过程控制与仪表实验指导书.docx
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过程控制与仪表实验指导书
过程控制与仪表实验指导书
电子信息工程学院
2012年9月
目录
目录
第一章安全注意事项1
1.1防止触电1
1.2防止烫伤1
1.3防止损坏1
1.4其他注意事项2
第二章A3000过程控制实验系统说明3
2.1现场系统3
实验一对象飞升特性曲线实验6
1.1实验目的6
1.2实验要求6
1.3实验设备及系统组成6
1.4操作步骤和调试8
1.5实验结果9
1.6实验思考9
实验二单容水箱液位变频器控制实验10
2.1实验目的10
2.2实验要求10
2.3实验设备及系统组成10
2.4操作步骤和调试10
2.5实验结果11
2.6实验思考11
实验三单容水箱液位调节阀控制实验12
3.1实验目的12
3.2实验要求12
3.3实验设备及系统组成12
3.4操作步骤和调试13
3.5实验结果14
3.6实验思考14
实验四流量调节阀控制实验15
4.1实验目的15
4.2实验要求15
4.3实验设备及系统组成15
4.4操作步骤和调试16
4.5实验结果17
4.6实验思考17
第一章安全注意事项
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意事项以后使用。
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。
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:
在锅炉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其他注意事项
！
注意
当搬运产品时，请使用正确的升降工具以防止损伤，不要过分颠簸，绝对禁止倾斜，甚至倾倒。
环境
周围环境温度
5~50℃（不结冰）
周围环境湿度.
90％RH以下（不凝露）
储存温度
-20℃~+65℃
环境
室内（无腐蚀性气体，可燃性气体，油雾和尘埃等等）
海拔高度，
海拔1000m以下
振动
59m／s以下（JISC0040标准）
第二章A3000过程控制实验系统说明
2.1现场系统
本节通过大量的示意图介绍各个工艺设备结构和操作，其中包括各个水箱、锅炉、换热系统，以及管路。
如图2.1所示。
图2.1现场系统示意图
物理受控系统包括了测试对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器），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。
下面使用示意图和流程图方式介绍现场系统的结构、原理、操作和维护。
为了防止动力设备静电积累而触电或者损坏设备，所以系统必须可靠接地。
现场系统工艺流程图
现场系统工艺流程图如图2.2所示。
2.2系统工艺示意流程图（不含控制系统）
总体的测点清单如表2.1所示。
表2.1整体流程测点清单
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
TE-101
热电阻
锅炉水温
Pt100
AI
0～100℃
2
TE-102
热电阻
锅炉回水温度
Pt100
AI
0～100℃
3
TE-103
热电阻
换热器热水出口水温
Pt100
AI
0～100℃
4
TE-104
热电阻
换热器冷水出口水温
Pt100
AI
0～100℃
5
TE-105
热电阻
储水箱水温
Pt100
AI
0～100℃
6
LSL-105
液位开关
锅炉液位极低联锁
干接点
DI
NC
7
LSH-106
液位开关
锅炉液位极高联锁
干接点
DI
NC
8
XV-101
电磁阀
一支路给水切断
光电隔离
DO
NC
9
XV-102
电磁阀
二支路给水切断
光电隔离
DO
NC
10
AL-101
告警
光电隔离
DO
NC
11
FT-101
涡轮流量计
一支路给水流量
4～20mADC
AI
0～3m3/h
12
FT-102
电磁流量计
二支路给水流量
4～20mADC
AI
0～3m3/h
13
PT-101
压力变送器
给水压力
4～20mADC
AI
150kPa
14
LT-101
液位变送器
上水箱液位
4～20mADC
AI
0～5kPa
15
LT-102
液位变送器
中水箱液位
4～20mADC
AI
0～5kPa
16
LT-103
液位变送器
下水箱液位
4～20mADC
AI
0～5kPa
17
LT-104
液位变送器
锅炉/中水箱右液位
4～20mADC
AI
0～5kPa
18
FV-101
电动调节阀
阀位控制
4～20mADC
AO
0～100％
19
GZ-101
调压模块
锅炉水温控制
4～20mADC
AO
0～100％
20
U-101
变频器
频率控制
4～20mADC
AO
0～100％
注：
所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成了4～20mA。
一般两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND，可以按照四线制方式使用。
执行机构一般为2～10V控制，模拟量4-20毫安控制信号经过500欧姆采样电阻，被转换成2～10V控制。
A3000对象系统包含三个水箱，一个大的蓄水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热棒，滞后系统以及加热联锁保护系统。
传感器和执行器包含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，2个电磁阀，以及2个锅炉液位开关。
A3000对象系统可以做水平双容实验，也可做垂直双容实验，还可做非线性的研究实验，即可满足本科生做基本实验，也可满足做各式研究实验。
A3000本身特有的设计合理、管路清晰、功能强大、使用方便、维护简单的优势，为学校提供良好的教学实验平台。
实验一对象飞升特性曲线实验
1.1实验目的
1.熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2.通过实验测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数，从而掌握对象特性分析方法。
3.熟悉上位机组态王的组态及通讯。
1.2实验要求
1、实验前需熟悉实验的设备装置以及管路构成。
2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。
1.3实验设备及系统组成
1、实验设备：
A3000对象系统
（1）泵
（2）电动调节阀：
工作电源24VAC，控制信号2-10VDC。
（3）液位变送器：
量程为0-20cm,输出信号4-20mA。
2、系统组成
液位调节阀连接图如图1-1所示：
图1-1液位特性曲线连接图
3、测点清单：
测点清单如表1-1所示：
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
FV101
电动调节阀
阀位控制
2～10VAC
AO
0～100%
2
LT103
液位传感器
V1液位
4～20mA
AI
0～20cm
3
FT102
涡轮流量计
二支路流量
4～20mA
AI
0～3m3/h
表1-1液位调节阀控制测点清单
手阀的开度，以及调节阀或变频器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以没有相同的传递函数，但是在一定的液位高度范围内和一定的开度下，系统时间基本是一样的。
把系统作为一阶系统，传递函数G（S）=K/（TcS+1）。
对于单容水箱，如果考虑进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统
。
由于纯延迟相对系统时间比较少。
可以不考虑纯延迟。
需要全打开的手阀：
QV102、QV105；
需要全关闭的手阀：
QV103、QV104、QV107、QV109；
挡板开度：
QV116，0.5cm（参考，可调节）。
图1-2控制面板线路连接图
1.4实验原理
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
图1-3水箱液位特性测试示意图
如图1-3所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水挡板QV116固定于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系，求得：
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
式中，T为水箱的时间常数（注意：
挡板的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为过程的放大倍数，R2为挡板QV116的液阻，C为水箱的容量系数。
令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：
当t=T时，则有：
h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）
即h（t）=KR0（1-e-t/T）
当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有
K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入式（1-2）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1-4所示。
当由实验求得图1-4所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，就是水箱的时间常数T，该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是：
上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。
1.5操作步骤和调试
下面方法
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