过程控制综合实践指导书A3000实验部分.docx
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过程控制综合实践指导书A3000实验部分
过程控制综合实践指导书
A3000实验装置部分
中国石油大学(北京)机电学院自动化系
2010年6月
目录
第1章安全注意事项-1-
第2章A3000现场系统使用说明-2-
2.1系统简介-2-
2.1.1现场系统组成-2-
2.1.2支路1分析-3-
2.1.3支路2分析-4-
2.2设备使用简介-4-
2.2.1传感器变送器-4-
2.2.2各仪表简介-6-
2.2.3数字量连接-12-
第3章AS3010常规仪表控制系统使用说明-14-
3.1功能特点-14-
3.2线路连接-15-
3.3显示说明-16-
3.4操作说明-16-
3.5组态王设计说明-18-
第4章AS3020DDC控制系统使用说明-26-
4.1系统简介-26-
4.2模块介绍-26-
4.2.1ADAM4017-26-
4.2.2ADAM4024-27-
4.2.3ADAM4050-28-
4.3硬件设置-29-
第5章工业网关系统使用-35-
第1章安全注意事项
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,包括现场系统,控制系统,接地电阻不大于4Ω。
当通电或正在运行时,请不要进行任何维护、维修操作,不要打开现场系统面板,操作电力接线箱,接线箱盖子,变频器前盖板,否则会发生触电的危险。
对于机柜,其中也包括了部分220V电力接线,特别是S7-200,可能是220V供电的,所以禁止带电操作机柜内部。
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现场对象系统上的旋钮及按键,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。
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,延缓设备老化时间,提高产品寿命。
防止损坏
!
危险
在水泵运行状态,不要拔起安全实验连线,或者突然开启或关闭变频器电源,否则可能损坏变频器。
!
危险
在水箱水位没有达到一定高度,不能启动三相调压器操作,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。
确认电缆与正确的端子相连接,否则,可能会发生爆裂、损坏等事故。
始终应保证正负极性的正确,以防止爆裂、损坏等。
第2章A3000现场系统使用说明
2.1系统简介
A3000操作控制教学与实验系统包括以下部分:
A3000-CS操作控制系统;A3000-FBS总线型现场系统或A3000-FS常规型现场系统。
系统的消耗指标:
三相四线制电源(380VAC),最大用电6kW;单相电源(220VAC),最大用电1kW;自来水150升,重复使用。
2.1.1现场系统组成
A3000高级操作控制实验系统独创现场系统概念。
现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器(包括电动调节阀、变频器及移相调压器)、以及半模拟屏,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。
现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。
这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统方便连接,甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。
该部分工艺流程简图如图2-1所示:
图2-1A3000FS工艺流程示意图
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个温度传感器、液位传感器(1~3个可选)、1个压力变送器,两个流量计(可选涡轮或电磁流量计),1个电动调节阀(可选变频器),一个或两个电磁阀,2个液位开关。
面板左侧设置:
Ø电源:
220VAC单相电源开关,380VAC三相电源开关(学校可能要求全部为220V交流电)。
Ø开关:
三个旋钮开关,分别是1#、2#工频电源开关,以及变频器控制水泵的开关。
可以拔出上面水泵的电力连线,连接到不同的位置,从而更改各个水泵的电力来源。
可以是工频,也可以是变频器。
如果用户不需要变频调速,则建议全部使用工频控制。
按照设计,使用变频器控制的水泵,其面板对应的指示灯可能不工作,这是为了保护继电器。
Ø两个拨动开关,分别是现场系统照明用电源开关,以及变频器STF(正转)控制开关。
注意在机柜上还有并联的一个STF控制端,如果要设置工作模式,请断开该控制端。
为了避免控制逻辑太复杂,我们一般不连接机柜上的这个开关。
Ø电压表:
显示加在调压器上的电压值。
Ø变频器:
对于A3000-FBS总线型现场系统,则具有ProfibusDP控制端子。
但是面板控制、4-20毫安控制对所有变频器都可以操作。
面板右侧是现场系统的模拟屏,安装有5个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。
当水泵、电磁阀开启时,其状态指示灯分别点亮。
当锅炉内水位超过低限液位开关时,液位开关闭合,联锁控制指示灯点亮,可以开始对锅炉加热。
由于指示灯的增加可能导致系统不必要的复杂化,在以后的版本中可能删除指示灯,不另外通知。
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,压力传感器,电动调节阀,三个水箱,还有一路流入换热器进行冷却。
2.1.2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,电磁阀可能没有。
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QV114、QV111、QV109,关闭其它阀门(注意QV113),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。
高限液位开关有两个作用:
第一,当锅炉内水温超过温度上限时,通过联锁控制,打开2#电磁阀,注入冷水,使锅炉内温度快速下降;第二,当锅炉内水量超过液位上限时,高限液位开关闭合,通过联锁控制,关闭2#电磁阀,不再注入冷水。
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,可以做热量转换实验。
锅炉底部连接有滞后管系统。
打开JV501、JV502,关闭JV503,锅炉内的水只流过第一段滞后管,进入储水箱。
打开JV503,关闭JV502,水流过两段滞后管,即增加了滞后时间。
在滞后管出口装有一个温度传感器,可以做温度滞后实验。
2.1.3支路2分析
支路2包括右边的水泵,2#流量计(涡轮或电磁流量计),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。
水泵可以使用变频器控制流量,也可以使用电动调节阀,都是4~20mA电流控制。
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。
三个水箱可各装一个液位传感器,也可以中、下水箱或只下水箱装液位传感器。
可以做单容、双容、三容实验,以及液位串级实验、液位和流量串级实验,换热器温度串级实验,以及换热器解耦控制实验。
系统水箱装有压力传感器,测得水箱的压力信号,之后转换为液位信号。
(液位串级需要两个液位传感器,而换热器解耦需要换热器)。
对于单容实验,配有一块反正切闸板、一个截面呈三角形的柱体。
反正切闸板替换矩形闸板,用于不同阻力下液位数学模型的测定实验。
三角形柱体放入水箱中,可以做非线性容积实验,以及单容水箱容积改变的液位数学模型测定实验。
对于流量控制实验,可以选择支路2,用电动调节阀或变频器作为执行器。
同时启动两个支路的水泵,可以做比值控制实验:
将支路1流量固定(用涡轮流量计操作流量值),设定一个比值系数,用PID控制支路2的流量与支路1成比例。
对于较复杂的前馈-反馈控制实验,设计使用两个支路的多个设备来完成。
包括:
锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、1#流量计、2#流量计。
前馈控制部分,通过操作换热器热水入口温度及流量,控制调节阀开度,实现冷水流量控制;反馈控制部分,通过操作换热器热水出口温度,控制调节阀开度,实现冷水流量控制。
2.2设备使用简介
2.2.1传感器变送器
2.2.1.1温度变送器
温度变送器为两线制,24V直流电驱动。
如图2-2所示:
图2-2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。
操作信号为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,当操作仪表显示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,当操作仪表显示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。
如果Pt100或者温度变送器出现超过1度左右的误差,则可以进行零点或满度调节。
变送器和温度传感器作为一个整体,可以通过操作冰块温度,从而调节零点,然后使用一个能准确操作温度的单元同时操作一个温度,调节满度,以便显示同一个数值。
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。
2.2.1.2液位压力传感器
液位压力传感器是两线制接法,操作信号为4~20mA电流信号。
如图2-3所示:
图2-3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。
例如如果操作值低于4毫安,则直接显示0。
然后操作值上加上一定高度,从而获得比较准确的液位高度。
一般操作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。
2.2.1.3涡轮流量计
涡轮流量计有两种,一种是直接脉冲操作,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操作。
脉冲操作型涡轮流量计采用三线制接法,如图2-4:
图2-4涡轮流量计接线原理图
涡轮流量计操作脉冲信号,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2-5接法:
图2-5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。
该型号操作小流量(<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%。
2.2.1.4电磁流量计
电磁流量计采用四线制接法,如图2-6所示:
图2-6电磁流量计接线原理图
一般不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。
使用前请仔细阅读产品说明书。
开启水泵,将电磁流量计信号输入百特仪表(量程设为0~3立方/小时),会看见流量值。
电磁流量计液晶屏上会显示瞬时流量与累积流量值。
注意:
不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。
加电几分钟后才能获得准确数值。
为了保证低流量下的精度,我们使用了满量程3立方/小时的电磁流量计,依据水泵的最大流量。
流量控制范围可以0%-55%。
2.2.2各仪表简介
2.2.2.1三菱变频器
两个水泵都可以使用220V工频控制。
尽量不要使用变频器控制,因为变频器的干扰比较大。
可能导致操作误差大,或者通讯速率大大降低。
我们的系统设计已经可以最大限度地减少变频器干扰。
为了方便控制,我们已经把变频器设定为电流控制状态,即工作模式3。
把RM端定义为AU,并连接到SD端。
启动变频器后,打开变频器STF开关,变频器就开始按照给定的电流操作,而不是等待按RUN键,关闭变频器STF开关可以关闭操作。
按STOP键也可以关闭操作,但此时只能关闭变频器,断开后再启动才能继续工作。
在把STF启动拨动开关断开后,可以设置到面板控制模式。
通过旋钮进行频率设定。
如果要学习变频器其他各种设定。
则打开变频器外盖,自己进行连接。
强烈提醒非专业人员不要这样操作。
即使变频器不处于运行状态,其电源输入线,直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。
因此,断开开关以后还必须等待5分钟,保证变频器放电完毕,再开始安装工作。
操作变频器操作模式有多种:
Ø设定模式PR79模式0,则可以切换PU操作或外部操作。
Ø设定模式PR79模式1,则可以PU操作。
Ø设定模式PR79模式2,则可以外部操作。
Ø设定模式PR79模式3,则4-20毫安频率设定,STF,STR启动。
Ø设定模式PR79模式4,5其他操作模式。
最常用的有两种:
A3000的PU操作就选择模式0,通过PU键切换到PU操作,然后通过旋钮设定频率,RUN按钮启动。
4-20毫安操作选择模式3,通过启动开关启动,然后外部4-20毫安控制。
调试与操作步骤:
(1)面板操作
变频器上电,液晶屏显示:
首先断开STF和SD的连接(启动旋钮),按
键,设置PU操作模式,PU显示灯亮。
旋转
直到显示为希望的频率值(设30),约5秒闪灭。
在数值闪灭期间,按SET键,设定频率数值。
闪烁3秒后,显示屏回到0.0显示状态,按RUN键运行。
将1#或2#水泵实验用插线接到变频器开关插座上,启动水泵,水泵开始工作。
按
键,变频器停止工作。
(2)4~20mA电流控制
首先断开STF和SD的连接(启动旋钮),按
键,进入参数设定模式,拨动
选择参数Pr.79(操作模式选择),设定为3。
将水泵实验用插线接到变频器,上电,输入一个4~20mA电流信号到变频器的4、5号端子,启动旋钮设置到ON位置,水泵运转。
改变输入的电流值,可以看到操作的频率也改变了。
调试完,将参数Pr.79设为0。
2.2.2.2西门子变频器
西门子变频器可以BOP面板操作,可以4-20毫安控制,可以使用PROFIBUS-DP总线控制。
不需要增加任何硬件就可以进行这些模式的操作。
西门子变频器是带PROFIBUS-DP总线的,通过PROFIBUS-DP总线与控制器连接。
可以由单相/三相230V直流供电,本系统采用220V单相交流电。
单相电源接线方式如图2-7,2-8所示:
图2-7MICROMASTER420变频器的连接端子
图2-8电源接线方式
本系统使用了变频器的STF功能,其控制线接端子5和8,速度调节控制线接端子3和4,端子U、V接负载。
变频器的操作面板上需要提供24V直流电源。
即使变频器不处于运行状态,其电源输入线,直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。
因此,断开开关以后还必须等待5分钟,保证变频器放电完毕,再开始安装工作。
注意:
变频器的控制电缆,电源电缆和与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离。
不要把它们放在同一个电缆线槽中/电缆架上。
使用前请参照产品说明书(中文)420opichn.pdf
按钮
功能
功能说明
状态显示
LCD显示变频器当前的设定值。
起动变频器
按此键起动变频器。
缺省值运行时此键是被封锁的。
为了使此键的操作有效,应设定P0700=1。
停止变频器
OFF1:
按此键,变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车.缺省值运行时此键被封锁;为了允许此键操作,应设定P0700=1。
OFF2:
按此键两次(或一次,但时间较长)电动机将在惯性作用下自由停车。
此功能总是“使能”的。
改变电动机的转动方向
按此键可以改变电动机的转动方向。
电动机的反向用负号(-)表示或用闪烁的小数点表示。
缺省值运行时此键是被封锁的,为了使此键的操作有效,应设定P0700=1。
电动机点动
在变频器无操作的情况下按此键,将使电动机起动,并按预设定的点动频率运行。
释放此键时,变频器停车。
如果变频器/电动机正在运行,按此键将不起作用。
功能
此键用于浏览辅助信息。
变频器运行操作中,在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟,将显示以下参数值(在变频器运行中,从任何一个参数开始):
1.直流回路电压(用d表示–单位:
V)
2.操作电流(A)
3.操作频率(Hz)
4.操作电压(用o表示–单位:
V)
5由P0005选定的数值(如果P0005选择显示上述参数中的任何一个(3,4,或5),这里将不再显示)。
连续多次按下此键,将轮流显示以上参数。
跳转功能在显示任何一个参数(rXXXX或PXXXX)时短时间按下此键,将立即跳转到r0000,如果需要的话,您可以接着修改其它的参数。
跳转到r0000后,按此键将返回原来的显示点。
访问参数
按此键即可访问参数
增加/减少数值
按此键即可增加/减少面板上显示的参数数值。
一些重要参数的含义:
P0010开始快速调试
Ø0准备运行
Ø1快速调试
Ø30工厂的缺省设置值
P0700选择接通/断开/反转(on/off/reverse)命令源
Ø0工厂设置值
Ø1基本操作面板(BOP)
Ø2模入端子/数字输入
Ø6来自总线命令。
如果使用Profibus总线,则需要设置这个参数。
注意要P0917=0。
P1000选择目标频率设定值来源
Ø0无频率设定值
Ø1用BOP控制频率的升降
Ø2模拟设定值
Ø6来自总线命令。
如果使用Profibus总线,则需要设置这个参数。
注意要P0917=0。
P0004参数过滤器
Ø2变频器
Ø4PI比例积分控制器
Ø10设定值通道和斜坡函数发生器
Ø20通讯
Ø22变频器PID控制参数
P0003参数访问级
变频器的参数有4个用户访问级;即标准访问级,扩展访问级,专家访问级和维修级。
访问的等级由参数P0003来选择。
对于大多数应用对象,只要访问标准级(P0003=1)和扩展级(P0003=2)参数就足够了。
如果使用总线控制,可以使用P0003=3,具有更高等级访问更多参数。
P0970复位到原厂默认值
操作
常用操作模式有三种:
ØBOP面板操作。
一般先P0010=30,P970=1,把其他参数复位,然后设定P0010=0、P0700=1、P1000=1。
Ø4-20毫安控制,一般先P0010=30,P970=1,把其他参数复位,然后P0010=0、P0700=2、P1000=2。
ØProfibus总线控制,一般先P0010=30,P970=1,把其他参数复位,然后P0010=0、P0700=6、P1000=6。
具体请参考多媒体系统。
在设定好之后,并不一定需要STF启动拨动开关,而直接就可以通过P0700的不同设置来启动,例如面板,或者总线命令。
调试和操作步骤
调试在基本操作面板上进行。
变频器通电后,液晶屏在
状态下,按
,进入参数设置状态。
按
或
键,直到显示P0700(其值为1时才能启用BOP面板控制),按
键,显示其参数值,按
或
键,修改其参数值为1,再次按
键设定参数。
同以上操作,修改P0003和P0004参数值为2。
修改P0010参数值为1,进入快速调试模式。
设定P1000参数值为1,表示用BOP操作面板控制。
设定P1080和P1082参数值,分别为设置电动机频率的最小(0Hz)、最大值(50Hz)。
以上几个参数设置顺序可颠倒,设置完后,应将P0010设为0,进入准备运行状态。
按
或
键,直到显示
,按启动键
,显示数值从0变化到5,此时变频器已启动,按
键,设定频率为30~50之间,可听到继电器动作。
若将水泵插线头接上,可以启动水泵运转。
我们使用Profibus面板进行控制,使用PPO1数据结构。
这是最简单的控制方式。
具体请参考文件MM4_Profibus_Eng.pdf。
频率对应的数值,0-0Hz16385-50.00Hz,可以提供如下转换公式:
AV:
=REAL_TO_WORD(16385*IN/50);IN是目标频率,AV为要操作的数值。
2.2.2.3水泵
水泵额定扬程6-10米,额定流量1-2立方/小时。
尽量使得流过水泵的水温不超过80度。
水泵上的开关设置最好为“常开”。
水泵不能无水空转,容许一定时间内堵转。
如果发现水泵发热而不能转动,则可以拆开水泵下面的4个螺钉,脱离底座,上电然后看转叶轮转动,如果转动,然后再安装到底座上。
如果发现调节阀已经全开,而水量不够,则可能水箱中水已经不够,请加水到水泵出口高到一定程度,最好超过10厘米。
如果使用切换工频或变频控制,则要求停止后再切换。
工作电压220V,误差不超过10%。
2.2.2.4电动调节阀
电动调节阀采用四线制接线,电源为220VAC,其信号线分为输入控制信号和阀位操作信号(4~20mA)。
接通220VAC电源后,打开保护盖,可以看见指示灯亮起,用百特仪表手动操作20mA(量程设置为4~20mA)到控制端,齿轮开始旋转,同时调节阀的轴向上移动到最大行程。
若施加一个电流信号,调节阀不动作,可以操作信号线两端电阻值,大小为250Ω。
反之,没有电阻值,表示信号线已断开。
用百特仪表检验时,将调节阀的操作信号接到百特仪表,操作其电压值,若大于12V,则表示信号线断开。
使用前请仔细阅读产品说明书。
如果输入20毫安而没有全开,输入4毫安没有全部关闭,或者发现电机转动而轴不动(死转)。
则需要调整各个可调电阻,包括上限位、下限位等。
至少不能电机转动而轴不动,久了就会损坏设备。
2.2.2.5加热管
一般为6KW,三相三角形接法。
经过多月实验之后,如果加热管效率大大降低,