最新自动化设计专业过程控制工程实验报告完美版97.docx

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最新自动化设计专业过程控制工程实验报告完美版97

过程控制工程实验报告

班级：

自动化xxx班

姓名：

xxx

学号：

xxxx

中国xx大学（xx）信息与控制工程学院

2019年12月

第一部分SUPCONDCS与A3000过程控制实验对象

第二部分实验部分

第一部分SUPCONDCS与A3000过程控制实验对象

第1章安全注意事项

请仔细阅读以下安全注意事项。

在熟悉设备的知识、安全信息有关注意事项以后使用。

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。

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。

包括布线或检查在内的工作都应由教师进行，学生不得进行此类工作。

1.2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。

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

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。

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。

各个端子上加的电压只能是规定的电压，确认电缆与正确的端子相连接。

始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。

1.4漏电保护说明

A3000现场系统偶尔出现跳闸现象，请不要担心，这是系统为了防止瞬间电流过大，损坏现场设备而安装了漏电保护器，例如给变频器上电时，就会出现偶尔跳闸现象。

第2章SUPCONDCS集散控制系统

2.1基于SUPCONDCS的A3000过程控制系统

过程控制系统由SUPCONDCS和A3000过程对象组成。

示意图如图2.1。

图2.1过程控制系统示意图

其中SUPCONDCS一套，由一台工程师站和一台操作站以及一台控制站组成，位于自动化系的省重点实验室内。

另外，自动化系根据实际情况还设置了十台微机做为DCS操作站，为学生做实验用。

这十台DCS操作站放在自动化系的自动控制系统实验室内，与A3000过程对象放在一起，这样使得学生做实验时直接面向被控对象。

A3000过程对象有八套，放在自动化系的自动控制系统实验室内。

2.2SUPCONDCS硬件结构

SUPCONDCS由工程师站、操作站、控制站、过程控制网络等组成。

SUPCONDCS采用三层通信网络结构，如图2.2所示。

最上层为信息管理网；中间层为过程控制网（名称为SCnetⅡ）；底层网络为控制站内部网络（名称为SBUS）。

信息管理网用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。

SUPCONDCS系统采用了双高速冗余工业以太网SCnetⅡ作为其过程控制网络。

它直接连接了系统的控制站、操作站、工程师站、通讯接口单元等，是传送过程控制实时信息的通道。

SCnet网络采用双重化冗余结构，在其中任一条通讯线发生故障的情况下，通讯网络仍保持正常的数据传输。

SBUS总线是控制站内部I/O控制总线，主控制卡、数据转发卡、I/O卡通过SBUS进行信息交换。

图2.2通信网络结构图

2.4SUPCONDCS组态技术

2.4.1系统组态软件

系统组态软件包包括基本组态软件SCKey、流程图制作软件MfcDraw、报表制作软件Sprt；用于控制站编程的编程语言SCX、梯形图软件SCLD、功能块图软件SCFBD和顺控软件SCSFC等。

SUPCONDCS的组态工作通过基本组态软件SCKey来完成。

2.4.2总体信息组态

总体信息组态是整个组态的基础和核心，它包括：

主机设置（即系统单元登录）、编译、备份数据、组态下载和组态传送等5个部分。

2.4.3控制站组态

控制站由主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、供电单元等构成。

控制站组态是指对系统硬件和控制方案的组态，主要包括I/O组态、自定义变量、系统控制方案和折线表定义等四个部分（如图2.3）。

对信号单元的组态包括模入（AI）信号、模出（AO）信号、开关（DI/DO）信号、脉冲输入（PI）信号的组态。

对一般要求的常规控制，系统提供的控制方案基本都能满足要求。

系统提供的控制方案有：

手操器、单回路PID、串级PID、单回路前馈（二冲量）、串级前馈（三冲量）、单回路比值、串级变比值-除法器、串级变比值-乘法器、选择性控制、采样控制、SMITH补偿、混合PI控制。

图2.3控制站组态流程

2.4.4操作站组态

操作站组态是对系统操作站上操作画面的组态，是面向操作人员的PC操作平台的定义。

它主要包括操作小组设置、标准画面组态（总貌画面、趋势曲线、控制分组、数据一览）、流程图、报表、自定义键、语音报警等六部分（如图2.4）。

图2.4操作站组态流程

第3章A3000过程对象系统

3.1A3000过程对象描述

A3000过程对象的系统结构原理图如图3.1所示，管路系统如图3.2所示。

图3.1A3000装置现场系统

图3.2A3000装置管路系统

A3000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。

3.2A3000过程对象支路分析

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。

3.2.1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，没有电磁阀。

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，系统设计了一个水循环回路来达成此目的。

即打开QV114、QV112、XV101，关闭其它阀门（注意QV111），开启1#水泵，则锅炉内的水通过1#水泵循环起来。

3.2.2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。

水泵使用电动调节阀控制流量，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，以及换热器解耦控制实验。

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。

第4章过程控制系统的实验准备工作

4.1SUPCONDCS的启动顺序

1．装置与DCS操作站上电（在自动控制系统实验室内）；

2．启动所有的DCS操作站；

3．在操作站上启动DCS的监控软件；

4．进入监控软件，把各装置变频控制输出和电动调节阀的阀位输出都置为0。

4.2A3000的现场面板的启动顺序

现场面板如图4.1。

图4.1A3000现场面板

1．三相剩余电流保护器。

合上该空气开关，才能加热。

2．单相剩余电流保护器。

合上该空气开关，所有设备才能上电。

3．三相供电时亮起。

4．单相供电时亮起。

5．对象顶部照明灯旋钮开关。

6．水泵1#的变频器供电旋钮开关，打开变频器的电源。

7．水泵2#的供电旋钮开关，打开水泵电源。

8．变频器正转启动旋钮开关。

9．电压表、调压模块输出端电压。

10．变频器。

A3000的现场面板的启动顺序为：

1．调节各装置的水箱闸板到适当位置（0.6~0.8CM）；

2．将手阀放到相应的位置，根据实验的具体要求，将该关的手阀关掉，将该打开的手阀打开；

3．操作A3000现场面板上的开关：

（1）打开②所指的单相电源空气开关；

（2）打开⑥所指的变频器/水泵1＃开关；

（3）打开⑦所指的变频器/水泵2＃开关；

（4）将变频器正转旋钮⑧转到ON位置。

4.3A3000的现场面板的关闭顺序

1．按变频器⑩上的STOP按钮，使变频器读数变为0；

2．将变频器正转旋钮⑧转到OFF位置。

3．关闭⑦所指的变频器/水泵2＃开关；

4．关闭⑥所指的变频器/水泵1＃开关；

5．关闭②所指的单相电源空气开关。

4.4SUPCONDCS的关闭顺序

1．在工程师站上或操作站上，进入监控软件，把各装置变频控制输出和电动调节阀的阀位输出都置为0。

2．关闭各操作站的SUPCONDCS监控软件；

3．关闭各操作站操作系统；

4．关闭各操作站电源；

5．关闭工程师站的SUPCONDCS监控软件（在重点实验室内）；

6．关闭工程师站操作系统（在重点实验室内）；

7．关闭工程师站电源（在重点实验室内）；

8．关闭控制站电源（在重点实验室内）；

第二部分实验部分

实验一单回路控制系统

1.1实验目的

1、掌握A3000过程试验装置的结构和管路流程，掌握SUPCONDCS的操作使用方法。

2、掌握对象特性测试方法。

2、了解单回路控制的特点和调节品质，掌握PID参数对控制性能的影响。

3、学会分析执行器风开风关特性的选择及调节器正反作用的确定。

4、初步掌握单回路控制系统的投运步骤以及单回路控制器参数调整方法。

1.2实验设备

A3000过程对象的下水箱V103，SUPCONDCS，支路系统1，支路系统2。

1.3实验原理和流程

1.3.1实验原理

1．单容自衡对象动态特性测试

所谓单容指只有一个贮蓄容器。

自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。

如图1.1，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。

通过物料平衡推导出的公式：

，则

，其中，

是水槽横截面积，

是调节阀系数，

为流量系数，在工作点处进行线性化和增量化，得：

，其中，

就是水阻。

进行拉普拉斯变换，得该系统的传递函数数学模型为：

如果对象具有滞后特性时，传递函数为：

模型中

分别为对象增益、时间常数、纯滞后时间，这三个参数可以根据对象的阶跃相应曲线进行求取，如图1.2，一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数

，也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数

。

如果对象具有滞后特性时，在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。

图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数

。

图1.2利用响应曲线求模型参数

2．单回路控制系统

图1.3单回路控制系统方框图

图1.3为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。

系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。

由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。

控制器采用PID控制规律，其传递函数为

。

常用的控制规律有比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例微分（PD）调节、比例积分微分（PID）调节。

调节器参数的整定一般有两种方法：

一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。

工程实验整定法有临界振荡法、衰减振荡法、动态特性参数法。

（1）临界振荡法

将

调整

置较大值，逐渐减小

，直至出现等幅振荡，记下

（临界比例带），根据

查表得

，见下表

整定参数

调节规律

Ti

Td

P

2r

PI

2．2r

0．85Tr

PID

1．67r

0．50Tr

0．125Tr

临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。

首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。

在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。

（2）衰减振荡法

将

调使被控量达4：

1或10：

1；对应

根据

选

整定参数

调节规律

Ti

Td

P

s

PI

1.2s

0.5Ts

PID

0.8s

0.3Ts

0.1Ts

3动态特性参数法

所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、τ等），利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：

1时调节器的相关参数。

如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：

1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。

整定参数

调节规律

Ti

Td

P

PI

PID

1.3.2实验流程

以第1套实验装置为例，在A3000高级过程控制实验系统中，如图1.4所示组成单回路控制系统。

图1.4单回路控制系统

1.4实验内容与步骤

1.4.1SUPCONDCS操作熟悉

由教师或学生启动操作站上的SUPCONDCS监控画面，注意各组只启动自己的小组画面，不要乱动其他组的装置，所有一切操作都在DCS上有记录。

进入画面后，要求学生首先熟悉DCS操作，逐项熟悉下面的内容：

（1）监控画面上工具条按钮的意义与用法；

（2）如何进行画面切换与翻页；

（3）如何切换到流程画面和趋势画面；

（4）流程图画面熟悉，与实际系统的对应；

（5）在流程画面上的操作，包括：

电磁阀开关面板的弹出、调节器面板的弹出、手操器面板的弹出；

（6）熟悉开关面板的操作；

（7）熟悉调节器面板的操作，包括给定值、阀位、手自动切换等；

（8）熟悉手操器面板的操作；

（9）熟悉如何通过调节器面板切换到PID整定画面；

（10）熟悉PID整定面板上各个内容的操作，包括：

熟悉怎样设置PID调节器的正反作用、PID参数、手自动、给定、阀位、曲线倍率选择等。

1.4.2单容自衡水箱对象动态特性测试

1．首先将装置上的手阀全部关闭，然后仅打开画面上显示的手阀，具体操作为：

2．打开QV-115、QV-106、QV-102，QV-116

3．关闭QV-105、QV-111

4．调节各装置水箱闸板到适当位置（开度0.6~0.8CM）；

5．在DCS操作站上通过用鼠标点击画面上的LIC1003框调出LIC1003调节面板，用鼠标左键点击LIC1003调节面板上的

按钮，将该调节器切至手动，将调节器LIC1003的阀位输出置为0；将手操器HIC1002的阀位输出置为0，然后打开手阀QV-105；

6．由教师正确打开A3000现场系统的面板开关；

7．在DCS操作站上将电磁阀XV-101置于开的状态；

8．在DCS上，使LIC1003处于手动状态，给该调节器输出一定的开度，使水箱开始加水到一定高度（50％以下），并稳定下来，记录下此时阀位的开度和液位的高度。

9．给阀位一个正向阶跃，幅值不宜太大，然后观察液位响应曲线，等到液位稳定后记下此时的阀位开度和液位高度，根据DCS记录的响应曲线和图1.2计算水箱的模型。

10．将液位恢复到初始的工作点，给阀位一个反向阶跃，求出此时的水箱模型。

11．比较两次求取的数学模型是否一致？

1.4.3单回路控制系统

正确投用单回路控制回路，在此过程中考虑DCS是如何实现无扰切换的，具体如下：

在DCS操作站上通过用鼠标点击画面上的LIC1003框调出LIC1003调节面板，用鼠标左键点击LIC1003调节面板上的

按钮，将该调节器切至手动，变频器可以认为具有风开特性，正确设置调节器的正反作用，由学生自行判断与设置。

1．内容一：

PI控制

（1）在DCS上，使LIC1003处于手动状态，给该调节器输出一定的开度，使水箱开始加水到一定高度（50％以下），并稳定下来，设置LIC1003控制器为PI控制，然后在LIC1003的调节面板上用鼠标左键点击面板上的

按钮，将LIC1003切入自动，在相同液位工作点下，对该液位控制系统的液位给定值做一个阶跃（范围不要太大，5％～15％之间，正向或负向），观察不同比例度和积分时间下的控制效果，分析比例度和积分时间对控制效果的影响。

（2）对PI控制器进行工程整定，并将整定后的参数置入控制器，然后对对该液位控制系统的液位给定值做一个阶跃，观察控制效果。

（3）在A3000装置上打开QV-105，在DCS上调出HIC1002手操器面板，给该手操器输出一个开度（比如10％），对液位控制系统施加干扰，观察控制系统对干扰的抑制效果。

2．内容二：

PID控制

采用PID控制，重复上面内容一的实验。

五、实验结果

1、SV：

54.6~64.6P=40%Ti=54minTd=0

2、SV:

：

62.9%~52.9%P=40%Ti=2.45minTd=0

3、SV：

52.9%~62.9%P=40%Ti=2.45minTd=29.4s

4、加扰动

六、思考与讨论

1、分析比例、积分、微分对控制系统的作用

比例控制为基于偏差的控制，系统响应速度快。

系统的各项性能指标与Kp大小有关，随着比例系数Kp的增大，比例作用增强，系统的响应速度加快，上升时间、调节时间、峰值时间减小，稳态误差逐渐减小；但超调量增大，系统稳定性降低，当Kp过大时，系统可能会不稳定。

比例积分控制为无偏差控制，无稳态误差。

在Kp不变的前提下，系统的各项性能指标与Ti大小有关，随着积分系数Ti的增大，积分作用减弱，系统的响应速度加快，系统调节时间减小，超调量减小，系统稳定性提高，当Ti过小时，积分作用很强，系统相应速度慢，系统可能会不稳定。

微分作用通过提供超前作用使得被控过程趋于稳定，因此它常用来抵消积分作用带来的不稳定。

七、实验总结

通过本次实验我了解了单回路控制的特点和调节品质，掌握PID参数对控制性能的影响。

学会了分析执行器风开风关特性的选择及调节器正反作用的确定。

初步掌握了单回路控制系统的投运步骤以及单回路控制器参数调整方法。

实验二串级控制系统

2.1实验目的

1、学习闭环串级控制的原理。

2、了解闭环串级控制的特点。

3、掌握闭环串级控制的设计。

4、初步掌握串级控制系统的投运步骤以及闭环串级控制器参数调整。

2.2实验设备

A3000过程对象的下水箱V103，SUPCONDCS，支路系统1，支路系统2

2.3实验流程

以第1套实验装置为例，在A3000高级过程控制实验系统中，如图2.1所示组成单容的液位流量串级控制系统。

图2.1液位串级控制实验

实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第1支路流量为副对象，左边水泵经变频控制直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，所以选为副回路参数。

下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反映到液位，时间常数比较大，时延大。

所以选为主回路参数。

该控制系统结构图如图2.2。

图2.2液位串级控制实验

2.4实验内容与步骤

2.4.1SUPCONDCS操作熟悉

由教师启动操作站上的SUPCONDCS监控画面，注意各组只启动自己的小组画面。

进入画面后，要求学生首先熟悉DCS操作，逐项熟悉下面的内容：

（1）监控画面上工具条按钮的意义与用法；

（2）如何进行画面切换与翻页；

（3）流程图画面熟悉，与实际系统的对应；

（4）在流程画面上的操作，包括：

电磁阀开关面板的弹出、调节器面板的弹出、手操器面板的弹出；

（5）熟悉开关面板的操作；

（6）熟悉调节器面板的操作，包括给定值、阀位、手自动切换等；

（7）熟悉手操器面板的操作；

（8）熟悉如何通过调节器面板切换到PID整定画面；

（9）熟悉PID整定面板上各个内容的操作，包括：

熟悉怎样设置PID调节器的正反作用、PID参数、手自动、给定、阀位、曲线倍率选择等。

2.4.2串级控制系统实验

2.4.2.1准备工作

1．首先将装置上的手阀全部关闭，然后仅打开画面上显示的手阀，具体操作为：

打开QV-115、QV-106、QV-102，QV-116

关闭QV-105、QV-111

2．调节各装置的水箱闸板到适当位置（开度0.6~0.8CM）；

3．在DCS操作站上先将两个调节器LIC1003和FIC1001切换到手动状态，变频器可以认为具有风开特性，正确设置两个调节器的正反作用和PID参数，由学生自行判断与设置；

4．在DCS操作站上先将调节器LIC1003和FIC1001设为手动状态。

两个调节器LIC1003和FIC1001的阀位输出置为0，将手操器HIC1002的阀位输出置为100；

5．由教师正确打开A3000现场系统的面板开关；

6．在DCS操作站上将电磁阀XV-101置于开的状态；

7．在DCS上，给调节器FIC1001输出一定的开度，使水箱开始加水到一定高度（50％以下）；

2.4.2.2串级控制回路的投运步骤

正确投用串级控制回路，在此过程中考虑DCS是如何实现无扰切换的，学习在DCS上副调节器和主调节器的投用方法与步骤，具体如下：

1．等到液位达到一定的高度后，在画面上调出FIC1001的调节面板，用鼠标左键点击面板上的

按钮，将FIC1001切入自动；

2．在画面上调出LIC1003的调节面板，用鼠标左键点击面板上的

按钮，将LIC1003切入串级；

3．在LIC1003或者FIC1001调节面板上，用鼠标左键点击

按钮，就能将相应的调节器切至手动；

4．另一种串级的投用方法：

在画面上调出FIC1001的调节面板，用鼠标左键点击面板上的

按钮，就能将整个串级回路投用。

2.4.2.3串级控制回路的整定

1．先整定副回路的PID参数，有两种方法，一种是象简单控制系统那样整定，满足规定的衰减比；另一种是鉴于副回路处于次要地位，不对其参数整定做过多要求，而是参照经验值一次设置好。

2．主调节器参数按照单回路系统方法进行整定（比如4:

1）。

3．通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。

记录最佳的整定曲线。

2.4.2.4副回路对干扰的抑制能力

1．到实际装置上打开手阀QV－111至全开，以使副回路流量发生改变；

2．观察控制系统对干扰的抑制能力，如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。

3．说明：

通过管路流程可以发现，由于装置流程的限制，我们把干扰加在了流量测量检测仪表后面，虽然流量变化最终能反映到副