过控实验指导书分解.docx

过控实验指导书分解.docx

《过控实验指导书分解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过控实验指导书分解.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

过控实验指导书分解

《过程控制系统》

实验指导书

安阳工学院

电子信息与电气工程学院

第一章实验装置说明2

1.1　系统概述2

1.1.1　实验对象2

1.1.2被控对象3

1.1.3　检测装置：

3

1.1.4　执行机构：

4

1.2　THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台4

1.2.1　控制屏组件4

1.2.2　智能仪表控制组件5

1.2.3　远程数据采集控制组件9

1.2.4　PLC控制组件10

1.3　软件介绍10

1.4　实验要求及安全操作规程11

1.4.1　实验前的准备11

1.4.2实验过程的基本程序11

1.4.3　实验安全操作规程11

第二章实验部分12

实验一双容水箱特性测试19

实验二双容水箱液位定值控制系统（单回路）23

实验三双容水箱液位定值控制系统（串级）26

第一章实验装置说明

1.1系统概述

THSA-1型过控综合自动化控制系统是由THJ-3高级过程控制对象系统实验装置、THSA-1型综合自动化控制系统实验平台及上位PC机三部分组成。

该装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。

包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈－反馈控制、滞后控制、比值控制、解耦控制等多种控制形式，还可根据需要设计成智能仪表、DDC远程数据采集、DCS分布式控制、PLC可编程控制、FCS现场总线控制等多种控制系统。

1.1.1实验对象

实验对象貌图如图1-1所示。

实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。

供水系统分两路：

一路由三相磁力驱动泵（380V恒压供水）、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手支调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

图1-1系统总貌图

1.1.2被控对象

1．水箱：

包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中水箱尺寸均为：

D=25cm，H=20cm；中水箱尺寸为：

D=35cm，H=20cm。

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、中、下三个水箱可组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环液位控制系统。

储水箱主要用于满足上、中、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）和冷却层（锅炉夹套），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。

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－反馈控制和解耦控制等实验。

3．盘管：

模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米，在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。

盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。

用它来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。

4．管道及阀门：

整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀。

其中，储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

1.1.3　检测装置

1．压力传感器（变送器）：

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

三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0-5KPa，精度为0.5级，输出：

4-20mADC，标准二线制传输方式，故工作时需串接24V直流电源。

2．温度传感器：

本装置采用6支Pt100铂热电阻分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（3个测试点）以及上水箱出口温度。

Pt100热电阻的测温范围：

-200-+630℃。

温度传感器可直接接入AI智能仪表、FM现场总线模块或PLC输入模块以构成不同的控制系统。

3．流量传感器（变送器）：

本装置采用三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。

它的优点是测量精度高，反应快。

型号：

LWGY-10，流量范围：

0-1.2m3/h，精度：

1.0％，输出：

4-20mADC，标准二线制传输方式，24V直流电源供电。

1.1.4　执行机构

1．电动调节阀：

QSVP-16K型智能直行程电动调节阀用来对控制回路的流量进行调节。

电源为单相220V，控制信号为4-20mADC或1-5VDC，输出为4-20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

2．变频器：

本装置采用日本三菱公司的D700型变频器，控制信号输入为4-20mADC或1-5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

3．水泵：

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

本装置中采用两只磁力驱动泵，一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

4．电磁阀：

在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

电磁阀型号：

2W-160-25；工作压力：

0~7kg/cm2；工作电压：

24VDC。

5．三相电加热管：

由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加热，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。

1.2　THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台

该实验平台主要由控制屏组件、智能仪表控制组件、远程数据采集控制组件、DCS分布式控制组件、PLC控制组件等几部分组成。

1.2.1　控制屏组件

1．电源控制屏面板

图1-2为电源控制屏示意图。

充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

接上三相四线电源，控制屏两侧的插座均带电，合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮，照明灯亮、此时打开24V开关电源即可提供24V电。

按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他组件的供电电源。

图1-2电源控制屏示意图

2．I/O信号接口面板

该面板的作用主要是通过航空插头（一端与对象系统连接）将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连。

3．交流变频控制挂件

采用日本三菱公司的FR-S20S-0.4K-CH（R）型变频器，控制信号输入为4～20mADC或1～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。

常用参数设置如下：

P30=1；P53=1；P62=4；P79=0。

4．三相移相SCR调压装置、位式控制接触器

采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。

输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

位式控制接触器和AI-708仪表一起使用，通过AI-708仪表输出继电器触点的通断来控制交流接触器的通断，从而完成锅炉水温的位式控制实验。

1.2.2　智能仪表控制组件

1．SA-12AI智能调节仪表挂件

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-808功能增强型AI人工智能工业调节器，可实现PID控制。

该仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

AI仪表面板说明

①上显示窗

②下显示窗

③设置键

④数据移位（兼手动/自动循环显示切换）

⑤数据减少键（兼切换显示上一通道）

⑥数据增加键（兼切换显示下一通道）

⑦4个LED指示灯，其中MUX灯亮表示手动切换显示状态；AL1、AL2、OUT等分别对应仪表的报警和输出动作。

技术规格

●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、0～20mV等；

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

●测量范围：

热电偶：

K（-100-+1300℃）、S（0～1700℃）、R（0～1700℃）、T（-200～+390℃）、E（0～1000℃）、J（0～1200℃）、B（600～1800℃）、N（0～1300℃）

热电阻：

Cu50（-50～+150℃）、Pt100（-200～+800℃）

线性电压：

-9990～+30000由用户定义

●测量精度：

0.2级（0.2%FS±0.1℃）

●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

●温度漂移：

≤0.01%FS/℃（典型值约50ppm/℃）

●响应时间：

≤0.3秒（设置数字滤波参数dL=0时）

●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

●输出规格：

线性电流输出：

0-10mA或4-20mA可定义

●电源：

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

基本使用操作

仪表显示状态：

仪表上电后，将进入显示状态①，此时仪表上显示窗口显示测量值（PV），下显示窗口显示给定值（SV）。

对于AI-808/808P型仪表，按键

可切换到显示状态②，此时下显示窗显示输出值。

状态①、②同为仪表的基本状态，在基本状态下，SV窗口能用交替显示的字符来表示系统某些状态，如下：

闪动显示“orAL”：

表示输入的测量信号超出量程（因传感器规格设置错误、输入断线或短路均可能引起）。

此时仪表将自动停止控制，并将输出设置为0。

闪动显示“HIAL”、“LoAL”、“dHAL”或“dLAL”：

分别表示发生了上限报警、下限报警、正偏差报警和负偏差报警。

报警闪动的功能是可以关闭的（参看cF参数的设置），将报警作为控制时，可关闭报警字符闪动功能以避免过多的闪动。

显示切换：

按

键可以切换不同的显示状态。

AI-808可在①、②两种状态下切换。

修改数据：

如果参数锁没有锁上，仪表下显示窗显示的数值除AI-808/808P的自动输出值不可直接修改外，其余数据均可通过按

、

或

键来修改下显示窗口显示的数值。

例如：

需要设置给定值时（AI-708/808型），可将仪表切换到显示状态①，即可通过按

、

或

键来修改给定值。

AI仪表同时具备数据快速增减法和小数点移位法。

按

键减小数据，按

键增加数据，可修改数值位的小数点同时闪动（如同光标）。

按键并保持不放，可以快速地增加/减少数值，并且速度会随小数点会右移自动加快（3级速度）。

而按

键则可直接移动修改数据的位置（光标），操作快捷。

设置参数：

在基本状态（显示状态①或②）下按

键并保持约2秒钟，即进入参数设置状态。

在参数设置状态下按

键，仪表将依次显示各参数，例如上限报警值HIAL、参数锁Loc等等，对于配置好并锁上参数锁的仪表，只出现操作工需要用到的参数（现场参数）。

用

、

、

等键可修改参数值。

按

键并保持不放，可返回显示上一参数。

先按

键不放接着再按

键可退出设置参数状态。

如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。

如果参数被锁上，则只能显示被EP参数定义的现场参数（可由用户定义的，工作现场经常需要使用的参数及程序），而无法看到其它的参数。

不过，至少能看到Loc参数显示出来。

AI仪表常用参数设置：

（a）　Ctrl：

控制方式

CtrL=0，采用位式调节（ON/OFF），只适合要求不高的场合进行控制时采用。

CtrL=1，采用AI人工智能/PID调节。

该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。

CtrL=2，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置为3或4。

CtrL=3，采用AI人工智能调节，自整定结束后，仪表自动进入该设置，该设置下不允许从面板启动自整定参数功能。

以防止误操作重复启动自整定。

（b）Sn：

输入规格

Sn=21，Pt100热电阻输入

Sn=32，0.2～1VDC电压输入

Sn=33，1～5VDC电压输入

（c）DIL：

输入下限显示值，一般DIL=0

（d）DIH：

输入上限显示值，输入为液位信号时，DIH=50.0；输入为流量信号时，DIH=100.0；输入为热电阻信号时，DIH=100.0。

（e）Opt：

输出方式　　一般OPt=4为4~20mA线性电流输出。

（f）CF：

系统功能选择

CF=0为内部给定，反作用调节；

CF=1为内部给定，正作用调节；

CF=8为外部给定，反作用调节；

CF=9为外部给定，正作用调节。

（g）Addr：

通信地址　　单回路实验时，Addr＝1；串级实验时主控制器为Addr＝1，副控制器为Addr＝2；三闭环实验时，Addr＝1；串级实验时主控制器为Addr＝1，副控制器为Addr＝2，内环为Addr＝3。

实现中各仪表通信地址不允许相同。

（h）P、I、D参数可根据实训需要调整，其他参数请参考默认设置。

（i）有关AI仪表的使用请参考说明书上相关的内容。

2．SA-13比值、前馈补偿及解耦装置挂件

比值、前馈补偿装置同调节器一起使用，既可实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈－反馈控制系统实验。

解耦装置同调节器一起使用，可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。

1.2.3远程数据采集控制组件

远程数据采集控制即我们通常所说的直接数字控制（DDC），它的特点是以计算机代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行A/D、D/A转换，控制算法全部在计算机上实现。

在本装置中远程数据采集控制系统包括SA-21远程数据采集热电阻输入模块挂件、SA-22远程数据采集模拟量输入模块挂件、SA-23远程数据采集模拟量输出模块挂件。

图1-3远程数据采集

采用北京鼎盛力创RemoDAQ8000系列智能采集模块，其中R-8017是8路模拟量输入模块，R-8024是4路模拟量输出模块，R-8033是3路热电阻输入模块。

RemoDAQ8000系列智能采集模块通过RS485等串行口通讯协议与PC相连，由PC中的算法及程序控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出、脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能。

图1-4所示即为远程数据采集控制系统框图。

图中输入输出通道即为RemoDAQ8000智能采集模块。

图1-4远程数据采集系统框图

1.2.4PLC控制组件

可编程控制器（简称PLC）是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。

目前国内外PLC品种繁多，生产PLC的厂商也很多，其中德国西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7系列PLC，性能价格比越来越高。

S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC，S7系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。

在本装置中采用了S7-200控制系统.

S7-200是一种叠装式结构的小型PLC。

本实验系统包括一个CPU224主机模块和一个EM235模拟量I/O模块，以及一根PC/PPI连接线。

其中CPU224模块带有14点开关量输入和10点开关量输出，EM235模拟量扩展模块带有4路模拟量输入和1路模拟量输出。

图1-5所示为S7-200PLC控制系统结构图。

图1-5S7-200PLC控制系统框图

1.3　软件介绍

本装置中智能仪表控制方案、远程数据采集控制方案和S7-200PLC控制方案均采用了当今较为流行的“组态王6.22”组态软件作为上位机监控组态软件。

“组态王”是一套基于Windows平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系统。

“组态王6.22”为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，初具有完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以作企业监控网络等功能。

1.4　实验要求及安全操作规程

1.4.1　实验前的准备

实验前应复习教材中有关的章节，认真研读实验指导书，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。

1.4.2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。

1.4.3实验安全操作规程

1）　实验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，并请都是确认无误后，方能通电。

3）　在投运前，请先检查管道及冷门是否已按实验指导书的要求打开；储水箱中是否充水三分之二以上，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电位器。

6）　仪表应通电预热15分钟后再进行核验。

7）　小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。

第二章实验部分

实验一双容自衡水箱液位特性测试

一、实验目的

1．掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；

2．根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；

3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、实验条件

1．THJ－3型高级过程控制系统实验装置；

2．计算机、组态王工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根；

3．万用表1只。

三、实验原理

图2-1双容水箱对象特性测试系统

（a）结构图（b）方框图

由图2-1所示，被测对象由两个不同特性的水箱串联组成，故称其为双容对象。

自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。

根据教材讲述的对象特性测试原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：

G（s）=G1（s）G2（s）=

（2-1）

式中K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。

本实验中被测量为中水箱的液位，当上水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-2所示。

由图2-2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-2（a））；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图2-2（b）），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。

图2-2双容水箱液位的阶跃响应曲线

（a）中水箱液位（b）下水箱液位

双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。

在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取：

（1）h2（t）|t=t1=0.4h2（∞）时曲线上的点B和对应的时间t1；

（2）h2（t）|t=t2=0.8h2（∞）时曲线上的点C和对应的时间t2。

图2-3双容水箱液位的阶跃响应曲线

然后，利用下面的近似公式计算式

（2-2）

（2-3）

（2-4）

0.32〈t1/t2〈0.46

由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-1）所示的传递函数。

在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间

。

于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：

G（S）=

（2-5）

四、实验内容与要求

本实验选择上水箱和中水箱串联作为被测对象（也可选择中水箱和下水箱）。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-7全开，将上水箱出水阀门、中水箱出水阀门开至适当开度（上水箱出水阀开到70%左右，中水箱出水阀开到50%左右），其余阀门均关闭。

（一）、智能仪表控制

1．将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下图连接实验系统。

智能仪表1常用参数设置如下，其他参数按照默认设置：

HIAL=9999，LoAL=-1999,dHAL=9999,dLAL=9999,dF=0,CtrL=1,Sn=33,dIP=1,dIL=0,dIH=50,oP1=4,oPL=0,oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。

2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

3．打开上位机组态王环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。

4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），此操作需通过调节仪表实现。

5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。

6．液位平衡后，突增（或突减）仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将下图所示。

7．根据前面记录的液位和仪表输出值，按公式（2-2）计算K值，再根据图2-3中的实验曲线求得T1、T2值，写出对象的传递函数。

注意：

1．做本实训过程中，阀v2不得任意改变开度大小；

2．阶跃信号不能取得过大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性，一般阶跃信号取正常输入信号的10％；

3．在输入阶跃信号前，过程必须处于平稳状态。

五、实验报告要求

1．画出双容水箱液位特性测试实验的结构框图。

2．根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出双容水箱液位对象的参数及传递函数。

3．综合分析以上五种控制方案的实验效果。

六、思考题

1．做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？

2．用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？

3．如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线与用中水箱和下水箱做实验的曲线有什么异同？

并分析差异原因。

4．引起双容对象滞后的因素主要有哪些？

实验二双容水箱液位定值控制系统（单回路）

一、实验目的

1．通过实验进一步了解双