过程控制综合实践指导书A3000实验部分Word文档格式.docx
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即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要接触任何具有超过安全电压的裸露端子，否则接触各种充电回路可能造成触电事故。
请不要用湿手操作设定各种现场对象系统上的旋钮及按键，以防止触电。
对于电缆，请不要损伤它，不要对它加过重的应力，使它承载重物或对它钳压。
否则可能会导致触电。
包括布线或检查在内的工作都应由专业技术人员进行。
在开始布线或维修之前，请断开电源，经过10分钟以后，用万用表等检测剩余电压后进行。
防止烫伤
不要接触热水管道，避免高温烫伤。
在热水没有冷却时，不要打开锅炉，不要进行任何维修维护工作。
注意
请尽量控制水温在70度以下，以免高温烫伤，延缓设备老化时间，提高产品寿命。
防止损坏
在水泵运行状态，不要拔起安全实验连线，或者突然开启或关闭变频器电源，否则可能损坏变频器。
在水箱水位没有达到一定高度，不能启动三相调压器操作，否则可能损坏加热器。
该系统增加了硬件的连锁保护，但是也要在操作时注意。
系统应远离可燃物体。
系统发生故障时请断开电源。
否则可能因电流过大导致火灾。
各个端子上加的电压只能是使用手册上所规定的电压，以防止爆裂、损坏等。
确认电缆与正确的端子相连接，否则，可能会发生爆裂、损坏等事故。
始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。
第2章A3000现场系统使用说明
2.1系统简介
A3000操作控制教学与实验系统包括以下部分：
A3000-CS操作控制系统；
A3000-FBS总线型现场系统或A3000-FS常规型现场系统。
系统的消耗指标：
三相四线制电源（380VAC），最大用电6kW；
单相电源（220VAC），最大用电1kW；
自来水150升，重复使用。
2.1.1现场系统组成
A3000高级操作控制实验系统独创现场系统概念。
现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括电动调节阀、变频器及移相调压器）、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。
现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。
这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统方便连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。
该部分工艺流程简图如图2-1所示：
图2-1A3000FS工艺流程示意图
现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统，一个硬件联锁保护系统。
传感器和执行器系统包括5个温度传感器、液位传感器（1～3个可选）、1个压力变送器，两个流量计（可选涡轮或电磁流量计），1个电动调节阀（可选变频器），一个或两个电磁阀，2个液位开关。
面板左侧设置：
Ø
电源：
220VAC单相电源开关，380VAC三相电源开关（学校可能要求全部为220V交流电）。
开关：
三个旋钮开关，分别是1＃、2＃工频电源开关，以及变频器控制水泵的开关。
可以拔出上面水泵的电力连线，连接到不同的位置，从而更改各个水泵的电力来源。
可以是工频，也可以是变频器。
如果用户不需要变频调速，则建议全部使用工频控制。
按照设计，使用变频器控制的水泵，其面板对应的指示灯可能不工作，这是为了保护继电器。
两个拨动开关，分别是现场系统照明用电源开关，以及变频器STF（正转）控制开关。
注意在机柜上还有并联的一个STF控制端，如果要设置工作模式，请断开该控制端。
为了避免控制逻辑太复杂，我们一般不连接机柜上的这个开关。
电压表：
显示加在调压器上的电压值。
变频器：
对于A3000-FBS总线型现场系统，则具有ProfibusDP控制端子。
但是面板控制、4-20毫安控制对所有变频器都可以操作。
面板右侧是现场系统的模拟屏，安装有5个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。
当水泵、电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。
当锅炉内水位超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制指示灯点亮，可以开始对锅炉加热。
由于指示灯的增加可能导致系统不必要的复杂化，在以后的版本中可能删除指示灯，不另外通知。
现场系统包含两个支路。
支路1有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。
支路2有2#水泵，压力传感器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。
2.1.2支路1分析
支路1包括左边水泵，1#流量计，电磁阀等组成，可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。
水泵可以使用变频器控制流量，电磁阀可能没有。
由于支路1可以与锅炉形成循环水，可以做温度控制实验。
为了保证加热均匀，应该使用动态水，本系统设计了一个水循环回路来达成此目的。
即打开QV114、QV111、QV109，关闭其它阀门（注意QV113），开启1#水泵，则锅炉内的水通过1#水泵循环起来。
锅炉内有高、低限两个液位开关，可以进行联锁保护。
当锅炉内液位低于低限液位开关时，液位开关打开，加热器无法开启。
当液位超过它时，液位开关合上，加热器信号连通，因此可以防止加热器干烧。
高限液位开关有两个作用：
第一，当锅炉内水温超过温度上限时，通过联锁控制，打开2#电磁阀，注入冷水，使锅炉内温度快速下降；
第二，当锅炉内水量超过液位上限时，高限液位开关闭合，通过联锁控制，关闭2#电磁阀，不再注入冷水。
支路1上有一个工业用板式换热器，其冷、热水出口各有一个温度传感器，可以做热量转换实验。
锅炉底部连接有滞后管系统。
打开JV501、JV502，关闭JV503，锅炉内的水只流过第一段滞后管，进入储水箱。
打开JV503，关闭JV502，水流过两段滞后管，即增加了滞后时间。
在滞后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后实验。
2.1.3支路2分析
支路2包括右边的水泵，2#流量计（涡轮或电磁流量计），压力变送器，电动调节阀。
可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。
水泵可以使用变频器控制流量，也可以使用电动调节阀，都是4～20mA电流控制。
对于小流量使用调节阀比较准确，对于要求快速控制的，则使用变频器比较方便。
支路2有一个电动调节阀，配合三个水箱。
三个水箱可各装一个液位传感器，也可以中、下水箱或只下水箱装液位传感器。
可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、液位和流量串级实验，换热器温度串级实验，以及换热器解耦控制实验。
系统水箱装有压力传感器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。
（液位串级需要两个液位传感器，而换热器解耦需要换热器）。
对于单容实验，配有一块反正切闸板、一个截面呈三角形的柱体。
反正切闸板替换矩形闸板，用于不同阻力下液位数学模型的测定实验。
三角形柱体放入水箱中，可以做非线性容积实验，以及单容水箱容积改变的液位数学模型测定实验。
对于流量控制实验，可以选择支路2，用电动调节阀或变频器作为执行器。
同时启动两个支路的水泵，可以做比值控制实验：
将支路1流量固定（用涡轮流量计操作流量值），设定一个比值系数，用PID控制支路2的流量与支路1成比例。
对于较复杂的前馈-反馈控制实验，设计使用两个支路的多个设备来完成。
包括：
锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、1#流量计、2#流量计。
前馈控制部分，通过操作换热器热水入口温度及流量，控制调节阀开度，实现冷水流量控制；
反馈控制部分，通过操作换热器热水出口温度，控制调节阀开度，实现冷水流量控制。
2.2设备使用简介
2.2.1传感器变送器
2.2.1.1温度变送器
温度变送器为两线制，24V直流电驱动。
如图2-2所示：
图2-2温度变送器接线原理图
现场系统的温度传感器为Pt100热电阻，量程为0～100℃，采用导线补偿，即将A、C短接。
操作信号为4～20mA电流信号。
温度变送器零点、量程调节方式：
将Pt100热电阻换成100Ω标准电阻，调整零点调节螺钉，当操作仪表显示4.00mA时，零点已调好。
将Pt100热电阻换成125Ω标准电阻，调整量程调节螺钉，当操作仪表显示14.17～14.18mA时，量程已调好。
一般情况下，温度变送器在出厂时已校好，不需用户调整。
如果Pt100或者温度变送器出现超过1度左右的误差，则可以进行零点或满度调节。
变送器和温度传感器作为一个整体，可以通过操作冰块温度，从而调节零点，然后使用一个能准确操作温度的单元同时操作一个温度，调节满度，以便显示同一个数值。
温度的范围在当前温度到80℃之间，最好不要超过80℃。
按照学校要求，可能有热电偶，一般使用康-铜热电偶。
2.2.1.2液位压力传感器
液位压力传感器是两线制接法，操作信号为4～20mA电流信号。
如图2-3所示：
图2-3压力传感器接线原理图
端口ab之间接负载（250～500Ω）。
检验压力传感器信号时，在ab之间串一个标准电阻，然后测其上的压降，可以算出ab间的电流。
无水时应显示3.85～4.00mA，吹入空气，电流值增大。
液位传感器实际是一个压力传感器。
当水箱中没有水时，ab间的电流应当为4.00mA（标准状态），但由于安装位置原因，ab间的电流约为3.8～4.0mA（百特仪表量程范围设为4～20mA）。
如果误差比较大，则可以在控制系统中进行校正。
例如如果操作值低于4毫安，则直接显示0。
然后操作值上加上一定高度，从而获得比较准确的液位高度。
一般操作控制不要求这个绝对高度。
注意：
加电几分钟后才能获得准确数值。
液位的控制范围在0%--85%之间，而电流范围在4-17.5mA之间。
压力的控制范围在35%--70%之间，而电流范围10-15.5mA之间。
2.2.1.3涡轮流量计
涡轮流量计有两种，一种是直接脉冲操作，然后连接到流量积算仪，或者脉冲计数器，例如ADAM4080，采集卡的计数器端等；
一种是带4-20毫安标准两线制信号操作。
脉冲操作型涡轮流量计采用三线制接法，如图2-4：
图2-4涡轮流量计接线原理图
涡轮流量计操作脉冲信号，具有一个流量系数（例如LWGY-15型号为760~780立方米/小时，LWGY-10型号为1550~1570Hz/立方米/小时）。
需要经过流量积算仪或其他频率计数器才能获得4-20毫安的数据。
如果发现有涡轮流量计的水泵支路水流量不够，请确认JV104打开，JV304关闭。
否则就需要拆下涡轮流量计滤网进行清洗。
采用4-20毫安标准两线制的涡轮流量计则直接按照如图2-5接法：
图2-5涡轮变送器接线原理图
LWGYA-15型号的量程范围0-5立方/小时。
该型号操作小流量（<
0.6立方/小时）信号下精度不足。
流量控制范围可以0%-32%。
为了保证低流量下的精度，我们可以使用满量程1.2立方/小时的涡轮流量计LWGYA-10，所以如果超过量程，则可以关闭少一些阀门。
流量控制范围可以0%-100%。
2.2.1.4电磁流量计
电磁流量计采用四线制接法，如图2-6所示：
图2-6电磁流量计接线原理图
一般不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。
使用前请仔细阅读产品说明书。
开启水泵，将电磁流量计信号输入百特仪表（量程设为0～3立方/小时），会看见流量值。
电磁流量计液晶屏上会显示瞬时流量与累积流量值。
不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。
为了保证低流量下的精度，我们使用了满量程3立方/小时的电磁流量计，依据水泵的最大流量。
流量控制范围可以0%-55%。
2.2.2各仪表简介
2.2.2.1三菱变频器
两个水泵都可以使用220V工频控制。
尽量不要使用变频器控制，因为变频器的干扰比较大。
可能导致操作误差大，或者通讯速率大大降低。
我们的系统设计已经可以最大限度地减少变频器干扰。
为了方便控制，我们已经把变频器设定为电流控制状态，即工作模式3。
把RM端定义为AU，并连接到SD端。
启动变频器后，打开变频器STF开关，变频器就开始按照给定的电流操作，而不是等待按RUN键，关闭变频器STF开关可以关闭操作。
按STOP键也可以关闭操作，但此时只能关闭变频器，断开后再启动才能继续工作。
在把STF启动拨动开关断开后，可以设置到面板控制模式。
通过旋钮进行频率设定。
如果要学习变频器其他各种设定。
则打开变频器外盖，自己进行连接。
强烈提醒非专业人员不要这样操作。
即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。
因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装工作。
操作变频器操作模式有多种：
设定模式PR79模式0，则可以切换PU操作或外部操作。
设定模式PR79模式1，则可以PU操作。
设定模式PR79模式2，则可以外部操作。
设定模式PR79模式3，则4-20毫安频率设定，STF,STR启动。
设定模式PR79模式4，5其他操作模式。
最常用的有两种：
A3000的PU操作就选择模式0，通过PU键切换到PU操作，然后通过旋钮设定频率，RUN按钮启动。
4-20毫安操作选择模式3，通过启动开关启动，然后外部4-20毫安控制。
调试与操作步骤：
（1）面板操作
变频器上电，液晶屏显示：
首先断开STF和SD的连接（启动旋钮），按
键，设置PU操作模式，PU显示灯亮。
旋转
直到显示为希望的频率值（设30），约5秒闪灭。
在数值闪灭期间，按SET键，设定频率数值。
闪烁3秒后，显示屏回到0.0显示状态，按RUN键运行。
将1#或2＃水泵实验用插线接到变频器开关插座上，启动水泵，水泵开始工作。
按
键，变频器停止工作。
（2）4～20mA电流控制
键，进入参数设定模式，拨动
选择参数Pr.79（操作模式选择），设定为3。
将水泵实验用插线接到变频器，上电，输入一个4～20mA电流信号到变频器的4、5号端子，启动旋钮设置到ON位置，水泵运转。
改变输入的电流值，可以看到操作的频率也改变了。
调试完，将参数Pr.79设为0。
2.2.2.2西门子变频器
西门子变频器可以BOP面板操作，可以4-20毫安控制，可以使用PROFIBUS-DP总线控制。
不需要增加任何硬件就可以进行这些模式的操作。
西门子变频器是带PROFIBUS-DP总线的，通过PROFIBUS-DP总线与控制器连接。
可以由单相/三相230V直流供电，本系统采用220V单相交流电。
单相电源接线方式如图2-7，2-8所示：
图2-7MICROMASTER420变频器的连接端子
图2-8电源接线方式
本系统使用了变频器的STF功能，其控制线接端子5和8，速度调节控制线接端子3和4，端子U、V接负载。
变频器的操作面板上需要提供24V直流电源。
变频器的控制电缆，电源电缆和与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离。
不要把它们放在同一个电缆线槽中/电缆架上。
使用前请参照产品说明书（中文）420opichn.pdf
按钮
功能
功能说明
状态显示
LCD显示变频器当前的设定值。
起动变频器
按此键起动变频器。
缺省值运行时此键是被封锁的。
为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。
停止变频器
OFF1：
按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车.缺省值运行时此键被封锁；
为了允许此键操作，应设定P0700=1。
OFF2：
按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。
此功能总是“使能”的。
改变电动机的转动方向
按此键可以改变电动机的转动方向。
电动机的反向用负号（－）表示或用闪烁的小数点表示。
缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。
电动机点动
在变频器无操作的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。
释放此键时，变频器停车。
如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。
此键用于浏览辅助信息。
变频器运行操作中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）：
1.直流回路电压（用d表示–单位：
V）
2.操作电流（A）
3.操作频率（Hz）
4.操作电压（用o表示–单位：
5由P0005选定的数值（如果P0005选择显示上述参数中的任何一个（3，4，或5），这里将不再显示）。
连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。
跳转功能在显示任何一个参数（rXXXX或PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到r0000,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。
跳转到r0000后，按此键将返回原来的显示点。
访问参数
按此键即可访问参数
增加/减少数值
按此键即可增加/减少面板上显示的参数数值。
一些重要参数的含义：
P0010开始快速调试
0准备运行
1快速调试
30工厂的缺省设置值
P0700选择接通/断开/反转（on/off/reverse）命令源
0工厂设置值
1基本操作面板（BOP）
2模入端子/数字输入
6来自总线命令。
如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。
注意要P0917=0。
P1000选择目标频率设定值来源
0无频率设定值
1用BOP控制频率的升降
2模拟设定值
6来自总线命令。
P0004参数过滤器
2变频器
4PI比例积分控制器
10设定值通道和斜坡函数发生器
20通讯
22变频器PID控制参数
P0003参数访问级
变频器的参数有4个用户访问级；
即标准访问级，扩展访问级，专家访问级和维修级。
访问的等级由参数P0003来选择。
对于大多数应用对象，只要访问标准级（P0003=1）和扩展级（P0003=2）参数就足够了。
如果使用总线控制，可以使用P0003=3，具有更高等级访问更多参数。
P0970复位到原厂默认值
操作
常用操作模式有三种：
BOP面板操作。
一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后设定P0010=0、P0700=1、P1000=1。
4-20毫安控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=2、P1000=2。
Profibus总线控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=6、P1000=6。
具体请参考多媒体系统。
在设定好之后，并不一定需要STF启动拨动开关，而直接就可以通过P0700的不同设置来启动，例如面板，或者总线命令。
调试和操作步骤
调试在基本操作面板上进行。
变频器通电后，液晶屏在
状态下，按
，进入参数设置状态。
或
键，直到显示P0700（其值为1时才能启用BOP面板控制），按
键，显示其参数值，按
键，修改其参数值为1，再次按
键设定参数。
同以上操作，修改P0003和P0004参数值为2。
修改P0010参数值为1，进入快速调试模式。
设定P1000参数值为1，表示用BOP操作面板控制。
设定P1080和P1082参数值，分别为设置电动机频率的最小（0Hz）、最大值（50Hz）。
以上几个参数设置顺序可颠倒，设置完后，应将P0010设为0，进入准备运行状态。
键，直到显示
，按启动键
，显示数值从0变化到5，此时变频器已启动，按
键，设定频率为30～50之间，可听到继电器动作。
若将水泵插线头接上，可以启动水泵运转。
我们使用Profibus面板进行控制，使用PPO1数据结构。
这是最简单的控制方式。
具体请参考文件MM4_Profibus_Eng.pdf。
频率对应的数值，0-0Hz16385-50.00Hz,可以提供如下转换公式:
AV:
=REAL_TO_WORD（16385*IN/50）;
IN是目标频率，AV为要操作的数值。
2.2.2.3水泵
水泵额定扬程6-10米，额定流量1-2立方/小时。
尽量使得流过水泵的水温不超过80度。
水泵上的开关设置最好为“常开”。
水泵不能无水空转，容许一定时间内堵转。
如果发现水泵发热而不能转动，则可以拆开水泵下面的4个螺钉，脱离底座，上电然后看转叶轮转动，如果转动，然后再安装到底座上。
如果发现调节阀已经全开，而水量不够，则可能水箱中水已经不够，请加水到水泵出口高到一定程度，最好超过10厘米。
如果使用切换工频或变频控制，则要求停止后再切换。
工作电压220V，误差不超过10%。
2.2.2.4电动调节阀
电动调节阀采用四线制接线，电源为220VAC，其信号线分为输入控制信号和阀位操作信号（4～20mA）。
接通220VAC电源后，打开保护盖，可以看见指示灯亮起，用百特仪表手动操作20mA（量程设置为4～20mA）到控制端，齿轮开始旋转，同时调节阀的轴向上移动到最大行程。
若施加一个电流信号，调节阀不动作，可以操作信号线两端电阻值，大小为250Ω。
反之，没有电阻值，表示信号线已断开。
用百特仪表检验时，将调节阀的操作信号接到百特仪表，操作其电压值，若大于12V，则表示信号线断开。
如果输入20毫安而没有全开，输入4毫安没有全部关闭，或者发现电机转动而轴不动（死转）。
则需要调整各个可调电阻，包括上限位、下限位等。
至少不能电机转动而轴不动，久了就会损坏设备。
2.2.2.5加热管
一般为6KW，三相三角形接法。
经过多月实验之后，如果加热管效率大大降低，
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