《过程控制与仪表》实验指导书.docx
《《过程控制与仪表》实验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《过程控制与仪表》实验指导书.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
《过程控制与仪表》实验指导书
《过程控制及仪表》实验指导书
主编冯翼
审核虎恩典
校对杨艺
北方民族大学电气信息工程学院
二○○八年三月
目 录
实验系统介绍……………………………………………………………………1
实验一 一阶单容上水箱对象特性测试实验………………………………………11
实验二 二阶双容中水箱对象特性测试实验…………………………………16
实验三 单回路控制系统PID参数整定实验
（1）
——上水箱液位PID整定实验……………………………………21
实验四 单回路控制系统PID参数整定实验
（2）
——锅炉内胆水温PID整定实验…………………………………27
实验五 串级控制实验
——上水箱中水箱液位串级控制实验……………………………………31
一、概述
随着计算机控制装置在控制仪表基础上发展起来以后，自动化控制手段也越来越丰富。
其中有在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表控制系统、智能仪表加计算机组态软件控制系统、计算机DDC控制系统、PLC控制系统、DCS分布式集散控制系统、有FCS现场总线控制系统等。
在现代化工业生产中，过程控制技术正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产效率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起越来越大的作用。
二、AE2000B型系统介绍
AE2000B型过程控制实验装置是根据工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS（分布式集散控制系统），经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。
该设备涵盖了《信号和信息处理》、《传感技术》、《工程检测》、《模式识别》、《控制理论》、《自动化技术》、《智能控制》、《过程控制》、《自动化仪表》、《计算机应用和控制》、《计算机控制系统》等课程的教学实验与研究。
整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。
AE2000型过程实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压1～5V，电流4～20mA。
实验系统供电要求：
单相220V交流电，外型尺寸：
1850×1450×900mm，重量：
100Kg
一）、AE2000B型系统主要特点
1．被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。
2．执行器中既有电动调节阀（或气动调节阀）、单相SCR移相调压等仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器。
3．调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过另一动力支路或电磁阀和手操作阀制造各种扰动。
4．一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。
5．某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，二者同时进行时要对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。
6．各种控制算法和调节规律在开放的组态实验软件平台上都可以实现。
7．实验数据及图表在MCGS组态软件中永久存储可随时调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。
二）、AE2000B型实验对象组成结构
过程控制实验对象系统包含有：
不锈钢储水箱（长×宽×高：
850×450×400mm）、串接圆筒有机玻璃上水箱、中水箱、下水箱、单相2.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）。
系统动力支路分两路组成：
一路由单相增压泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由增压泵、变频调速器、小流量涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。
如图2-1所示：
2-1、系统结构图
对象系统结构图中检测变送和执行元件包括：
液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、压力表、电动调节阀等。
AE2000B实验对象检测及执行装置包括：
检测装置：
扩散硅压力液位传感器、涡轮流量传感器、Pt100热电阻温度传感器。
执行装置：
单相可控硅移相调压装置、电动调节阀、变频器。
1、液位传感器
工作原理：
当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换器转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4~20mA标准电流输出信号。
接线如图所示：
接线说明：
传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接中继箱内正（+），中继箱内负（—）接负载电阻，负载电阻接24V-，输出4~20mA电流信号，通过负载电阻转换成电压信号，两线制接法。
在负载电阻250/50Ω两端取信号电压，当负载电阻接250Ω时信号电压为1～5V，当负载电阻切换成50Ω时信号电压为0.2～1V。
零点和量程调整：
零点和量程调整电位器位于另一侧的中继箱内。
校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的（Z）调零电位器，右边的（R）调增益电位器。
2、温度传感器
Pt100热电阻
工作原理：
接线说明：
连接两端元件热电阻采用的是三线制接法。
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，经过温度变送器变送出4~20mA信号。
如图所示：
3、流量计
1）、涡轮流量计：
输出信号：
4~20mA，测量范围：
0~0.6m3/h
接线如图所示：
接线说明：
传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源12V+接中继箱内正（+），中继箱内负（—）接24V-，中继箱内负（—）作为涡轮流量计输出信号负端，中继箱内A为输出信号+（正）。
负载电阻则把电流信号转换成电压信号。
4、压力表
安装位置：
单相泵之后，电动调节阀之前。
测量范围：
0～0.25MPa
5、电动调节阀
主要技术参数：
执行机构
型式：
智能型直行程执行机构
输入信号：
0～10mA/4～20mADC/0～5VDC/1～5VDC
输入阻抗：
250Ω/500Ω
输出信号：
4～20mADC
输出最大负载：
<500Ω
断信号阀位置：
可任意设置为保持/全开/全关/0～100%间的任意值
电源：
220V±10%/50Hz
6、单相可控硅移相调压
通过4～20mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0～220V之间根据控制电流的大小实现连续变化。
三）、AE2000B型实验对象控制台
仪表控制台面板由三部分组成：
（1）电源控制屏面板：
充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、
电流型漏电保护器。
（2）仪表及远程数据采集模块面板：
1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、2块远程数据采集模块面板组成，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。
（3）I/O信号接口面板：
该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制实验。
1、电源控制屏
电源控制屏带有总电源漏电保护器，电源总开关，单相电源开关，单相电源指示，单相电压指示表，单相电源保险丝（座），照明开关，启动、停止按钮，单相电源输出。
A、电源控制屏为实验提供：
（1）单相220V交流电源。
B、电源控制屏的启动:
（1）关闭所有的电源开关。
（2）接好机壳的接地线，插好单相电源插头，接通单相220V、50Hz的交流电。
（3）开启总电源单相漏电保护器开关，电源指示灯亮表示三相电源已经接通。
开启总电源开关，电源控制屏启动完毕。
（4）、实验完毕，先关闭所有电源开关，再关电源总开关，为保护仪表及所以用电设备的使用寿命。
（5）、单相电源主电路中设有10A带灯熔断器。
2、I/O信号接口面板
该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行实验.
1）、DCS-FM151模拟量输出接口：
共4路模拟量信号输出控制执行器。
2）、单相SCR移相调压装置：
单相电加热管0~220V连续可调交流电压提供装置，可调电压由4～20mA控制输出。
3）、电动调节阀：
电动调节阀直接接220V交流电源，由电源开关控制电源的通断，控制信号4～20mA电流输入+端接调节器输出的（4～20mA）控制信号+端，控制信号4～20mA电流输入-端接调节器输出的（4～20mA）控制信号-端。
4）、铂电阻：
提供锅炉内胆、锅炉夹套，强制对流换热系统的冷水和热水温度信号。
温度范围为（0～100℃）。
5）、温度变送器：
为各个电流信号转化成（1～5V、0.2～1V等）标准电压信号提供转化电路。
（通过钮子开关切换可得到50欧姆或250欧姆电路，钮子开关打到ON为50欧姆，打到OFF为250欧姆）。
6）、压力变送器：
引出上水箱液位，下水箱液位（1～5V或0.2～1V）和小流量管压力的标准电压信号和各路的钮子开关打到OFF为（1～5V），打到ON为（0.2～1V）。
7）、流量变送器：
涡轮流量计输出频率信号，分别为+，-两端输出。
8）、24V开关电源：
提供24V，正常供电时电压指示灯亮。
3、变频器
如图所示，变频器型号为三菱FR-S520S-0.4K型变频调速器，具体参数设置如下表：
名称
表示
设定范围
设定值
上限频率
P1
0-120Hz
60Hz
下限频率
P2
0-120Hz
25Hz
扩张功能显示选择
P30
0，1
1
频率设定电流增益
P39
1-120Hz
60Hz
RH端子功能选择
P62
4
操作模式选择
P79
0-8
0
C5
C5
输出频率大小
25Hz
C6
C6
偏置
20%
A面板接线端子功能说明：
为了保护变频器各接线端子不因实验时
经常的装拆线而损坏或丢失，故将其常用的
端子引到面板上。
1、控制信号输入：
可输入外部0~5V电
压，或4~20mA电流控制信号。
2、STF、STR：
电机的正、反转控制端，SD与STF相连为正转，SD与STR相连时为反转。
B本装置中变频器使用说明：
本装置中使用变频器时，主要有两种输出方式：
一种是直接调面板旋钮输出频率，另一种是用外部输入控制信号使变频器输出频率。
两种输出方式具体接线方法如下：
1、变频器面板旋钮输出接线方法：
SD与STF（或STR）短接，当需要改变输出频率时，旋动面板上的旋钮，顺时针旋可增大输出频率，逆时针旋可减小输出频率。
待旋至所需要的频率时，按变频器上白色的SET键，即可完成面板旋钮改变输出频率。
2、变频器外部控制信号控制输出接线方法：
SD与STF（或STR）、RH两端都短接，在控制信号输入端接入控制信号（正极、负极应对应，不能接错）打开变频器的电源开关即可输出。
通过改变控制信号的大小来改变输出的频率。
*注：
附FR-S520S-0.4K-CH三菱变频调速器使用手册（基本篇）
3、远程数据采集模块ICP-7017、ICP-7024（或8017，8024）
ICP-7017:
8通道模拟量输入模块。
面板如图所示，亚当ICP-7017（8017）电，提供了4通道的输入端口。
型号
功能
I-7107
模
拟
量
输入
分辨率
16bit
输入通道
8路差动
采样率
10Hz
电压输入
+/-150mV
+/-500mV
+/-1mV
+/-5V
+/-10V
电流输入
+/-20mA
每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流，支持485通讯。
ICP-7024（8024）量输出模块。
面板如图所示，亚当ICP-7024模块24V供电，提供了4通道的输出端口。
型号
功能
I-7024
模
拟
量
输
出
分辨率
14bit
输出通道
4路差动
电压输出
+/-10V
+/-5V
0～10V
0～5V
电流输出
0～20mA
4～20mA
每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。
支持485通讯。
5、智能调节仪AI818A
如图所示
智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A，
具备AI708A的全部功能特点外，还具备外给定、手动/自动切换操作、手动整定及显示输出值等功能。
具备能直接控制阀门的位置比例输出（伺服放大器）功能，也可独立做手动操作器或伺服放大器用，此外还具备可控硅移相触发输出功能，可节省可控硅移相触发器，能精确控制温度、压力、流量、液位等各种物理量。
面板接线端子功能说明：
1、2端子：
1-5V，0-5V信号输入端。
（1端+，2端-）
2、3、4端子：
2、3为0.2-1V信号输入端（注：
0.2-1V信号必须从2、3端子输入,2端为-，3端为+）；2、3、4为热电阻，热电偶信号输入端。
RSV（I/V转换）：
将测量或外部输入电流信号转换为电压信号后输入到1、2端或2、3端。
7、8：
测量或控制电流信号输出端。
9、10：
220V交流供电电源输入端。
RS485通讯口：
与上位机通讯接口。
智能调节仪使用参数设置：
修改参数时，按住键3秒，即可调出如下表第一个参数HIAL，用
、
、
、修改参数的值。
修改好第一个参数后，再按一下
即可进入下一个参数的修改。
参数代号
参数含义
说明
设置范围
HIAL
上限报警
测量值大于HIAL+dF时产生上限报警
999.9
LOAL
下限报警
测量值大于LOAL-dF时产生上限报警
-199.9
DHAL
正偏差报警
正偏差大于DHAL+dF产生正偏差报警
999.9
DLAL
负偏差报警
负偏差大于DLAL-dF产生负偏差报警
999.9
dF
回差
请参看使用说明书
0．3
CTrL
控制方式
请参看使用说明书
1
P
比例度
比例系数的倒数
4
I
积分时间
请参看使用说明书
100
D
微分时间
请参看使用说明书
0
sn
输入规格
请参看使用说明书
33
DIP
小数点位置
小数点位置，以配合用户习惯数值
1
DIL
输入下限显示值
请参看使用说明书
0
DIH
输入上限显示值
请参看使用说明书
100
OP1
输出方式
op1=4,4-20mA线性电流输出
4
OPL
输出下限
请参看使用说明书
0
OPH
输出上限
请参看使用说明书
100
CF
系统功能选择
请参看使用说明书
0
Addr
通讯地址
请参看使用说明书
1（或2或3）
bAud
通讯波特率
请参看使用说明书
9600
dL
输入数字滤波
请参看使用说明书
按不同实验设置不同参数
run
运行状态
请参看使用说明书
1
根据不同的实验，以上参数有所改变，请参看实验部分说明。
输入规格：
根据实际所测的信号不同，sn=0~37之间选择
Sn
输入规格
Sn
输入规格
0
K
1
S
2
R
3
T
4
E
5
J
6
B
7
N
8-9
备用
10
用户指定的扩充输入规格
11-19
备用
20
Cu50
21
Pt100
22-25
备用
26
0-80欧电阻输入
27
0-400欧电阻输入
28
0-20mV电压输入
29
0-100mV电压输入
30
0-60mV电压输入
31
0-1V（0-500mV）
32
0.2-1V（100-500Mv）
33
1-5V电压输入
34
0-5V电压输入
35
-20-+20mV（0-10V）
36
-100-+100mV（2-10V）
37
-5V-+5V（0-50V）
*加粗的表示常用的输入规格。
小数点位置DIP：
例：
DIP=1小数点在十位。
输入下限显示值DIL：
用于定义线性输入信号下限刻度值，对外给定、变送输出、光柱显示均有效。
例：
上水箱液位传感器检测范围为0~100cm，则DIL=0，DIP=1
输入上限显示值DIH：
用于定义线性输入信号上限刻度值，与DIL配合使用。
例：
上水箱液位传感器检测范围为0~100cm，则DIH=100，DIP=1
输出方式OP1：
OP1=4，4-20mA线性电流输出。
输出下限值OPL：
OPL=0调节器输出最小值
输出上限值OPH：
OPH=100调节器输出最大值。
系统功能选择CF：
CF=0调节器为反作用；CF=1调节器为正作用
通讯地址ADDR：
ADDR=0-100有效，作为辅助模块用于测量值变送输出时，ADDR及bAud定义对应测量值变送输出的线性电流大小，其中ADDR表示输出下限，bAud表示输出上限。
单位为0.1mA。
6、智能流量积算仪
智能流量积算仪面板如右图所示：
流量积算变送仪，主要功能是将涡轮流量计输出的流量频率信号转换为4-20mA的电流信号输出。
智能流量积算仪面板分：
频率信号输入接口、变送信号输出接口、输出电流信号转换成电压信号电阻接口。
（250Ω和50Ω）
流量积算仪参数设置如下：
一级参数：
符号
名称
设定参数
KEY
禁锁
2000
AL1
第一报警值
5000
K
脉冲系数
118（可修改）
Poin
小数点
1
d0
标况密度
变送低端补偿
df
显示内容
变送高端补偿
具体操作方法,请查阅智能流量积算仪说明书。
四）、AE2000B型系统控制软件
在PC机上安装AE2000BYB组态软件，通过RS232/485转换装置同仪表控制台侧部的RS485串行接口同所有的仪表及远程数据采集模块进行通讯。
学生可对下位仪表各参数进行设定、修改PID控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值、各实验都设有动态流程图、及被测参数动态显示及变化棒图显示系统流程图。
软件使用说明如下：
一）、在MCGS组态软件环境中打开AE2000BYB组态软件，如下图所示：
二）、按F5或点击文件菜单中的进入运行环境选项运行AE2000BYB软件。
点击进入仪表控制实验系统，或按菜单中的进入实验目录选项。
三）、点击进入仪表控制实验系统如下图所示：
实验中安排了十几个实验，选择实验菜单中的实验点击即可进入相应的实验。
如进入上水箱液位PID参数整定控制实验，如下图所示：
点击设定值对应的设置按钮，设置给定值，点击比例度对应的设置按钮，设置比例度的大小，点击积分时间对应的设置按钮，设置积分时间参数，点击微分时间对应的设置按钮，设置微分时间参数。
实时曲线、历史曲线、数据浏览以不同的方式记录实验的实时数据，其中历史曲线和数据浏览可以永久的保存所有做过的实验数据，方便查询。
实验指导选项可以了解实验步骤，通讯状态选项可以监控通讯状态，退出本实验选项可以退出实验回到实验目录界面。
实验一一阶单容上水箱对象特性测试实验
（验证性实验）
一、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、根据由实际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。
二、实验设备
AE2000B型过程控制实验装置：
（配置：
万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线）
三、系统结构框图
单容水箱如图1-1所示：
图1-1、单容水箱系统结构图
四、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。
如图1-1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，出水阀V2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：
阀V2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V2阀的液阻，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1-2所示。
当由实验求得图1-2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：
图1-2、阶跃响应曲线
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（∞）。
五、实验内容和步骤
1、设备的连接和检查：
（1）、将AE2000B实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
（2）、打开以丹麦泵、电动调节阀、电磁流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。
（3）、打开上水箱的出水阀至适当开度。
（4）、检查电源开关是否关闭
2、系统连线图：
图1-3、实验接线图
1）、将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。
2）、按图1-3所示连线。
3、启动实验装置
1）、将实验装置电源插头接到单相220V的单相电源上。
2）、打开总电源漏电保护空气开关，电压表指示220V，电源指示灯亮。
3）、打开电源总开关，即可开启电源。
4、实验步骤
1）、开启电动调节阀电源、24V电源、智能调节仪电源。
2）、根据仪表使用说明书和液位传感器使用说明调整好仪表各项参数和液位传感器的零位、增益，仪表输出方式设为手动输出，初始值为0。
3）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图1-4所示：
1-4、实验软件界面
4）、双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，或者在仪表手动状态下，按住仪表的STOP键将仪表的输出值上升到所想设定的值，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<35。
开启单相泵电源开关，启动动力支路。
将被控参数液位高度控制在30%处（一般为10cm）。
5）、观察系统的被调量：
上水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入下表。
仪表输出值
水箱水位高度h1
仪表显示值
0~100
cm
cm
6）、迅速增加仪表手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的
升级会员 