过程控制工程实训 2.docx

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过程控制工程实训2

湖南工程学院

系统综合训练报告

课题名称过程控制系统

专业班级

姓名

学号

指导教师

2007年4月7日

目录

一前言2

二实验系统概述及目的3

三控制系统组成及原理4

1工作原理4

2系统组成5

3控制系统的连线8

四实训内容与调试结果8

1、MCGS组态软件的有关知识8

2、控制方式简介8

3、单容水箱液位进行恒高度控制9

五实训总结11

一前言

过程控制是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表知识等相结合的综合应用学科，是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。

同时，半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。

在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、物位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”系统。

过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且已成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。

随着计算机控制装置在控制仪表基础上的发展，自动化控制手段也越来越丰富。

在自动化控制手段越来越发展的今天,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、FCS现场总线控制系统等在工业领域有着广泛应用。

直接数字控制（DDC）系统是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控制算法（如PID、内回流等）计算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构上，实现对整个生产、实验过程的闭环控制，通常它有几十个控制回路。

集散控制系统是由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成,具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、调试方便、运行安全可靠的特点.

二实验系统概述及目的

THJ-2型高级过程控制实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的优点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，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，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DDC，DCS，PLC，FCS等多种控制系统。

本次工程实训是单容水箱液位的PID调节被控参数的选择由产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用，所以贮槽液位控制系统选择水箱内的液位作为被控参数。

三控制系统组成及原理

1工作原理

如下图1所示为贮槽液位控制系统控制过程中的工艺设备（在这次设计中以水箱来模拟）。

该系统使用水泵给水箱加水，通过对电动调节阀的控制，调节进水量。

阀01控制从水箱的底部小孔的流出的出水量，由上可知这个阀不会变动，之前都调节好了。

通过液位传感器将贮槽里的水位传到控制中心，也就是计算机上，从而形成闭环控制来调节贮槽内的水位。

图1贮槽液位控制系统工艺设备

单回路上水箱液位控制系统。

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。

本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。

根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。

当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，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。

一个控制系统调好好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

图2系统结构框图

由上图可知把给定值经过A/D转换成数值量，输入给PID控制器，计算结果（数字信号）再由ICP-7024输出模块（D/A转换），将数字信号转换成模拟控制信号输出给电动调节阀，从而调节水箱内液位，液位的高度由液位变压器检测出，经ICP-7017输入模块（A/D转换）转换成反馈值给PID控制器进行进一步条整，如此循环直至水箱的液位稳定在给定值。

2系统组成模块

1、扩散硅压力液位变送器

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。

2、远程数据采集热电阻输入模块ICP-7033

8通道模拟量输入模块。

表1为ICP-7033的技术指标。

面板如图3所示，ICP-7033模块24V供电，面板上提供了3通道的输入端口。

每一通道根据功能表可输入允许范围的热电阻。

支持485通讯。

表1ICP-7033的技术指标

将液位变送器的电压信号通过ICP-7033模块转换为数字信号通过RS485接口送入计算机处理。

图3ICP-7033面板

a：

电源开关；b：

RS485接口；c：

ICP-7017模块；d：

4通道的输入接口。

4、远程数据采集模拟量输出模块ICP-7024

4通道模拟量输出模块。

表2为ICP-7024的技术指标。

面板如图4所示，ICP-7024模块24V供电，提供了4通道的输出端口。

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。

图4ICP-7024面板

a：

电源开关；b：

RS485接口；c：

ICP-7014模块；d：

4通道的输出接口。

表2ICP-7024的技术指标

5、三相SCR调压模块

三相SCR调压模块，它是通过4~20mA电流控制信号控制三相交流电源在0~380V之间根据控制电流的大小实现连续变化。

本系统通过计算机中的组态软件MCGS进行PID整定后输出控制信号通过远程数据输出模块加到单相SCR调压装置的输入端，以此来控制电动控制阀的大小。

3控制系统的连线

将三相电源的输出端U、V、W对应接到SCR移相调压器的输入端U、V、W，三相SCR移相调压器的输出端U0、V0、W0接到三相自动调节阀的输入端U0、V0、W0，变频器输出端A、B、C对应接到三相磁力泵（～220V）的A、B、C端。

液位检测传感器的1a、1b、1c端对应接到7033输入模块的第一通道的E1、S1、C1端，7024模块第一输出通道A/O的正端接到24V开关电源的正端，将7024模块第一输出通道A/O的负端接到三相自动调节阀4~20mA输入正端，三相自动调节阀4~20mA输入负端接到24V开关电源的负端。

用通信电缆连接到7033、7024的485通讯接口，再通过485/232转换器连接到计算机的COM2口上.

四实训内容与调试结果

1、MCGS组态软件的有关知识

通过自学和老师的讲解下。

使我们基本上了解了液位控制系统的原理与控制过程，学会了如何使用MCGS组态软件。

MCGS系统分为组态环境和运行环境两个部分。

ICP7000通过RS485转232通讯硬件和组态软件进行设备通讯组态，可采集到ICP7017输入模块送来的（如：

液位、温度、流量）检测信号，在组态软件里编写（液位、温度、流量）PID控制算法，由计算机送出输出控制信号到ICP7024再经由他们送出到执行机构的控制端，即可组成闭环控制。

通过画面组态，动画组态和策略组态等，可以良好的完成计算机动态实时监控对象的运行情况，并做出丰富的动态实时、历史图形曲线。

2、控制方式简介

进入组态软件的界面后，可以看到界面一共有主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略5大块内容，完成这五项，即完成的组态的全过程。

有三种控制包括比例控制，积分控制，和微分控制。

单容水箱是个比较简单的控制系统，我们采用PID控制。

控制一个液位的高度，整个过程为采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。

并选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。

1）比例控制

比例控制简称P控制（Proportional）.比例控制的输出与输入是同步变化的，没有惯性和时间上的延迟。

响应快，与输入成比例的变化，只是比例控制最突出的优点，正是由于这一特点，使比例控制成为一种最重要的基本控制规律。

所有的工业控制器都包含有比例控制比例控制也可以单独构成控制器。

使调节器工作在比例（P）调节器状态，此时系统处开环状态。

实时曲线如下图

图5P调节曲线

2.）比例积分控制

它适用于控制通道滞后比较小，负荷变化不大，控制要求不高，被控参数在一定范围内允许有一定的余差的场合。

3）比例微分控制

它适用于控制通道的时间常数或者滞后较大的场合。

可以提高系统的稳定性。

减小动态偏差。

4）比例积分微分控制

适用于控制通道时间常数或者容量滞后比较大，控制要求比较高的场合。

3、单容水箱液位进行恒高度控制

单容水箱液位进行恒高度控制采用PID调节，在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分（“I”）作用，使被调量回复到原设定值。

减小P，并同时增大I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，系统的余差为零。

在PI控制的基础上加上适量的微分作用“D”，然后再对系统加扰动（扰动幅值与前面的实验相同），比较所得的动态曲线与用PI控制时的不同处。

选择合适的P、I和D，调节后的曲线如图8所示。

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）。

图6PID调节曲线

五实训总结

通过这次实训我学到了很多知识：

比如对于MCGS软件，之前是根本不懂的，经过沈老师的耐心指导，我已经基本能够运用这个软件了，对其基本的编程也有了一些了解。

这次课程设计培养了我的设计思维，扩充了自己的理论知识

这次工程实训我积累了一些经验，同时也进一步巩固了以前所学过的知识。

使我更深入的了解并掌握了单容水箱的控制原理,增强了我在实际操作中的实践能力，使我在以后的工作学习中有更丰富的经验真正让我感受到了理论与实践相结合的重要性与优越性。

并且经过这次课程设计，我真正感受到了实践的重要性，每天学习理论知识，没有很强的实际动手能力是不行的，实践让我们做出了在实际当中占重要地位的控制工程，并学到了书本里没有的知识，让我更加相信只要肯动手，你就一定能行。

当然，我们的收获缺不了指导老师的细心教授，再一次感谢我们的指导老师沈老师给予我们的帮助。

工程实践训练时间虽然很短，但在这周的工程实训中，我学到了许多，它让我受益匪浅，增强了我的理论知识联系实践的能力，同时也增强了我的实际操作和动手能力。

在此，我想对指导老师表示深深的感谢。

电气与信息工程系课程设计评分表

项目

评价

硬件测试或软件调试情况

完成任务情况

独立工作能力

组织纪律性（出勤率）

报告质量

综合评分

指导教师签名：

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日期：

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