A3000过程控制实验指导书实验用.docx
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A3000过程控制实验指导书实验用
A3000过程控制实验系统
实验指导书
V3.0
北京华晟高科教学仪器有限公司编制
第一章安全注意事项与设备使用
安全注意事项：
在安装、操作、维护或检查本系统之前．一定仔细阅读以下安全注意事项。
在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注童事项以后使用。
在本使用说明书中，将安全注意事项等级分为“危险”和“注意”。
！
危险：
不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。
！
注意：
不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。
注意：
根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能造成严重后果。
请遵循两个等级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。
1.1防止触电
尽管系统经过多层保护，还是请用户注意以下安全事项。
！
危险
严格要求系统可靠接地，包括现场对象系统，控制系统，接地电阻不大于4欧姆。
当通电或正在运行时，请不要进行任何维护、维修操作，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板，否则会发生触电的危险。
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。
1.2防止烫伤
！
危险
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，提高产品寿命。
1.3防止损坏
！
危险
在水泵运行状态，绝对禁止进行水泵切换控制操作，否则可能损坏变频器。
！
危险
在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，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。
！
注意
系统应远离可燃物体。
系统发生故障时，请断开电源。
否则系统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、损坏等等事故。
始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。
1.4现场系统组成
A3000现场系统（A3000-FS和A3000-FBS）包括三水箱，一个锅炉，一个强制换热器，两个水泵，两个流量计，一个电动调节阀。
其他还包括加热管，大水箱。
图见1-4-1。
1.5控制系统组成
A3000控制系统（A3000-CS）包括了传感器执行器I/O连接板、三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。
整个部分设计在一个工业机柜中，开放性极强。
一个前门，保证了设备防尘、散热等需要。
内部结构设计合理，布线完全按照工业要求，整齐、可靠。
系统结构如图所示。
左边是机柜布置简图，右边是各个控制系统的半模拟屏简图。
A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。
现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及调压器）、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。
1、A3000特点
（1）现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。
它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实验功能。
从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。
（2）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。
（3）现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。
（4）现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更安全、具有更大的扩展性。
A3000-FS系统结构原理图如图2-1-1所示。
图2-1-1A3000现场系统结构图
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、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。
2、现场系统面板
左侧设置：
Ø电源：
220VAC单相电源开关，380VAC三相电源开关。
Ø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，从而更改革个水泵的电力来源。
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，因为变频器可能输出0-50Hz，而继电器不能工作。
Ø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。
Ø电压表：
显示加在调压器上的电压值。
Ø变频器：
对于A3000FBS系统，则具有ProfibusDP控制端子。
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。
当两个水泵、两个电磁阀开启时，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。
3、支路分析
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，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。
（1）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JV304、JV106、XV101，关闭其它阀门（注意JV104），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）支路2分析
支路2包括右边的水泵，2#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，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（各装一个压力变送器），可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、换热器温度串级实验，以及换热器解藕控制实验。
水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。
组态王组态软件，除了从程序组中可以打开组态王程序，安装完组态王中后，在系统桌面上也会生成组态王工程管理器的快捷方式，名称为“组态王6.5”。
STEP7是用于SIMATICS7-200,S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。
它可以运行在Windows98、Windows2000、WindowsMe、WindowsXP操作系统上。
我们所采用的通讯方式为PC/PPI编程电缆，用于S7-200编程口RS-485与PC机RS-232端口的连接。
编程语言可以使用梯形图（LadderDiagram）、功能块图（FunctionBlockDiagram）、语句表（StatementList，也称指令表）。
温度、压力、液位和流量
1、Pt100热电阻
由于我们的系统被测介质不会超过100度，所以一般采用Pt100热电阻，以便获得比较高的精度。
当然也可能使用热电偶，以便让学生学会更多的温度测量方案。
Pt100使用两线制或三线制接法，采用三线制接法是为了减少测量误差。
因为在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化，为了消除连接导线阻值的变化而产生的测量误差，就采用了三线制接法。
即在两端元件的两端分别引出两条导线，这两条导线（材料相同、长度、粗细相等）又分别加在电桥相邻的两个桥臂上，如图所示。
Pt100电阻在零度时为100欧姆，温度每升高一度，电阻增加大约0.4欧姆，但是不是非常线性的。
使用万用表就可以测量温度。
温度变送器为两线制，24V直流电驱动。
如图3-1-1所示
图3-1-1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。
输出信号为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，当测量仪表显示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，当测量仪表显示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。
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、液位压力传感器
液位压力传感器是两线制接法，输出信号为4～20mA电流信号。
如图2-2-2所示：
图2-2-2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。
例如如果测量值低于4毫安，则直接显示0。
然后测量值上加上一定高度，从而获得比较准确的液位高度。
一般过程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。
3、涡轮流量计
涡轮流量计有两种，一种是直接脉冲输出，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输出。
脉冲输出型涡轮流量计采用三线制接法，如图2-2-3：
图2-2-3涡轮流量计接线原理图
涡轮流量计输出脉冲信号，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2-2-4接法：
图2-2-4涡轮变送器接线原理图
注意：
LWGYA-15型号的量程范围0-5立方/小时。
该型号测量小流量（<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%。
4、电磁流量计
电磁流量计采用四线制接法，如图2-2-5所示：
图2-2-5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。
注意：
不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。
加电几分钟后才能获得准确数值。
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%。
5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。
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2-2-7所示：
图2-2-6MICROMASTER420变频器的连接端子
图2-2-7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。
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。
注意：
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
在变频器无输出的情况下按此键，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。
功能
此键用于浏览辅助信息。
变频器运行过程中，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.输出电流（A）
3.输出频率（Hz）
4.输出电压（用o表示–单位：
V）
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
Ø0准备运行
Ø1快速调试
Ø30工厂的缺省设置值
P0700选择接通/断开/反转（on/off/reverse）命令源
Ø0工厂设置值
Ø1基本操作面板（BOP）
Ø2模入端子/数字输入
Ø6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
Ø0无频率设定值
Ø1用BOP控制频率的升降
Ø2模拟设定值
Ø6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。
P0004参数过滤器
Ø2变频器
Ø4PI比例积分控制器
Ø10设定值通道和斜坡函数发生器
Ø20通讯
Ø22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：
ØBOP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。
Ø4-20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。
ØProfibus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。
按
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
或
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。
按
或
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为要输出的数值。
5水泵
水泵额定扬程6-10米，额定流量1-2立方/小时。
注意，对于包括涡轮流量计的通道，如果要测量其流量，则出水阀门不要全打开，关闭一部分，使得流量少于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%。
6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输出信号（4～20mA）。
接通220VAC电源后，打开保护盖，可以看见指示灯亮起，用百特仪表手动输出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，可以测量信号线两端电阻值，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，将调节阀的输出信号接到百特仪表，测量其电压值，若大于12V，则表示信号线断开。
使用前请仔细阅读产品说明书。
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。
实验1单容水箱液位定值控制实验
一、实验目的
1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备
A3000现场系统，任何一个控制系统，万用表
三、实验原理
1、控制系统结构
单容水箱液位定值（随动）控制实验，定性分析P,PI，PD控制器特性。
控制逻辑如图5-2-1所示：
水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。
被调量为水位H。
使用P,PI,PID控制，看控制效果，进行比较。
控制策略使用PI、PD、PID调节。
实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。
2、控制系统接线表
测量或控制量
测量或控制量标号
使用PLC端口
使用ADAM端口
下水箱液位
LT103
AI0
AI0
调节阀
FV101
AO0
AO0
3、参考结果
下闸板顶到铁槽顶距离（开度）5-6mm。
比例控制器控制曲线如图所示。
多个P值的控制曲线绘制在同一个图5-2-2上：
图5-2-2比例控制器控制曲线
从图可见P=16时，有振荡趋势，P=24比较好。
残差大约是8%。
PI控制器控制曲线如图5-2-3所示。
选择P=24，然后把I从1800逐步减少。
图5-2-3PI控制器控制曲线
如图5-2-3所示，在这里I的大小对控制速度影响已经不大。
从I=5时出现振荡，并且难以稳定了。
I的选择很大，8-100都具有比较好的控制特性，这里从临界条件，选择I=8到20之间。
PID控制器控制曲线如图5-2-4所示：
图5-2-4PID控制器控制曲线
P=24,I=20,D=2或4都具有比较好的效果。
从控制量来看，P=24,I=8,D=2比较好。
ADAM4000模块控制的结果如图5-2-5所示。
图5-2-5ADAM4000模块控制效果
从图可见，P=4，I=8000，D=2000控制效果是最好的。
四、实验要求
1、使用比例控制进行单溶液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。
2、使用比例积分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。
设定不同的积分参数，进行比较。
3、使用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。
设定不同的积分参数，进行比较。
五、实验内容与步骤
1、系统连接
（1）在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。
（2）在A3000-CS上，将电磁流量计输出连接到AI0，AO0输
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