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4型使用说明

JBS-GK04型过程控制实验装置

（使用说明书、实验指导书）

TheExperimentEquipmentOfProcessControl

“JBS-GK04过程控制实验装置”实验目录

第一部分产品使用说明

一、“JBS-GK04过程控制实验装置”系统组成………………………………………………3

二、“JBS-GK04过程控制实验装置”工艺流程说明…………………………………………5

三、“JBS-GK04过程控制实验装置”上位机操作说明………………………………………7

四、“JBS-GK04过程控制实验装置”系统维护………………………………………………13

第二部分实验内容

实验一、单回路1控制……………………………………………………………………………15

实验二、单回路2控制……………………………………………………………………………18

实验三、单回路3控制……………………………………………………………………………20

实验四、串级1控制………………………………………………………………………………21

实验五、串级2控制………………………………………………………………………………23

实验六、串级3控制………………………………………………………………………………25

实验七、压力控制…………………………………………………………………………………27

实验八、温度控制…………………………………………………………………………………29

实验九、比值1控制………………………………………………………………………………31

实验十、比值2控制………………………………………………………………………………33

实验十一、选择1控制……………………………………………………………………………35

实验十二、分程控制………………………………………………………………………………37

实验十三、双回路控制……………………………………………………………………………39

实验十四、前馈控制………………………………………………………………………………41

实验十五、执行器工作点选择实验………………………………………………………………44

第一部分

产

品

使

用

说

明

一、JBS-GK04过程控制实验装置系统组成

目前国内的各大院校的过程控制实验装置大多是自己研制的，它们结构较为简单，仅能进行简单的实验，已经远远满足不了现代教育的要求。

国内厂家生产的一些实验装置档次和价格都较高且难于讲解使用，还有一些结构过于简单，虽然价格较低，但使用功能较少。

我们在广泛研究市场的基础上，巧妙灵活的设计了一种价格适中，功能齐全，适应现代教学的实验台。

它不但涵盖了大学本科过程控制方面的实验内容，方便学生动手实验，同时也可用于硕研和博研的各种实验。

其中有些设计在同类装置中属于首创，已申请专利。

系统组成

JBS-GK04型过程控制实验装置包括被控对象和控制桌两部分。

被控对象由执行器、变送器、上下水槽、水箱、管路有机地组成；控制桌装有控制器、数显表、液晶显示器等，控制器通过通讯电缆与上位机通讯。

被控对象的变送器信号和执行器的供电分别通过屏蔽电缆线与控制桌连接的。

示意图如下：

屏蔽电缆

通讯电缆

屏蔽电缆

以上为系统的示意图。

变送器信号包括2个液位变送器、2个流量变送器、1个温度变送器和1个压力变送器，这6个变送器均输出4-20mA标准信号；数显表一共6块，分别对6个变送器来的电流信号进行数值的实时显示；控制器包括PLC主机和3个扩展模块，实现对被控对象中变送器信号的采集和输出控制信号；执行器包括2台变频器、2台水泵、1个电动调节阀和1个加热器。

具体见下面说明：

被控对象：

两水槽液位、水槽2的温度、电机2出水压力、水泵1和水泵2出水流量。

检测装置：

两个液位变送器，一个压力变送器和一个温度变送器，两个电远传玻璃转子流量计。

执行机构：

一个电动调节阀，两个变频器及两台水泵,一个固态继电器（控制加热器用）。

控制系统：

西门子小型PLC（S7-200CPU224主机、模拟量输入模块EM231、模拟两输入输出模块EM235和模拟量输出模块EM232，一条编程通讯电缆），四个典型控制参数（液位、流量、压力、温度），可组成多种控制实验。

上位机：

采用组态王6.51开发的人机操作界面，S7-200编程软件。

系统特点

1、设计巧妙，充分应用现有装置，实现多种实验

本装置中有六个检测单元、三个执行机构和六个控制回路，可以方便的组合成多种控制实验，可通过计算机（使用PLC的自由口通讯方式）对系统进行监控。

特别是本实验装置可组成耦合程度可调的双输入双输出控制系统，通过调节截止阀的开度来调节耦合程度。

2、充分模拟工业控制现场，实验效果很好

为了更好的模拟工业现场，本实验装置采用两台水泵,在单输入单输出控制回路中一台水泵供水，另一台水泵可通过变频器调节转速而产生有规律或无规律波动的干扰量。

3、实验操作简单、直观

人机界面良好，计算机用立体画面显示被控对象的流程、实时趋势曲线和数据报表等。

控制桌上装有变频器BOP面板，六个智能显示仪表，PLC控制单元和液晶显示器。

实验者可以在面板上直接看到各参数变化情况，实验操作也更直观。

4、可组成非线性系统

本实验装置有四个水槽，分上下两组，上面一组水槽有三个，互相通过手调阀连接，其中的两个水槽横截面积随高度而变化（其中的一个上粗下细，另一个下粗上细）。

这样可组成两组线性/非线性的液位控制系统，而且可以在控制过程中改变水槽之间的连接状态来改变被控对象的模型，可进行非线性系统的控制，也检验控制算法的鲁棒性。

5、实验装置正面上下两个水槽的正面装有玻璃挡板，学生可直接观测系统的进水和出水情况。

具体工艺流程，请参看“JBS-GK04过程控制实验装置”工艺流程说明”一节。

二、JBS-GK04过程控制实验装置工艺流程说明

工艺流程

上一节已经对装置做了简单的介绍，这一节将着重介绍装置的工作情况，请参考下图：

阀1阀2

阀4

LT/01

阀3

阀5阀6

阀7阀8

~220

LT/02

阀10

压力表1压力表2

阀9

电动阀PT/01

水泵1水泵2阀12

阀11

被控对象示意图

注：

*带箭头的粗线表示实验时水流方向。

*“阀？

”表示的是手动阀，也就是普通的球阀，其标号只为说明方便。

水泵1从水箱中抽水，经过电动阀、流量计1、阀1和阀7分别给水槽1和水槽2供水；水泵2也从水箱中抽水，通过阀12、流量计2、阀2和阀8分别给水槽1和水槽2供水。

水槽1通过阀6可自己走水，水槽2也可通过阀10自己走水，水槽1和水槽2通过阀5连接。

水槽1通过阀3和阀4各连接了一个非线性部分，其中左侧的下细上粗，右侧的下粗上细，通过调节阀3和阀4的开度，可实现液位的非线性控制。

实际制作时，我们将这两部分非线性和在了一起做成一个水槽，其大小形状和水槽1一样，只是在里面加了一个倾斜的挡板。

两个水泵由控制桌（上节中一提过）上的两个变频器分别控制，控制器中的EM232的两个模拟输出（0-10V）分别控制两台变频器；电动阀由控制器中EM235的模拟输出（4-20mA）控制；加热器采用PWM控制（PLC主机的Q0.1）。

变送器安装如下：

水槽1装有一个液位变送器（LT/01），水槽2装有一个温度变送器（TT/01）和一个液位变送器（LT/02），水泵2出水口处装有一个压力变送器（PT/01）和一个流量变送器（FT/02），水泵1出水口处装有一个流量变送器（FT/01）。

这些信号通过屏蔽电缆被送到数显表和模拟量输入模块中（EM235和EM231），原理图如下：

-+

信号+-

注：

*24V电源给变送器供电，AI模块和数显表采集的是变送器输出的电流信号

加热器的控制原理图：

~220V

Q0.1

加热器

M

本节最后，我们为您提供详细的电气原理图

技术规格

1、技术条件

供电电源：

单相三线220VAC±5%，50Hz

功耗：

未加热时最大1KW，加热时最大2.5KW

环境温度：

0℃～+50℃

相对湿度：

95%无结露

大气压：

86～106KPa

工艺介质：

水

环境空气：

不含腐蚀性气体

被控对象尺寸：

1100×600×1890（长*宽*高）

控制桌尺寸：

1000×620×1560（长*宽*高）

2、输入规格：

热电阻Pt100：

0～100℃对应电流信号4～20mA（精度±0.5%）

液位变送器：

0～400mmH2O对应电流信号4～20mA（精度±0.5%）

压力变送器：

0～0.06MPa对应电流信号4～20mA（精度±0.5%）

流量变送器:

100～1000L/H对应电流信号4～20mA（精度±1.5%）

3、输出规格

电动调节阀：

电流输入4～20mA对应于阀开度0～100（死区≤±1.0%）

变频器：

0～50Hz对应于水泵转速0～3000r/min

4、接线要求

被控对象与控制桌之间由航空插头对应连接即可。

上位机按计算机系统要求接好电源即可。

被控对象供电时必须接地，220VAC的L，N相要接对。

三、JBS-GK04过程控制实验装置上位机操作说明

本套实验装置的上位机画面，我公司采用组态王6.51编写，总图如下：

在上位机画面中，有流程图、实时趋势曲线、参数设定、数据报表、历史趋势曲线、回路选择、实时趋势曲线2几种画面。

下面分别对各个画面做详细介绍，进入程序运行环境后，出现的就是上图，点击“回路选择”按钮后，出现下图：

“回路选择”画面的功能就是选择要做的某个实验，每个实验都对应一个选择点，选中某个实验后，点击右侧的“确定”按钮，系统就自动弹出此实验的流程图。

根据提供的流程图，熟悉此实验的原理和流程。

了解了此实验的原理和流程后，再点击”参数设定“画面，如下图

“参数设定”画面的作用是设定PID参数值、设定值、正反作用、和手动控制器的值、采样时间等。

下面对“参数设定”画面中的一些符号进行说明：

调节PID参数说明：

1001

Mn=*en+*en+MX+TD*en–en-1

PTI

注：

*在上式中100/P=KC,1/TI=KI,TD=KD其中KC,KI,KD相当于通常的PID参数。

因此，上位机“参数设定”画面中，P值越大，比例作用越弱；TI值越大，积分作用越弱，TD值越大，微分作用越强。

*各参数范围：

P：

1～99999；TI：

1～99999；TD：

0～99999

符号说明：

ACT：

正反作用，N为负反馈（默认），P为正反馈。

AM：

手自动，A为自动，M为手动，Ｃ为串级位。

MV：

执行器的输出，范围为0至100。

手动时可直接写数值，自动时显示PID输出值

PV：

测量值

SV：

设定值

TS：

采样周期，每5秒采样一次。

各回路参数范围：

LT01.PV=LT01、SV：

0~400（单位为毫米）

LT02.PV=LT02、SV：

0~400（单位为毫米）

PT01.PV=PT01、SV：

0~600（对应0~0.06MPa）

TT01.PV=TT01、SV：

0~100（单位为摄氏度）

FT01.PV=FT01、SV：

100~1000（单位为L/h）

FT02.PV=FT02、SV：

100~1000（单位为L/h）

MV：

0~100（对应变频器是0~50Hz或电动阀0~100开度）

注：

*手动调节时，每个回路的SV值跟踪PV值，实现手动到自动切换的无扰动

SV

PV

PV

SS

手动自动

手动时SV不跟踪PV

SV

SV跟踪PVPV

手动自动

手动时SV跟踪PV

经过对以上两幅图的比较可以看出，带有无扰动的曲线看上去更加直观。

“实时趋势曲线”的功能就是对被控对象上的6个参数进行上位机的实时曲线显示。

实时趋势曲线共有2个画面，每个画面包括4个显示控件，其中一个画面的4个控件分别显示液位1、液位2、流量1和流量2，另一个显示液位1、液位2、压力和温度。

下面是其中一个画面：

每个控件显示一个被控量的PV值、SV值和MV值。

控件的横坐标是时间；纵坐标是PV值、SV值和MV值的百分比，而且用不同的颜色表示：

PV用红色线表示，SV用绿色线表示，MV用蓝色线表示。

画面左上角有一个PV值显示，分别显示此画面中4个量的PV值。

“历史趋势曲线”的主要功能是可读取历史曲线（建议每次开始新的实验前删除旧的历史记录，这样便于记录查询）。

历史趋势曲线不但能进行被控对象上6个参数PV值的实时显示，还可以对过去时间控制过的量的PV值进行读取。

“历史趋势曲线”见下图：

“数据报表”的功能是对某段时间内的6个被控参数的PV值、SV值以及PID设定值进行读取，读取的时间间隔可任意设定。

数据报表是一定时间内，按照一定的时间间隔对被控量有关参数的数值显示。

记录好了相关参数，再结合历史趋势曲线。

就可对做过的某个或多个实验进行合理的分析。

“数据报表”画面见下图：

四、JBS-GK04过程控制实验装置系统维护

装置每年应进行一次计量检定，如果仪表误差超出范围，通常都是环境及振动冲击所导致，可对仪表校验来解决问题。

装置可提供产品出厂日起6个月的免费维修，如果是用户使用不当造成的损坏，或已超过保修期，则适当收取维修费用。

第二部分

实

验

内

容

实验一单回路1控制

一实验目的

1）掌握单回路1的结构和组成

2）掌握干扰对控制效果的影响

3）了解检测单元、控制单元和执行机构

4）了解变送器的工作原理和使用方法

5）了解电动调节阀的控制效果

二实验设备

检测单元：

液位变送器2

控制单元：

EM235的B输入口

执行机构：

电动调节阀（采用EM235的模拟输出口控制）

干扰信号：

水泵2

三实验流程图

不带干扰时的流程图：

注：

本装置中的电动调节阀和水泵1串联使用，单回路1中用电动调节阀作为执行器，但液位的高低需要水泵打水，所以，在单回路1的“参数设定”画面中有一个“变频器开度”项。

带干扰时的流程图

四实验原理

rey

-

不带干扰

re++y

-

带干扰

五操作步骤

1、进入程序运行环境，点击“回路选择”按钮，选中“单回路1”和“干扰2”后点击“确定”，根据弹出的原理图，打开手调阀1、2、4、6、7。

水泵2通过手调阀4、6对液位2产生干扰，实验时应使手调阀4、6尽量小。

2、点击“参数设定”后，在保证LC02.ACT=N，LC02.AM=M的情况下，先将LC02.MV=20（参考值），然后将变频器设定=100（参考值），确认后点击“开始运行”。

进入“实时趋势曲线”画面，观察LC02.PV值jkl的变化，同时调节手调阀1、3、7，使LC02.PV在手动（LC02.AM=M）情况下稳定在一个工作点上（一般稳定在满量程的中间位置附近）。

3、LC02.PV在手动情况下稳定后，设定LC02.P=20（参考值），LC02.Ti=1（参考值），LC02.Td=0（参考值）。

然后将LC02.AM=A，给液位2一个期望值（LC02.SV=？

？

？

）。

进入“实时趋势曲线”观察自动调节时曲线的变化情况。

4、重复第1、2步骤，改变PID参数后，再重复第3步骤，观察PID参数对控制回路的影响。

5、选择一组比较好的PID回路，在LC02.PV稳定在LC02.SV的情况下，给干扰2=？

？

？

，进入实时趋势曲线，观察干扰对自动情况的影响。

六实验总结

1绘制几组不同PID参数下的曲线，对照每个曲线，总结PID参数对控制效果的影响。

2画出同一PID参数下不带干扰、带干扰的2个趋势曲线。

下面给出一组实验总结2中要求曲线模型

mmmm

hh

不带干扰带干扰

注*绿色是SV值，红色是PV值

注意：

每次实验结束退出前都要把“参数设定”中的各参数值，修改回刚打开时的初始状态，避免各实验相互影响。

本实验指导书中的各种实验都有这个要求，以后就不再提示。

实验二单回路2控制

一实验目的

1）掌握单回路2的结构和组成

2）了解检测单元、控制单元和执行机构

3）了解水泵的控制效果

二实验设备

检测单元：

液位2变送器

控制单元：

EM235的B输入口

执行机构：

水泵1（采用EM232的第一个模拟输出口控制）

三实验流程图

注：

本装置中的电动调节阀和水泵1串联使用，单回路1中用电动调节阀作为执行器，但液位的高低需要水泵打水，所以，在单回路1的“参数设定”画面中有一个“变频器开度”项。

四实验原理

rey

-

五操作步骤

1、进入程序运行环境，点击“回路选择”按钮，选中“单回路2”后点击“确定”，根据弹出的原理图，打开手调阀1、2、7。

2、点击“参数设定”后，在保证LC02.ACT=N，LC02.AM=M的情况下，先将电动阀开度=100（参考值），然后将LC02.MV=70（参考值），确认后点击“开始运行”。

进入“实时趋势曲线”画面，观察LC02.PV值的变化，同时调节手调阀7，使LC02.PV在手动（LC02.AM=M）情况下稳定在一个工作点上（一般稳定在满量程的中间位置附近）。

3、LC02.PV在手动情况下稳定后，设定LC02.P=20（参考值），LC02.Ti=1（参考值），LC02.Td=0（参考值）。

然后将LC02.AM=A，给液位2一个期望值（LC02.SV=？

？

？

）。

进入“实时趋势曲线”观察自动调节时曲线的变化情况。

4、重复第1、2步骤，改变PID参数后，再重复第3步骤，观察PID参数对控制回路的影响。

六实验总结

1绘制几组不同PID参数下的曲线，对照每个曲线，总结PID参数对控制效果的影响。

实验三单回路3控制（流量控制）

一实验目的

1）掌握单回路3的结构和组成

2）了解检测单元、控制单元和执行机构

3）了解流量计的特性

二实验设备

检测单元：

流量变送器1

控制单元：

EM231的A输入口

执行机构：

水泵1（采用EM232的第一个模拟输出口控制）

三实验流程图

注：

本装置中的电动调节阀和水泵1串联使用，单回路1中用电动调节阀作为执行器，但液位的高低需要水泵打水，所以，在单回路1的“参数设定”画面中有一个“变频器开度”项。

四实验原理

rey

-

五操作步骤

1、进入程序运行环境，点击“回路选择”按钮，选中“单回路3”后点击“确定”，根据弹出的原理图，打开手调阀1、2、7。

2、点击“参数设定”后，在保证FC01.ACT=N，FC01.AM=M的情况下，先将电动阀开度=100（参考值），然后将FC01.MV=70（参考值），确认后点击“开始运行”。

进入“实时趋势曲线”画面，观察FC01.PV值的变化，同时调节手调阀1、2、7，使FC01.PV在手动（FC01.AM=M）情况下稳定在一个工作点上（一般稳定在满量程的中间位置附近）。

3、FC01.PV在手动情况下稳定后，设定FC01.P=20（参考值），FC01.Ti=1（参考值），FC01.Td=0（参考值）。

然后将FC01.AM=A，给流量1一个期望值（FC01.SV=？

？

？

）。

进入“实时趋势曲线”观察自动调节时曲线的变化情况。

4、重复第1、2步骤，改变PID参数后，再重复第3步骤，观察PID参数对控制回路的影响。

六实验总结

绘制几组不同PID参数下的曲线，对照每个曲线，总结PID参数对控制效果的影响。

实验四串级1控制

一实验目的

1）掌握串级1的结构和组成

2）了解检测单元、控制单元和执行机构

二实验设备

检测单元：

液位变送器1和液位变送器2

控制单元：

EM235的A和B输入口

执行机构：

电动调节阀（采用EM235的模拟输出口控制）

三实验流程图

注：

本装置中的电动调节阀和水泵1串联使用，单回路1中用电动调节阀作为执行器，但液位的高低需要水泵打水，所以，在单回路1的“参数设定”画面中有一个“变频器开度”项。

四实验原理

rey

--

五操作步骤

1、进入运行环境，点击“回路选择”按钮，选中“串级1”后点击“确定”，根据弹出的原理图，打开手调阀1、2、7。

2、点击“参数设定”后，在保证LC01.ACT=N，LC02.ACT=N，LC01.AM=M，LC02.AM=M的情况下，先将变频器设定=100（参考值），然后将LC01.MV=70（参考值），确认后点击“开始运行”。

进入“实时趋势曲线”画面，观察LC01.PV和LC02.PV值的变化，同时调节手调阀1、2、7，使LC01.PV和LC02.PV在手动（LC01.AM=M，LC02.AM=M）情况下稳定在一个工作点上（一般稳定在满量程的中间位置附近）。

3、LC01.PV和LC02.PV在手动情况下稳定后，设定LC01.P=20（参考值），LC01.Ti=1（参考值），LC01.Td=0（参考值）。

然后将LC01.AM=A，给液位1一个期望值（LC01.SV=？

？

？

）。

进入“实时趋势曲线”观察自动调节时曲线的变化情况。

4、待液位1在自动情况下稳定后，将LC02.P=20，LC02.Ti=1，LC02.Td=0，然后将LC01.AM=C，LC02.AM=A，给液位2一个期望值（LC02.SV=？

？

？

）。

进入“实时趋势曲线”观察串级是曲线的变化情况。

5、重复第1、2步骤，改变PID参数后，再重复第3、4步骤，观察PID参数对控制回路的影响。

六实验总结

1绘制几组不同PID参数下的曲线，对照每个曲线，总结PID参数对控制效果的影响。

实验五串级2控制

一实验目的

1）掌握串级2的结构和组成

2）了解检测单元、控制单元和执行机构

二实验设备

检测单元：

液位变送器2和流量变送器1

控制单元：

EM235的B输入口和EM231的A输入口

执行机构：

水泵1（采用EM232的第一个模拟输出口控制）

三实验流程图

注：

本装置中的电动调节阀和水泵1串联使用，单回路1中用电动调节阀作为执行器，但液位的高低需要水泵打水，所以，在单回路1的“参数设定”画面中有一个“变频器开度”项。

四实验原理

rey

--

五操作步骤

1、进入程序运行环境，点击“回路选择”按钮，选中“串级2”后点击“确定”，根据弹出的原理图，打开手调阀1、2、7。

2、点击“参数设定”后，在保证FC01.ACT=N，LC02.ACT=N，FC01.AM=M。

LC02.AM=M的情况下，先将电动阀开度=100（参考值），然后将FC0