自动化过程控制实验指导书.docx
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自动化过程控制实验指导书
一、过程控制仪表认识实验
一、实验目的
1、熟悉装置的具体结构、明确各部件的作用。
2、掌握常用传感器的工作原理及使用方法。
二、实验内容
1、水箱
本装置包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱，上、中、下三个水箱都有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽和溢流槽。
实验时，水流首先进入缓冲槽（可减小水流对工作槽的冲击），当缓冲槽中注满水时，水流便溢出到工作槽。
整个装置的管道都采用铝塑管，以防止阀门生锈。
打开储水箱后的小球阀可排出水箱中的水，另外还可排出空气，以防抽不上水。
2、微型锅炉、纯滞后系统、热电阻
本装置采用锅炉进行温度实验，锅炉用不锈钢材料制作，共有四层，从内向外依次是加热层、冷却层、溢流层和纯滞后管道层（盘管长达20米）。
热电阻为Pt100，三线制工作。
温度变送器内部已有内置电源，不能再接外加电源。
系统用2Kw的加热丝进行加热，并采用可控硅移相触发模块（移相触发角与输入电流成正比），本模块输入为4—20mA的标准电流，输出为380V的交流电。
3、液位传感器
本装置采用扩散硅压力变送器（不锈钢隔离膜片），标准二线制进行传输，因此工作时需要串接24V电源。
压力变送器通电15分钟后，方可调整零点和量程。
使用的原则是：
没通电，不加压；先卸压，再断电。
零点调整：
在水箱液位为零时，调整输出电流表的读数为4mA。
满量程调整：
在水箱加满水时，调整输出电流表的读数为20mA。
调整的原则是：
先调零点，再调满量程，要反复多次调整（满量程调整后会影响零点）。
4、电动调节阀
采用德国PS公司生产的PSL202型智能电动调节阀。
调节阀由220V50HZ电源供电。
工作环境温度为-20—70摄氏度，输入信号为4—20mA的控制信号，输出信号为4—20mA的阀位信号。
5、变频器
采用日本三菱FR-S520变频器，内控为0—50HZ，外控为4—20mA，可通过控制屏上的双掷开关进行切换。
内控：
上电时，EXT灯先亮，开关打到内控，Run灯亮，开始内控变频控制水泵。
外控：
开关打到外控，按PU/EXT键，使EXT灯亮，按Run运行，按Stop停运。
内外控切换时，要注意按键和开关配合使用。
6、水泵
采用丹麦格兰富水泵，扬程高达10米，噪音很低。
7、流量计
流量计由流量传感器和转换器组成。
采用LDS-10S型电磁流量传感器，其流量为0—0.3立方米/秒，压力为1.6Mpa，4—20mA标准输出，可与显示、记录仪表、积算器配套，避免了涡轮流量计非线性与死区大的缺点。
转换器采用LDZ-4型电磁流量转换器。
它为内置电源。
8、调节器
采用上海万迅公司的AI全通用人工智能调节器。
708型为模糊控制器，818型为PID控制器。
输入为1、2端子，输入为1—5V。
输出为7、8端子，输出为4—20mA。
主要功能是：
接受反馈信号Vi，与给定Vs进行比较，得到偏差，并对偏差进行PID连续运算，通过改变PID参数，可改变控制作用。
内部参数的含义及其调整：
HIAL：
上限报警
LoAL：
下限报警
dHAL：
正偏差报警
dLAL：
负偏差报警
dF：
回差（死区、滞环）
例：
在加热控制中，仪表采用反作用调节，在采用位式调节或自整定时，假定给定值是700摄氏度，dF参数设置为0.5摄氏度。
当输出为接通状态时，温度大于700.5摄氏度时要关断。
当输出为关断状态时，温度低于699.5摄氏度时要接通。
Ctrl：
控制方式
当Ctrl=3表示：
当整定结束后，仪表自动进入该设置，该设置下不允许从面板启动自整定参数功能。
以防止误操作重复启动自整定。
M5：
保持参数
M5定义为输出值变化5%时，控制对象基本稳定后测量值的差值。
5表示输出值变化量为5%。
同一系统的该参数一般会随测量值有所变化，应取工作点附近为准。
以电炉的温度控制为例，工作点为700摄氏度，假定输出保持为50%时，电炉温度最后稳定在700摄氏度，而55%输出时，电炉温度最后稳定在750摄氏度左右，则M5的最佳数值为：
750-700=50
该参数值主要决定调节算法中积分作用，值越小，系统积分作用越强。
P：
速率参数
类似于PID调节中的P，值越大，比例微分作用越强。
t：
滞后时间
Ctl：
输出周期
值在0.5—125秒之间。
它反映仪表运算调节的快慢。
当大于或等于5秒时，则微分作用完全消除。
当采用SSR或可控硅作为输出执行器件，控制周期可取0.5—2秒左右。
当采用继电器开关输出时，一般要大于等于4秒。
当仪表输出为线性电流或位置比例输出（直接控制阀门电机正反转）时，值小可使调节器输出响应较快，提高控制精度，但太小可能导致输出电流变化频繁，使得执行器动作频繁。
Sn：
输入规格
Sn=20：
Cu50
Sn=21：
Pt100
Sn=32：
0.2—1.0V
Sn=33：
1—5V
diP：
小数点位置
diL：
输入下限显示值
diH：
输入上限显示值
Sc：
主输入平移修正
该参数用于对输入进行平移修正。
例：
假定输入信号保持不变，该值为10.0时，仪表测定温度为500.0摄氏度，则仪表的显示测定温度为510.0摄氏度。
仪表出厂时都进行了内部校正，该参数的数值应该设置为0。
oP1：
输出方式
oP1=4：
表示4—20mA线性电流输出。
oPL：
输出下限
oPH：
输出上限
ALP：
报警输出定义
CF：
系统功能选择
CF=2：
仪表有上电/给定值修改免除报警功能。
CF=8：
允许外部给定（仅适用于AI—818型）
Addr：
通讯地址
bAud：
通讯波特率
dL：
输入数字滤波
run：
运行状态
run=0：
手动调节状态。
run=2：
手动调节状态，并且禁止手动操作。
Loc：
参数修改级别
Loc=808，可设置全部参数及给定值。
EP1—EP8：
现场参数定义
9、牛顿模块：
（需装驱动软件）
采用台湾威达的采集模块。
7024型：
D/A，4通道，4—20mA输出，必须串24V电源才能应用。
7017型：
A/D，8通道，5V输入。
7520型：
RS232—485通讯模块。
7043型：
开关量输出，16通道，最大负载100mA。
10、PLC
在这里和牛顿模块的作用相同。
11、组态王软件
选用北京亚控公司的组态王软件。
能完成数据采集、流程控制、动画显示、报表输出、实时和历史数据的处理。
12、计算机控制时通讯接口的定义
D/A输出单元模块
编号
端口
连接设备名称
1
I00
主回路调节阀控制信号的输出
2
I01
可控硅控制信号的输出
3
I02
变频器控制信号的输出
4
I03
副回路调节阀控制信号的输出
A/D输入单元模块
编号
端口
连接设备名称
1
IN0
上水箱液位变送器输入
2
IN1
中水箱液位变送器输入
3
IN2
主回路流量反馈信号输入
4
IN3
副回路流量反馈信号输入
5
IN4
锅炉内筒温度变送器输入
6
IN5
主回路调节阀阀位反馈信号输入
7
IN6
水泵出口压力变送器输入
8
IN7
上水箱后液位变送器输入
9
IN8
副回路调节阀阀位反馈信号输入
10
IN9
锅炉外筒温度变送器输入
11
IN10
盘管滞后时间最大温度输入
12
IN11
盘管滞后时间中间温度输入
13
IN12
盘管滞后时间最小温度输入
14
IN13
变比值实验混合水温度输入
13、连接温度、液位、压力、流量测量单回路控制实际接线图。
二、双容液位控制实验
一、实验目的
通过实验掌握单回路控制系统的构成。
学生可自行设计，构成双容液位控制系统，并应用临界比例度法、阶跃反应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。
二、实验设备
水泵、压力变送器、变频器、调节器（708型），主回路调节阀、上水箱、中水箱（上中水箱的容积比例为1：
3）、中水箱液位变送器、调节器（708型）。
图1二阶液位控制实验框图
图2调节器控制二阶液位控制实验流程图
图3双容液位控制（调节器接线）
三、实验步骤
1、将下水箱单闭环实验所用的设备，按系统框图接好实验线路。
2、接通总电源，各仪表电源。
3、将上水箱进水电磁阀V3、上水箱排水电磁阀、中水箱排水电磁阀和下水箱手动排水阀打开，其余阀门关闭。
4、设置调节器的参数。
6、使水泵Ⅰ在恒压供水状态下工作，观察计算机下水箱曲线的变化。
7、待系统稳定后，给定值（SP）加个阶跃信号，观察其液位的变化曲线。
8、再等系统稳定后，给系统下水箱加干扰信号（参考方法，改变被控水箱进、排水阀门），观察液位变化的曲线。
9、系统再次稳定后，给系统下水箱加干扰信号，观察上下液位变化的曲线。
10、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，结果记录于表3中。
表3阶跃响应曲线数据处理记录表
测量情况
特性测试的参数
K
T
τ
阶跃1
阶跃2
平均值
四、调节器的参数设置
AI708型（控制液位）
AI708型（控制压力）
参数名
参数值
说明
参数名
参数值
说明
dF
3
dF
3
Ctrl
1
Ctrl
1
M5
45
保持参数
M5
10
保持参数
P
733
速率参数
P
6
速率参数
t
178
滞后时间
t
1
滞后时间
Ctl
1
输出周期
Ctl
5
Sn
33
Sn
33
Dip
0
Dip
0
dIL
0
输入下限显示值
dIL
0
输入下限显示值
dIH
450
输入上限显示值
dIH
100
输入上限显示值
Sc
0
Sc
0
Op1
4
Op1
4
OpL
0
OpL
0
OpH
100
OpH
100
CF
2
CF
2
Run
2
Run
2
Loc
808
Loc
808
五、实验报告
根据试验结果编写实验报告，并根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。
三、调节阀流量特性测试
一、实验目的
通过实验掌握调节阀特性曲线的测量方法，测量时应注意的问题，调节阀流量特性的求取方法。
二、实验设备
水泵Ⅰ、变频器、压力变送器、主回路流量计、主回路调节阀、PLC、牛顿模块（输入、输出）。
图1调节阀流量特性测试流程
图2调节阀流量特性测试系统框图
三、实验步骤
1、实验装置的认识，了解调节阀的工作原理，所在的位置及其作用。
2、将调节阀特性测试实验所用的设备，参照流程图和系统框图接线。
3、接通总电源、各仪表电源。
4、运行组态王，在组态王工程管理器界面中启动组态王实验6.0，点击实验选择按钮，选择调节阀特性测试。
5、点击特性测试和特性曲线按钮，开始调节阀特性测试实验。
6、点击u（k）的增/减键，开始测试调节阀的正向流量特性，直至u（k）＝1000，再点击u（k）增/减键，停止调节阀正向特性测试。
7、点击u（k）增/减键，开始测试调节阀的反向流量特性直至u（k）＝0，再点击u（k）增/减键，停止调节阀反向特性测试。
8、记录调节阀特性曲线。
四、实验报告
根据试验结果编写实验报告，并且以电流作为横坐标、流量作为纵坐标，画出特性曲线图。
根据画出的特性曲线，判断阀体是快开特性、等百分比特性还是直线特性。
四、水箱液位和流量组成串级实验
一、实验目的
通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。
通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回路的选择。
掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。
二、实验设备
水泵Ⅰ、压力变送器、变频器、调节器（708型）、上水箱、上水箱液位变送器、调节器（708型）、主回路流量计、主回路流量变送器、主回路调节阀、调节器（818型）。
三、实验步骤
1、选择控制系统的方案，上水箱液位和主回路流量。
2、选择主被控参数、副被控参数，打开上水箱进水电磁阀V3、上水箱排水电磁阀、中水箱手动排水阀。
图11调节器控制串级控制系统的框图
3、主副调节器，在恒压供水条件下工作，将上水箱和流量组成串级实验所用设备，按系统框图接好实验导线。
注意：
818调节器作为副调节器使用，在Sn=32参数下，1-2端接1-5V输入，2-3端接0.2-1V输入（2为共地）。
图1调节器控制串级控制系统的框图
图2流量液位串级（调节器接线）
4、实验参数的整定，先自整定副回路流量系统。
待系统稳定后再整定主回路液位系统，最后串在一起整定。
待系统稳定后，上水箱液位给定值加个阶跃（幅度不要太大），观察流量和液位的曲线的变化，并保存此曲线。
5、稳定后，分别在主副回路加一个干扰信号，然后观察计算机上历史曲线的变化。
四、调节器的参数设置
708调节器液位控制
参数名
参数值
说明
参数名
参数值
说明
M5
45
保持参数
dIL
0
输入下限显示值
P
68
速率参数
dIH
450
输入上限显示值
t
18
滞后时间
Sc
0
主输入平移
Ctl
1
输出周期s
oP1
4
输出方式
Sn
33
输入规格
CF
2
系统功能选择
dIP
0
小数点位数
run
2
运行状态
818调节器流量控制
参数8名
参数值
说明
参数名
参数值
说明
dF
1
回差（死区、滞环）
dIL
0
输入下限显示值
P
70
比例带
dIH
100
输入上限显示值
I
33
积分时间（秒）
Sc
0
主输入平移
d
0
微分时间（秒）
oP1
4
输出方式
Sn
32
输入规格
CF
8
系统功能选择
diP
0
小数点位数
run
2
运行状态
五、实验报告
1、根据实验结果编写实验报告。
2、列表比较控制质量：
干扰的位置
最大偏差
过渡时间（min）
评价质量并简析原因
干扰加入上水箱
干扰加入流量中
升级会员 