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过程控制系统实验指导书

控制科学与工程系实验室

2006年10月

第一章实验装置说明2

第一节系统概述………………………………………………………........................................2

第一章实验装置说明

第一节系统概述

一、概述

“DDD-Z05-I型DCS网络控制系统”是由实验控制对象、实验控制柜、电源控制柜及上位监控PC机三部分组成。

它是根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。

本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集计算机技术、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。

该系统包括流量、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。

它既可作为本科、专科、高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。

学生通过本装置进行综合实验后可掌握以下内容：

1．传感器特性的认识和零点迁移；

2．和利时控制系统的初步使用；

3．变频器的基本原理和初步使用；

4．电动调节阀的调节特性和原理；

5．测定被控对象特性的方法；

6．单回路控制系统的参数整定；

7．串级控制系统的参数整定；

8．复杂控制回路系统的参数整定；

9．控制参数对控制系统的品质指标的要求；

10．控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养；

11．各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。

二、系统特点

●真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

●被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。

●具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号。

●具有控制参数和控制方案的多样化。

通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控制系统实验项目。

●各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现，实验数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。

●充分考虑了各大高校自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。

三、实验装置的安全保护体系

1．三相四线制总电源输入经带漏电保护装置的三相四线制断路器进入系统电源，系统电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表，三相带灯熔断器作为断相指示；

2．控制屏上装有一套电压型漏电保护和一套电流型漏电保护装置；

3．各种电源及各种设备均有可靠的自保护功能。

第二节DDD-Z05-I型控制系统对象

实验对象总貌图如图1-1所示：

图1-1实验对象总貌图

本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。

供水系统有三路：

一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀（第六套对象为气动调节阀）、直流电磁阀、涡轮流量计（第六套对象为电磁流量计）及手动调节阀组成；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；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。

一、被控对象

由不锈钢储水箱、有机玻璃上水箱、不锈钢锅炉汽包、4.5KW三相电加热模拟锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成）、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

1．水箱：

包括上水箱、储水箱。

上水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。

上水箱尺寸为：

D=25cm，H=20cm，该水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。

水箱底部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。

上水箱和汽包可组成二阶系统、双闭环串级控制系统。

储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：

长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上水箱、锅炉汽包的实验供水需要。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

2．锅炉汽包：

不锈钢精制而成，可利用它进行锅炉汽包虚假水位特性测试实验。

3．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），均由不锈钢精制而成，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、解耦控制等实验。

4．盘管：

模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），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。

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，可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。

5．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，彻底避免了管道系统生锈的可能性，有效提高了实验装置的使用年限。

储水箱底部有一个出水阀（图1-1中未画出），当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

二、检测装置

1．压力传感器、变送器：

两个压力传感器分别用来对上水箱和锅炉汽包的液位进行检测，其量程为0～5KPa，精度为0.5级。

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

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：

4～20mADC。

2．温度传感器：

装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。

Pt100测温X围：

-200～+420℃。

经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。

Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

3．流量传感器、变送器：

三个涡轮流量计分别用来测量电动调节阀控制的动力支路、变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量。

它的优点是测量精度高，反应快。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。

流量X围：

0～1.2m3/h；精度：

1.0%；输出：

4～20mADC（第六套对象电动阀支路流量采用电磁流量计进行检测）。

三、执行机构

1．调节阀：

前五套对象采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。

电动调节阀型号为：

QSVP-16K。

具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，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（第六套对象采用气动调节阀进行控制）。

2．水泵：

本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，进口直径：

16mm，出口直径：

12mm温度：

<=100℃，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。

泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。

本装置采用三台磁力驱动泵，一台为三相380V恒压驱动，另两台为三相变频220V输出驱动。

它是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品，具有全密封、无泄露、耐腐蚀的特点。

它以静密封取代动密封，使泵的过流部件处于完全密封状态，彻底解决了其它泵（如丹麦泵、齿轮泵等）机械密封无法避免的跑、冒、漏、滴之弊病，选用耐腐蚀、高强度的不锈钢作为制造材料。

结构紧凑、外形美观、体积小、噪音低、运行可靠、使用维修方便。

3．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。

电磁阀型号为：

2W-160-25；工作压力：

最小压力为0Kg/cm2，最大压力为7Kg/cm2；工作温度：

－5～80℃；工作电压：

24VDC。

4．三相电加热管：

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

5．全隔离三相交流调压模块：

全隔离三相交流调压模块内部集三相电相位检测、移相电路、触发电路和三组反并联单向可控硅于一体，用4～20mA标准电流信号自动控制来改变可控硅导通角，实现三相负载电压从0V到电网全电压的无级可调。

本装置采用了XX顺科固体继电器XX的STY-380D35型模块，配套使用的有三相同步变压器TB-3，可以实现温度的连续控制。

第三节DDD-Z05-I型DCS网络控制系统实验控制柜

一、网络介绍

“DDD-Z05-I型DCS网络控制系统实验控制柜”主要由两个FM801主控单元、电源模块、智能I/O模块等几部分组成。

系统采用和利时公司的MACSV分布式控制系统完成对六套对象数据的采集和监视。

整个网络系统由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络三个层次。

监控网络由一台工程师站、一台服务器、五台操作员站组成，实现系统服务器与工程师站、操作员站之间的数据交换，如图1-2所示。

系统网络实现系统服务器与现场控制站的互连，控制站采用双冗余方式；控制网络实现现场控制站与智能I/O单元的通讯。

智能I/O单元完成信号采集，然后由网络系统将数据和诊断结果传到服务器站，再由操作员站进行监控，实现六台操作员站同时控制六套对象进行实验。

工程师站分配用户名和密码后，操作员站才能进入系统控制对象，一套对象只能由一台操作员进行控制，没有进行对象控制的操作员站只能监视实验过程。

图1-2

二、硬件线路

六套对象分别有六个电源控制柜配套，对象信号线用屏蔽线与I/O单元连接，FM148模块采用两线制电流输入。

三、网络设置

首先设置各站点的IP地址：

站号

IP地址

子网掩码

服务器站

128.0.0.1

255.255.0.0

工程师站

128.0.0.50

255.255.0.0

一号操作员站

128.0.0.51

255.255.0.0

二号操作员站

128.0.0.52

255.255.0.0

三号操作员站

128.0.0.53

255.255.0.0

四号操作员站

128.0.0.54

255.255.0.0

五号操作员站

128.0.0.55

255.255.0.0

第四节软件介绍

一、MACSV系统软件

本装置中DCS控制方案采用了和利时公司的MACSV系统。

MACSV系统给用户提供了一个通用的系统组态和运行控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个能完成特定要求的应用系统。

系统组态后将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。

MACSV系统具有功能：

数据采集、控制运算、闭环控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事件顺序记录、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算、组态、调试、打印、下装、诊断。

有关MACSV系统的使用请参考配套光盘。

二、软件安装

将MACSV安装光盘插入光驱运行后，会弹出如图1-3所示窗口，在工程师站上首先安装SQL数据库，然后安装CodeSys2.3，数据库离线组态，最后安装操作员。

服务器站只安装服务器软件，操作员站只安装操作员软件就可以了。

安装步骤如下：

图1-3

第一步安装SQL数据库。

点击安装按钮后，在弹出的窗口点击OK进入下一步，如图1-4所示：

图1-4

按默认路径安装即可，点击OK，进入下一步如图1-5所示。

图1-5

第二步安装CodeSys2.3。

按提示点击下一步，如图1-6所示；

图1-6

点击下一步出现如图1-7所示窗口，选择HollysysBeijing添加到右边窗口。

图1-7

第三步安装数据库离线组态软件。

按提示点击下一步，安装在默认路径即可如图1-8所示；

图1-8

第四步安装操作员站，服务器站，操作员站的安装按默认路径点击下一步即可，服务器按照默认路径安装，如图1-9所示；

图1-9

点击下一步，进入选择服务器A/B机窗口，如图1-10所示。

图1-10

点击下一步，选择不接入GPS，如图1-11所示。

图1-11

单击下一步，进入串口选择窗口，如图1-12所示。

图1-12

点击下一步，选择重新启动计算机，如图1-13所示。

图1-13

三、软件组态步骤

第一步点击“开始”按钮，选择“MACSV组态软件”，在弹出的下拉菜单中选择“数据库总控”，然后在数据库软件的菜单栏中选择“工程”项，在其弹出的下拉菜单中选择“新建工程”后，出现新建工程对话框，如图1-14所示，输入DDDProject的工程名，生成的工程文件夹将被放在D盘的MACSV_ENG文件夹中；

图1-14

第二步将已有工程文件夹中的所有文件拷贝到D盘新建的DDDProject文件夹中；

第三步切换到数据库总控，选择新建的DDDProject工程，在菜单栏中选择“编辑”项，将弹出的下拉菜单选择“域组号组态”，然后在出现的对话框中选中DDDProject工程名，将其工程名添加到右边的窗口中，点击“确认”按钮完成操作，如图1-15所示；

图1-15

第四步点击工具栏中的红色按钮，使工程完全编译，最终生成控制器工程文件，信息框中显示“成功生成控制器工程文件”后，即可退出数据库总控软件，如图1-16所示；

图1-16

第五步点击“开始”按钮，选择“MACSV组态软件”，在弹出的下拉菜单中选择“控制器算法组态”，在出现的对话框中选择DDDProject工程名，然后在控制器算法组态软件的菜单栏中选择“在线”项，在其下拉菜单中选择“通讯参数”，对弹出的对话框进行设置，如图1-17所示；

图1-17

第六步在控制器算法组态软件的菜单栏中选择“在线”项，在其下拉菜单中选择“登陆”，然后点击“运行”，运行正常后退出控制器算法组态（注：

退出软件后还要右健点击右下脚的图标，完全退出控制器算法组态软件）；

第七步点击“开始”按钮，选择“MACSV组态软件”，在弹出的下拉菜单中选择“工程师在线下装”，然后在弹出的对话框中输入用户名和密码（用户名：

macsv密码：

macsv），并选择DDDProject工程名进入下装窗口；

第八步选择菜单栏中“系统命令”项，在其下拉菜单中选择“下装”后，会弹出如图1-18所示对话框，在对话框中选择服务器下装；

图1-18

单击下一步，会弹出下装站号选项，选择左边10号站添加到右边空白框中，如图1-19所示。

图1-19

然后点击“确认”进入下一步，出现选择服务器IP地址窗口，双击空白框中地址（128.0.0.1），设置服务器当前地址为128.0.0.1，如图1-20所示。

图1-20

单击下一步，完成服务器下装。

第九步选择菜单栏中“系统命令”项，在其下拉菜单中选择“下装”后，会弹出如图1-21所示对话框，在对话框中选择操作员下装；

图1-21

单击下一步，会弹出下装站号选项，选择50号站，空白框中选择128.0.0.50，如图1-22所示。

图1-22

单击下一步，完成50号操作员站下装。

第十步重复第九步完成其它操作员站的下装，全部下装完成后退出工程师在线下装软件；

第五节网络实验步骤

完成以上组态步骤后，在服务器站点击“开始”按钮，选择“服务器运行软件”，在弹出的下拉菜单中选择“启动服务器”。

服务器启动后，启动工程师站的操作员在线软件和所有已下装过的操作员站操作员在线软件，实验步骤如下：

第一步工程师站以teacher的用户名先登陆操作员在线软件，在软件的第一个画面中点击“进入对象控制窗口”按钮（注：

此按钮只对teacher用户有效，既对象控制窗口只有teacher用户能进入）。

第二步在菜单栏中选择“用户管理”，新建七个用户名分别为stu1、stu2、stu3、stu4、stu5、stu6、stuw的用户，其中前六个为操作员级的，设置不同的密码，最后一个为监视级的，并且没有密码。

前六个用户名分别对应控制六套对象，最后一个只能观察实验过程。

第三步工程师站在对象控制窗口中选择需要控制的对象号。

只有先选择对象后，stu用户才能控制相应的对象进行实验，在此窗口中还能观察各对象的实验情况。

第四步打开工程师在线下装软件，在菜单栏中选择“系统命令”项，在其下拉菜单中选择“消息发送”，将用户名和密码发到相应的操作员站，确认指定操作员站已登陆后（确认登陆方法：

在操作员在线软件右边的信息栏中能监测到用户登陆情况），在“用户管理”中修改该用户密码以便于下次其他操作员站进入此对象操作。

工程师站发送用户名和密码后，操作员站才能控制对象进行实验，如图1-23所示。

图1-23

第五步操作员收到用户名和密码后，进入操作员在线软件界面，以收到的用户名和密码登陆，进入到对象选择窗口。

然后在此窗口中选择对象进行实验，一个用户名只能进入一个对象进行实验（如：

stu1用户名只能控制对象1），在操作员在线软件的菜单栏中选择“信息条”选项可以看到当前登陆的用户名和级别。

第六步实验完成后一定要点击退出实验，使数据初始化后才能退出系统，否则对象会一直工作。

第七步当要切换操作员站控制同一对象进行实验时，先要让已经登陆此对象的操作员转到stuw监视级用户，然后工程师站发送新的用户名和密码给需要控制对象的操作员站。

第八步所有实验完成后，工程师站进入对象控制窗口，断开六套对象的网络连接，然后在操作员在线软件的用户管理菜单中新建一个工程师级的用户名，发送到所有操作员站，操作员站以此用户名才能退出操作员在线软件。

第六节实验要求及安全操作规程

一、实验前的准备

实验前应复习教科书有关章节，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。

实验前应了解实验装置中的对象、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。

认真作好实验前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。

二、实验过程的基本程序

1．明确实验任务；

2．提出实验方案；

3．进行实验操作，做好观测和记录；

4．整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实际动手能力，要做好各主题实验，就应做到：

实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。

三、实验安全操作规程

1．实验之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，并请指导老师确认无误后，方能通电。

3．在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，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量程电位器。

6．小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏设备。

实验一单容水箱液位特性测试实验

一、实验目的

1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；

2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；

3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、实验设备

DDD-Z05-I实验对象及DCS网络控制柜、DDD-Z05-III电源控制柜一台、计算机一台、万用表一个。

三、实验原理

所谓单容指只有一个贮蓄容器。

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

图1-24所示为单容自XX箱特性测试结构图及方框图。

阀门F1-1、F2-14和F1-6全开，设上水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9的开度可以改变Q2。

液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。

若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。

图1-24单容自XX箱特性测试系统

（a）结构图（b）方框图

根据动态物料平衡关系有

Q1-Q2=A

（2-1）

将式（2-1）表示为增量形式

ΔQ1-ΔQ2=A

（2-2）

式中：

ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量；A——水箱截面积。

在平衡时，Q1=Q2，

＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。

由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。

但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-9的阻力R成反比，即

ΔQ2=

或R=

（2-3）

式中：

R——阀F1-9的阻力，称为液阻。

将式（2-2）、式（2-3）经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为

W0（s）＝

＝

=

（2-4）

式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。

若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=

，x0=常数，则式（2-4）可改写为

H（s）=

×

=K

-

对上式取拉氏反变换得h（t）=Kx0（1-e-t/T）（2-5）

当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有

K=

＝

（2-6）

当t=T时，则有h（T）=Kx0（1-e-1）=0.632Kx0=0.632h（∞）（2-7）

式（2-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。

也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。

图1-25单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图1-25（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。

图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

H（S）=

（2-8）

四、实验内容与步骤

1．本实验选择上水箱作为被控对象。

实验之前先将储水箱中贮足水量，并确保电源控制柜与对象正确连接（两根航空电缆线），DCS网络控制柜主控单元正常运行，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14、全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度（50%-80%），其余阀门均关闭。

2．打开电源控制柜的空气开关，然后打开钥匙开关，并按下启动按钮。

3．运行操作员站在线软件，用工程师站分配的用户名和密码登陆（按第一章第五节网络实验步骤进行登陆），在对象选择窗口中选择控制对象，进入相应的对象主菜单中点击“实验一、单容水箱液位特性