLC的温度 PID控制；

2）正确选用电气控制元件和 PLC

根据选用的输入输出设备的数目和电气特性，选择合适的 PLC，要求进行电气元件的选用说明。

3）分配 $1 / 0$ 点，画出 $1 / 0$ 连线图

根据选用的输入输出设备，确定 I/O 端口。依据输入输出设备和 PLC 的 I/O 端口分配关系，画出 $1 / 0$ 连线图。

4）绘制力控上位机监控图

根据实际设备样式，制作力控上位机监控，当系统正常工作中，可在上位监控中实时显示当前工作状态。

5）程序设计说明及过程分析

要求绘制控制系统流程图，详细进行程序设计过程的分析说明，设计简单、可靠的控制程序。

6） 对系统工作原理进行分析，最后审查控制实现的可靠性检查系统功能，完善控制程序。

7）编写设计说明书

根据设计题目及设计过程编写一份不少于 10 页的实验说明书。实验说明书内容包括（论文装订次序）：封面、摘要、目录、正文（题目要求、题目分析、控制操作台面板的设计、硬件电路的设计、PLC 控制程序的设计、电气元件的计算与选择、电器元件清单）、结论、致谢、参考文献等。应阐述整个设计内容，要重点突出，图文并茂，文字通畅。

根据设计题目要求绘制电气原理图一张（包含控制系统的主电路、PLC原理图等）。

8）将“总体方案确定”分成 5 个子模块，贯穿于 “传感器技术”、 “可编程序控制器”等课程中，不同专业不同年级学生通过开放性实验室，自主学习，自学相关知识，学生可以根据自身能力，完成单个子模块，最终实现 PLC温度压力控制系统。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用PLC技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，学生通过所学课程 “传感器技术”、 “可编程序控制器”完成实验。基于实物对象的综合性实验更有利于学生将所学的基础理论知识与生产实际相结合，对培养学生的工程应用意识具有重要作用。实验项目的层次性和可扩展性使学生能够循序渐进地从理论知识的进一步深化学习和基本实践能力的训练到能够充分发挥自主性和创造性。

教学目标与目的（限 100 字）

选取热点话题 “清洁能源”-农村沼气恒压（恒温）控制系统的设计，引导学生通过工程实践改善生态环境。恒压（恒温）控制系统的设计难度适中。密闭立式罐体作为被控对象，PLC 作为控制器，温度传感器、压力传感器作为检测元件、电磁阀作为执行器构成一个温度、压力闭环控制系统，实现对密闭立式罐体的自动控制。

学生通过实物对象完成实验，可以掌握控制系统分析、设计和调试的一般方法，加深对自动控制系统的稳定性、快速性、准确性和抗干扰能力等问题的理解，培养学生综合运用所学知识解决实际控制工程问题的能力，有助于学生的工程应用意识和创新能力的培养。

5. 教学设计与引导

用一个基于实物的综合性实验，将 “传感器技术”、 “可编程序控制器”课程的主要内容尽可能的串接起来，使分散的知识点成为一个有机的整体。本实验的教学方法采用基于项目的学习（PBL）。在开学时，教师将基于实物的实验作为整体项目布置给学生。教师将课程内容的组织围绕项目的完成来进行。学生掌握每部分教学内容后，都可以用知识来完成该项目的某个子模块。整个学习完成后，加上学生在开放实验室自行钻研学习的收获，项目也随之完成。

1.总体方案的确定

密闭罐要恒压，就应该使用闭环控制系统。随着计算机技术的发展，微处理器的产品越来越多，如单片机，PLC。由于工业控制系统稳定性要求高，这选用 PLC 作为该系统的控制器，并使用PLC 中的PID算法对压力进行控制。

2.正确选用电气控制元件和 PLC

根据选用的输入输出设备的数目和电气特性，选择合适的 PLC，要求进行电气元件的选用说明。

压力变送器 QH-801 量程：0-1MP信号范围：4-20MA

供电：24VDCPLC 三菱 FX2N-32MR I/O:16/16PLC 拓展模块 FX2N-4ADFX2N-2DA 最大分辨率 12 位可选量程： $- 1 0 \overset { \sim } { \mathrm { \Phi } } + 1 0 \overset { \sim } { \mathrm { V } }$ ,4-20MA, $- 2 0 \mathrm { \widetilde { \ 2 0 M A } }$ 。转换后预制值分别为： $- 2 0 0 0 ^ { \sim } 2 0 0 0 , 0 { - } 1 0 0 0$ ，$- 1 0 0 0 \widetilde { \ } 1 0 0 0$

3.分配 $1 / 0$ 点，画出 $1 / 0$ 连线图

根据选用的输入输出设备，确定 I/O 端口。依据输入输出设备和 PLC 的 I/O 端口分配关系，画出 $1 / 0$ 连线图。

4.绘制力控上位机监控图

根据实际设备样式，制作力控上位机监控，当系统正常工作中，可在上位监控中实时显示当前工作状态。

5.程序设计说明及过程分析

要求绘制控制系统流程图，详细进行程序设计过程的分析说明，设计简单、可靠的控制程序。

6. 对系统工作原理进行分析，最后审查控制实现的可靠性检查系统功能，完善控制程序。

6. 教学实施进程

此实验在开放实验室完成。每周二，周三晚18：00-21：00开放。实验室的规定开放时间安排相关同学值班，为前往实验室的同学收发相关实验器材，并进行管理和登记。所有同学均需遵守学生开放实验室的安全管理规定及相关章程。

整个实验中部分实验子模块，同学可以不依赖实验室，利用个人电脑自行完成。依赖于实物的实验子模块，同学可以 2-3 人为一组，利用实验室开放时间，分组完成。

7. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：编写一份不少于 10 页的实验说明书。实验说明书内容包括（论文装订次序）：封面、摘要、目录、正文（题目要求、题目分析、控制操作台面板的设计、硬件电路的设计、PLC 控制程序的设计、电气元件的计算与选择、电器元件清单）、结论、致谢、参考文献等。应阐述整个设计内容，要重点突出，图文并茂，文字通畅。

根据设计题目要求绘制电气原理图一张（包含控制系统的主电路、PLC原理图等）。

8. 考核要求与方法（限 300 字）

此实验采用过程考核法。建立详细过程控制、实物验收等考核表，记录、跟踪设计过程。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

此基于实物的实验在开放性实验室完成。充分考虑到了学生的个体差异，打破了传统实验教学以教为主、固定时间、固定地点、固定内容的教学模式。实验时间开放和实验内容丰富有层次，使学生享有较多的自由空间和时间，可以不拘泥于固定的实验内容和形式。基于实物的实验有利于学生主动性和创造性的发挥。符合从肤浅到深入、从低级到高级、从简单到复杂、从理解到应用、从被动到主动、从验证到综合、从基础到创新的循序渐进的学习、锻炼过程。学生在实施PBL的过程，要领会一个产品的构成（C）、设计（D）、实现（I）和运行（0）全过程。这种以产品从构思到运行全生命周期设计的思路，被简称CDIO。它对工科学生职业素养培养有巨大好处。

实验案例信息表