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过程控制与检测仪表课程设计指导书

过程控制和检测仪表

课程设计指导书

杜玉晓

广东工业大学自动化学院

二００六年十月

实验项目名称：

题目一单容水箱液位定值控制系统

实验项目性质：

综合性

所属课程名称：

《过程控制系统》、《组态软件技术》、《PLC和电器控技术》

实验计划学时：

1周

一．实验目的

使学生针对典型的工业控制对象，实现单容水箱液位的定值控制。

单容液位控制系统设计包括系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生初步掌握工业控制系统的设计和实现方法。

了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用，了解单容液位定值控制系统的结构和组成，掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。

二、预习和参考

自动控制原理、过程控制系统、MCGS、西门子200、300PLC编程。

三．实验要求和设计指标

按照实验要求，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完成单容液位控制系统的综合和设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。

掌握自动控制系统的综合和设计方法，熟悉控制器的结构、类型及其校正作用。

（1）根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；

（2）确定控制系统控制算法以及实现方法；

（3）智能控制仪表控制设定；或者西门子PLC程序设计；

（4）MCGS监控界面。

四.实验（设计）仪器设备和材料清单

实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；

SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。

五．调试及结果测试

根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。

六.考核形式

实验完成后，交实验报告一份，包括计算和系统设计说明。

实验考核方法：

随堂考核试验操作能力；评分标准：

含各项目成绩、参考平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。

七.实验报告要求

每位同学根据自己的实验数据和结果，根据给定的格式，独立完成实验报告。

八．思考题

1、智能控制仪表PID控制设定；西门子PLCPID控制实现方法；

2、P，PI，PID调节器的作用，及其对动态和稳态的协调控制；

3、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度和那些因素有关？

4、如果采用中水箱做实验，其响应曲线和下水箱的曲线有什么异同？

并分析差异原因。

实验项目名称：

题目二双容水箱液位定值控制系统

实验项目性质：

综合性

所属课程名称：

《过程控制系统》、《组态软件技术》、《PLC和电器控技术》

实验计划学时：

1周

一．实验目的

使学生针对典型的工业控制对象，实现双容水箱液位的定值控制。

双容液位控制系统设计包括系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生初步掌握工业控制系统的设计和实现方法，掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定和投运方法，掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、预习和参考

自动控制原理、过程控制系统、西门子PLC选型及使用技术、MCGS编程技术。

三．实验要求和设计指标

按照实验要求，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完成双容水箱液位定值控制系统的综合和设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。

掌握自动控制系统的综合和设计方法，熟悉控制器的结构、类型及其校正作用。

（1）根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；

（2）确定控制系统控制算法以及实现方法；

（3）编写底层PLC控制程序；

（4）MCGS通信配置、MCGS实时监测界面设计。

四.实验（设计）仪器设备和材料清单

实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；

SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根，带有ProfibusDp扩展模块的西门子200系列PLC一套。

五．调试及结果测试

根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。

六.考核形式

实验完成后，交实验报告一份，包括计算和系统设计说明。

实验考核方法：

随堂考核试验操作能力；评分标准：

含各项目成绩、参考平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。

七.实验报告要求

每位同学根据自己的实验数据和结果，根据给定的格式，独立完成实验报告。

八．思考题

1、西门子PLCPID控制实现方法；

2、MCGS网络配置方法，包括数字量I/O口，模拟量输入输出；

3、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度和那些因素有关？

4、引起双容对象滞后的因素主要有哪些？

实验项目名称：

题目三水箱液位串级控制系统

实验项目性质：

综合性

所属课程名称：

工业数据通信和控制网络、《过程控制系统》、《组态软件技术》、《PLC和电器控技术》

实验计划学时：

1周

一．实验目的

使学生针对典型的工业控制对象，实现水箱液位的串级控制。

水箱液位串级控制系统设计包括系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生了解水箱液位串级控制系统组成原理，初步掌握工业控制系统的设计和实现方法，掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定和投运方法，掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、预习和参考

自动控制原理、过程控制系统、MCGS、西门子200、300PLC编程。

三．实验要求和设计指标

按照实验要求，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完成水箱液位串级控制系统的综合和设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。

掌握自动控制系统的综合和设计方法，熟悉控制器的结构、类型及其校正作用。

（1）根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；

（2）确定控制系统控制算法以及实现方法；

（3）智能控制仪表控制设定；或者西门子PLC程序设计；

（4）MCGS监控界面。

四.实验（设计）仪器设备和材料清单

实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；

SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。

五．调试及结果测试

根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。

六.考核形式

实验完成后，交实验报告一份，包括计算和系统设计说明。

实验考核方法：

随堂考核试验操作能力；评分标准：

含各项目成绩、参考平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。

七.实验报告要求

每位同学根据自己的实验数据和结果，根据给定的格式，独立完成实验报告。

八．思考题

1．串级控制原理，不同PID参数对系统动态和静态性能的影响；

2、当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？

3、改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响，试从理论上给予说明；

4．评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？

实验项目名称：

题目四单闭环流量比值控制系统

实验项目性质：

综合性

所属课程名称：

《过程控制系统》、《组态软件技术》、《PLC和电器控技术》

实验计划学时：

1周

一．实验目的

使学生针对典型的工业控制对象，实现单闭环流量比值控制。

单闭环流量比值控制系统设计包括系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生了解单闭环比值控制系统的原理和结构组成，初步掌握工业控制系统的设计和实现方法，掌握比值系数的计算方法，掌握比值控制系统的参数整定和投运方法。

二、预习和参考

自动控制原理、过程控制系统、西门子PLC选型及使用技术、MCGS编程技术。

三．实验要求和设计指标

按照实验要求，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完成单闭环流量比值控制系统的综合和设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。

掌握自动控制系统的综合和设计方法，熟悉控制器的结构、类型及其校正作用。

（1）根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；

（2）确定控制系统控制算法以及实现方法；

（3）编写底层PLC控制程序；

（4）MCGS通信配置、MCGS实时监测界面设计。

四.实验（设计）仪器设备和材料清单

实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；

SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根，带有ProfibusDp扩展模块的西门子200系列PLC一套。

五．调试及结果测试

根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。

六.考核形式

实验完成后，交实验报告一份，包括计算和系统设计说明。

实验考核方法：

随堂考核试验操作能力；评分标准：

含各项目成绩、参考平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。

七.实验报告要求

每位同学根据自己的实验数据和结果，根据给定的格式，独立完成实验报告。

八．思考题

1．单闭环比值控制系统的原理和结构组成；

2．MCGS网络配置方法，包括数字量I/O口，模拟量输入输出；

3、如果Q1（t）是一斜坡信号，试问在这种情况下Q1和Q2能否保持原比值关系？

4、试根据工程比值系数确定仪表比值系数。

实验项目名称：

题目五锅炉内胆静（动）态水温定值控制系统

实验项目性质：

综合性

所属课程名称：

《过程控制系统》、《组态软件技术》、《PLC和电器控技术》

实验计划学时：

1周

一．实验目的

使学生针对典型的工业控制对象，实现锅炉内胆静（动）态水温定值控制。

锅炉内胆静（动）态水温定值控制系统设计包括系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生了解单回路温度控制系统的组成和工作原理，了解PID参数自整定的方法及其参数整定方法，初步掌握工业控制系统的设计和实现方法，研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。

二、预习和参考

自动控制原理、过程控制系统、MCGS、西门子200、300PLC编程。

三．实验要求和设计指标

按照实验要求，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完成锅炉内胆静（动）态水温定值控制系统的综合和设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。

掌握自动控制系统的综合和设计方法，熟悉控制器的结构、类型及其校正作用。

（1）根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；

（2）确定控制系统控制算法以及实现方法；

（3）智能控制仪表控制设定；或者西门子PLC程序设计；

（4）MCGS监控界面。

四.实验（设计）仪器设备和材料清单

实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；

SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。

五．调试及结果测试

根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。

六.考核形式

实验完成后，交实验报告一份，包括计算和系统设计说明。

实验考核方法：

随堂考核试验操作能力；评分标准：

含各项目成绩、参考平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。

七.实验报告要求

每位同学根据自己的实验数据和结果，根据给定的格式，独立完成实验报告。

八．思考题

1．智能控制仪表PID控制设定；西门子PLCPID控制实现方法；

2．P，PI，PID调节器的作用，及其对动态和稳态的协调控制；

3．在温度控制系统中，为什么用PD和PID控制，系统的性能并不比用PI控制时有明显地改善？

4．为什么内胆动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定，动态性能更好？

附录“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”

实验装置说明

1系统概述

“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。

本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。

该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。

本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。

学生通过本实验装置进行综合实验后可掌握以下内容：

（1）传感器特性的认识和零点迁移；

（2）自动化仪表的初步使用；

（3）变频器的基本原理和初步使用；

（4）电动调节阀的调节特性和原理；

（5）测定被控对象特性的方法；

（6）单回路控制系统的参数整定；

（7）串级控制系统的参数整定；

（8）复杂控制回路系统的参数整定；

（9）控制参数对控制系统的品质指标的要求；

（10）控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养；

（11）各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。

2THSA-1型过控综合自动化控制系统对象

实验对象总貌图如图1-1所示：

本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。

供水系统有两路：

一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

（一）被控对象

由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成）、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

（1）水箱：

包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。

水箱底部均接

有扩散硅压力传感器和变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。

上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。

储水箱由不锈钢板制成，能满足上、中、下水箱的实验供水需要。

（2）模拟锅炉：

是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）

图1-1实验对象总貌图

和冷却层（锅炉夹套），可利用它进行温度实验。

做温度实验时，冷却层的循环

水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。

（3）盘管：

模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。

盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。

它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。

（4）管道及阀门：

整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

（二）检测装置

（1）压力传感器、变送器：

三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。

输出：

4～20mADC。

（2）温度传感器：

装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。

经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。

（3）流量传感器、变送器：

三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。

输出：

4～20mADC。

（三）执行机构

（1）电动调节阀：

采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。

电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号。

（2）水泵：

本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

（3）电磁阀：

在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

（4）三相电加热管：

由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温。

3THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台

“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”主要由控制屏组件、智能仪表控制组件、PLC控制组件等几部分组成。

（一）控制屏组件

（1）SA-01电源控制屏面板

图1-2为电源控制屏示意图。

合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电

压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。

此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。

按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。

（2）SA-11交流变频控制挂件

采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH（R）型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

（3）三相移相SCR调压装置、位式控制接触器

采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角和输入控制电流成正比。

输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

（二）智能仪表控制组件

（1）AI智能调节仪表挂件

采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号；仪表通过RS485串口通信协议和上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

（2）PLC控制组件

本装置采用了S7-200、S7-300PLC两套控制系统。

方案一、S7-200PLC控制系统：

S7-200是一种叠装式结构的小型PLC。

本

实验系统包括一个CPU224主机模块和一个EM235模拟量I/O模块，以及一根

图1-2电源控制屏示意图

PC/PPI连接线。

其中CPU224模块带有14点开关量输入和10点开关量输出，EM235模拟量扩展模块带有4路模拟量输入和1路模拟量输出。

图1-7所示为S7-200PLC控制系统结构图。

图1-7S7-200PLC控制系统框图图1-8S7-300PLC控制系统框图

方案二、S7-300PLC控制系统：

S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU315-2DP主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。

其中SM331

为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。

图1-8所示为S7-300PLC控制系统结构图。

4软件介绍

（一）MCGS组态软件

本装置中智能仪表控制方案、S7-200PLC控制方案均采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系统。

MCGS5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

有关MCGS软件的使用请参考配套的手册及光盘。

（二）MACS系统软件

本装置中DCS控制方案采用了北京和利时公司的MACSⅡ系统。

MACS系统给用户提供了一个通用的系统组态和运行控制平台，使用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个能完成特定要求的使用系统。

系统组态后将产生使用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。

MACS系统具有功能：

数据采集、控制运算、闭环控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事件顺序记录、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算、组态、调试、打印、下装、诊断。

有关MACS系统的使用请参考配套光盘。

（三）西门子S7系列PLC编程软件

本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-200和S7-300PLC，其中西门子S7-200PLC采用的是Step7-MicroWIN32编程软件，而西门子S7-300PLC采用的是Step7编程软件。

利用这两个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。

有关软件使用请参考光盘中相应的内容。

（四）西门子WinCC监控组态软件

S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。

作为一个国际先进的人机界面（HMI）软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。

关于WinCC软件的使用请参考配套光盘中的电子文档。

5实验要求及安全操作规程

（一）实验前的准备

实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法和步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。

实验前应了解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置。

以便于在实验中对它们进行操作和观察。

熟悉实验装置面板图，要求做到：

由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。

熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。

（二）实验安全操作规程

（1）实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。

（2）接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。

完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。

（3）在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。

（4）在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。

（5）小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。