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过程控制系统试验

过程控制系统实验指导书

荣卫平、张法业编

2007年12月

目录

目录2

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A2000多热工参数控制系统说明3

2.1系统简介3

2.1.1对象系统组成3

2.1.2控制系统组成4

第三章过程控制系统实验5

实验1实验系统认知5

一、实验目的5

二、实验设备5

三、实验原理与介绍5

四、实验要求6

五、实验内容与步骤7

六、思考问题7

七、实验结果提交7

实验2温度、压力、液位和流量测量实验8

一、实验目的8

二、实验设备8

三、实验原理与介绍8

四、实验要求10

五、实验内容与步骤11

六、思考问题11

七、实验结果提交11

实验3单容水箱液位数学模型的测定实验12

一、实验目的12

二、实验设备12

三、实验原理与介绍12

四、实验要求14

五、实验内容与步骤14

六、思考问题14

七、实验结果提交14

实验4单闭环流量控制实验14

一、实验目的14

二、实验设备15

三、实验原理与介绍15

四、实验要求17

五、实验内容与步骤17

六、思考问题18

七、实验结果提交18

实验5单容水箱液位定值控制实验18

一、实验目的18

二、实验设备18

三、实验原理18

四、实验要求20

五、实验内容与步骤21

六、思考问题23

七、实验结果提交23

实验6锅炉水温定值控制实验24

一、实验目的24

二、实验设备24

三、实验原理24

四、实验要求26

五、实验内容与步骤26

六、思考问题26

七、实验结果提交26

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。

！

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A2000多热工参数控制系统说明

北京华晟高科教学仪器有限公司是研华在教育行业的唯一全方位合作伙伴，并与清华大学展开了开发合作。

引入先进的控制技术，经过了严格的设计、实验和计算，开发了一系列的过程控制实验系统。

包括：

A1000小型多参数过程控制系统，主要部件为三容系统、同时提供了水泵压力测量与控制、加热元件温度的测量与控制，流量测量与控制，从而实现四大热工参量的控制。

系统尺寸精巧，做工精美。

A2000多热工参数控制实验系统，主要部件为锅炉和换热系统，水泵动力系统，能够实现多输入多输出的温度控制，以及通过水泵压力测量与变频器控制，可以获得对流量与压力的控制。

A3000高级过程控制系统，包括了A3000现场系统和A3000控制系统。

在A1000和A2000基础上，综合了所有的优点而开发的高级控制实验系统。

2.1系统简介

A2000多热工参数控制实验系统包括对象系统和现场控制系统。

实验系统整体不锈钢材料，尺寸1000（宽度）*70（深度）*1900mm（高度，不包括轮子高度）。

重量150公斤，结构紧凑，可以使用客用电梯运输。

控制系统与对象系统是一个整体。

消耗指标：

电力可以指定为三相供电或单相供电，最大额定用电4KW。

自来水130升，重复使用。

现场控制系统提供供电系统、调压器、多个继电器以及现代DDC和独立控制器。

接口开放，用户可以使用自己的控制系统控制。

2.1.1对象系统组成

对象部分结构如图2-1-1所示。

对象具体包括了以下设备和常规仪器仪表：

（1）大储水箱。

（2）一台锅炉，带3KW加热器。

（3）防干烧硬件联锁保护。

（4）一台工业高效板式换热器

（5）两台低噪声中扬程水泵。

（6）滞后系统。

（7）五个三线制温度传感器，精度0.2%。

（8）一个液位变送器，精度0.5%。

（9）一个压力表，精度0.5%。

（10）一个涡轮流量计，精度1%。

（11）一个液位开关。

最大电流1安培。

图1-1-1A2000对象系统结构

2.1.2控制系统组成

现场控制箱包括的设备和常规仪器仪表：

（1）常规仪表控制系统。

（2）一个三相50A移相调压器，或单相150A移相调压器。

（标称为峰值电流，选择三相供电则配置三相移相调压器，否则单相）。

（3）450V电压表

（4）两个漏电保护器

（5）专用PCB端子排电路板

（6）继电器组

（7）供电系统单元

（8）五个温度变送器

（9）一台流量积算仪

（10）RS485到RS232转换模块。

第三章过程控制系统实验

实验1实验系统认知

一、实验目的

1、了解实验装置结构和组成。

2、了解信号的传输方式和路径。

3、掌握实验装置的基本操作。

4、了解常规控制系统的使用

二、实验设备

A2000多热工参数控制实验系统，万用表。

三、实验原理与介绍

1．系统简介

A2000多热工参数控制实验系统包括对象系统和现场控制系统。

控制系统与对象系统是一个整体。

具体结构如图5-1-1所示。

对象系统包括：

大储水箱，一台锅炉，一台工业板式换热器，两个水泵，滞后系统，一个硬件联锁保护系统，滞后系统。

感器和执行器系统包括5个温度、1个液位、1个压力，1个电磁流量计或涡轮流量计，1个电动调节阀，2个液位开关。

现场控制系统位于面板左侧，提供供电系统、变频器、调压器，多个继电器，以及现代DDC和独立控制器。

面板右侧是现场系统的模拟屏。

2．支路分析

支路1包括左边水泵，流量计，电动调节阀，压力表等组成，可以到达锅炉以及换热器。

图5-1-1A2000对象系统结构图

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JV102，关闭JV101、JV103，，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。

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，可以与支路2做热量转换实验。

锅炉底部连接有滞后管系统。

打开JV501，锅炉内的水只流过滞后管，进入储水箱。

在滞后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后实验。

四、实验要求

1、了解整个系统的结构。

2、学会进行液位实验时整个系统操作。

3、学会进行温度实验时整个系统操作。

4、学习控制系统的IO连线。

五、实验内容与步骤

1、设备组装与检查

（1）将A2000对象系统的大储水箱灌满水（至最高高度）。

（2）打开阀门JV101，其他阀门关闭，左边水泵和涡轮流量计组成的动力支路至锅炉，

2、系统连线：

将I/O信号接口板锅炉液位变送器信号连接到DDC控制系统的模拟量输入端AI0，即内给定智能调节仪的输入端。

3、启动实验装置

（1）将实验装置电源插头接到单相交流电源。

（2）打开系统电源漏电保护空气开关。

此时智能调节仪的显示屏亮起。

4、打开水泵，看整个液位实验回路工作是否正常。

请老师打开提供的组态软件范例，运行单容水箱液位特性测定实验，演示一个液位测量过程。

5、让左边水泵和涡轮流量计组成的动力支路至锅炉。

6、打开水泵，开始向锅炉注水。

观察什么时候连锁指示灯亮起。

表示水已经超过加热管高度。

再上升一定高度后，关闭水泵。

7、把控制系统的AO0端子，即智能调节仪的输出端连接到调压模块的输入端子上。

请老师打开提供的组态软件范例，运行温度特性测定实验，直接从AO0输出4-20毫安信号，观察输出电压是否改变。

一定时间后，观察锅炉上的水温表是否上升。

8、关闭阀门JV101，打开JV102，开启水泵，从而形成循环水，观察温度表的变化。

9、实验结束后，打开JV103，关闭水泵。

关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

六、思考问题

如果要通过调节阀控制液位，请描述开关那些阀门，启动那些信号。

分析为什么加热时最好让水循环起来。

七、实验结果提交

绘制一个通过支路1到锅炉，进行液位实验的系统通道图。

实验2温度、压力、液位和流量测量实验

一、实验目的

1、学习温度、压力、液位和流量变送器变送器

2、了解信号的传输方式和路径。

3、熟悉各种线制的连接。

二、实验设备

A2000系统，万用表。

三、实验原理与介绍

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5-3-1所示：

图5-3-1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5-3-2所示：

图5-3-2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5-3-3：

图5-3-3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5-2-4接法：

图5-3-4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%。

四、实验要求

1、熟悉四大热工参量的传感器变送器信号与接线。

2、了解系统的温度、压力、液位和流量设备在本系统中的功能。

3、学会通过采集模块测量这些信号。

4、了解一些信号的零点和满度调节。

五、实验内容与步骤

1、将I/O信号接口板上下水箱液位变送器信号连接到控制系统的模拟量输入端。

把控制系统的输出端子连接到调节阀的输入端子上。

2、打开阀门，让左边水泵和涡轮流量计组成的动力支路至锅炉。

3、系统上电，具体步骤参考实验1。

4、打开左边水泵。

开始向锅炉注水。

5、关小阀门JV103，使得锅炉液位逐步升高，打开提供的组态软件范例，运行单容水箱液位特性测定实验。

系统自动纪录数据，并显示成波形，如果时间太快或太慢，可以修改趋势表的时间。

通过按“印屏幕”键，拷贝屏幕，粘贴到WINDOWS的画图软件中，拖动图形，以及绘图边界，从而裁减图片。

保存文件。

6、打开水泵，开始向锅炉注水。

等到水已经超过加热管高度。

再上升一定高度后，关闭水泵。

8、把控制系统的输出端子连接到调压模块的输入端子上。

9、打开提供的组态软件范例，运行“锅炉和加热管特性测定实验”。

给出一定的加热控制值，例如80%。

10、记录观察测量得到的数值。

按照步骤5抓图。

11、实验结束后，关闭水泵，关闭阀门。

关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

六、思考问题

分析两线制变送器有什么优点和缺点。

你认为为什么电磁流量计不设计成两线制。

为什么信号和电源可以同时加在两个线上。

如果你对霍尔效应比较了解，请分析涡轮流量计工作原理。

七、实验结果提交

1、绘制baite1测量液位的接线逻辑图。

2、给出液位测量曲线图。

3、给出温度测量曲线图。

实验3单容水箱液位数学模型的测定实验

一、实验目的

1、熟练掌握液位测量方法。

2、熟练掌握调节阀流量调节特性。

3、获得单容水箱液位数学模型。

二、实验设备

A2000系统。

三、实验原理与介绍

1、实验结构介绍

水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。

被调量为水位H。

分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。

直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。

（可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。

）

调整水箱出口到一定的开度。

突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。

通过物料平衡推导出的公式：

那么

，其中，F是水槽横截面积。

在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成

。

公式等价于一个RC电路的响应函数，C=F就是水容，

就是水阻。

如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下S函数表示：

。

相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的《过程控制》，金以慧编著。

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

锅炉液位

LT101

AI0

AI0

调节阀

FV101

AO0

AO0

3参考结果

单容水箱水位阶跃响应曲线，如图1-1-2所示：

图1-1-2单容水箱液位飞升特性

此时液位测量高度184.5mm，实际高度184.5mm-3.5mm=181mm。

实际开口面积5.5x49.5=272.25mm²。

此时负载阀开度系数：

。

水槽横截面积：

0.206m²。

那么得到非线性微分方程为（标准量纲）:

：

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

。

四、实验要求

1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。

2、给出数学模型。

五、实验内容与步骤

1、在系统A2000上，将手动调节阀JV101完全打开，使JV103具有一定开度，其余阀门关闭。

2、在控制系统上，将锅炉液位（LT101）连到内给定调节仪输入端，调节仪输出端连到电动调节阀（FV101）控制信号端。

3、打开A2000电源，调节阀通电。

启动左边水泵（P101），给锅炉注水。

4、调节内给定调节仪设定值，从而改变输出到调节阀（FV101）的电流，然后调节JV103开度，使得在低水位时达到平衡。

5、改变设定值，记录水位随时间的曲线。

6、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。

关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

六、思考问题

依据

。

分析如何测量系统的流出系数。

分析，如果提供一个下水箱出口流量计，你能增加怎样的实验。

七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，计算数学模型。

实验4单闭环流量控制实验

一、实验目的

1、掌握单回路控制的特点

2、了解PI控制特点，以及对控制效果的评价。

3、掌握通过调节阀控制流量的原理和操作。

二、实验设备

A2000系统。

三、实验原理与介绍

1、单回路控制逻辑

调节阀流量控制实验逻辑关系如图2-1-1所示。

FIC指用于流量的调节器，这个调节器可能是智能仪表，也可以是计算机上的PID调节器，也可以是PLC中的PID调节器。

类似的TIC就是用于温度控制的调节器。

该控制逻辑是一个经典的单回路流量控制系统。

单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

本系统所要保持的恒定参数是管道流量，即控制的任务是控制流量等于给定值所要求的大小。

根据控制框图，这是一个闭环反馈型单回路流量控制，采用PID控制。

当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。

因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。

比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。

在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-1-2中的曲线①、②、③所示。

图2-1-2P、PI和PID调节的阶跃响应曲线

本实验暂时对PID控制的调节问题不涉及更多。

2、控制系统接线表

测量或控制量

测量或控制量标号

使用控制器端口

流量

FT101

AI0

调节阀

FV101

AO0

3、实验方案

被调量为调节阀开度，控制目标是水流量，通过测量水流量，控制器与给定值进行比较，然后输出控制值到调节阀。

首先进行比例控制，看控制效果，进行比较。

然后进行积分控制，看控制效果，进行比较。

最后在比例控制中加入积分控制，看控制效果，进行比较。

4、参考结果

PI参数设定如下P=40，I=100，小数值D的影响不大。

控制曲线如图2-1-3所示。

图2-1-3调节阀流量控制曲线

四、实验要求

1、使用比例控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。

2、使用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。

五、实验内容与步骤

1、打开手动调节阀JV101，调节锅炉出水阀JV103开度，其余阀门关闭。

2、将电磁流量计输出连接到内给定调节仪输入AI0，调节仪输出AO0输出连到电动调节阀上。

3、打开A2000电源。

启动右边水泵。

4、对控制器或调节器进行工作量设定（设定SP、P、I、D值），并记录控制曲线。

暂时设定积分参数I=3600（一个很大的值，表示取消积分）,D=0。

注意，对于常规仪表等控制系统，比例系数指的是0%-100%的比例带。

与课本上的比例系数成反比例关系。

5、改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。

6、对控制器或调节器进行工作量设定，把比例控制，微分控制取消，直接积分控制。

7、改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。

8、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。

关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

六、思考问题

分析如果使用变频器控制流量，如何设计控制流程。

七、实验结果提交

1、通过抓图方法，提交获得的曲线。

2、根据曲线，分析P，PI控制大致具有哪些趋势特征

实验5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。