过程控制系统与装置综合实训报告.docx
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过程控制系统与装置综合实训报告
关于过程控制系统与装置综合实训总结
1设计任务书
设计题目：
关于过程控制系统与装置综合实训总结
学生姓名
课程名称
过程控制系统综合训练
专业班级
地点
起止时间
设计内容及要求
过程控制系统与装置综合实训内容有4类。
内容及要求如下：
1.用protel绘制实验平台的电气接线图，对每个部分的I/O端子进行标注。
2.对象传递函数测试
（1）单容水箱特性的测试
（2）双容水箱特性的测试
3.复杂控制系统的组成，干扰源的加入，参数整定。
（1）液位-流量的串级控制系统
（2）单闭环流量比值控制系统
（3）下水箱液位的前馈-反馈控制系统
4.典型过程控制系统的投运、关闭操作
（1）间歇反应过程
（2）连续反应过程
（3）热交换过程
进度
要求
12月13日：
讲解任务；
12月14日：
压力单回路控制系统电气连接原理图；
12月15日：
串级控制系统；
12月16日：
前馈控制系统；
12月17日：
比值控制系统；
12月20日：
单容双容水箱特性；
12月21～22日：
热交换、间歇反应和连续反应的化工仿真操作；
12月23日:
化工仿真操作考试
12月24日：
撰写总结报告
指导教师：
2进度表
第一天
用protel绘制实验平台的电气接线图（压力单回路控制系统）
第二天
对象传递函数测试（单容水箱和双容水箱特性）
第三天
液位-流量的串级控制系统
第四天
单闭环流量比值控制系统
第五天
下水箱液位的前馈-反馈控制系统
第六天
间歇反应过程
第七天
连续反应过程
第八天
热交换过程
第九天
心得体会
第十天
完成实验报告
3用protel绘制实验平台的电气接线图
电气图回路包括流量单回路控制系统，温度单回路控制系统，压力单回路控制系统。
输入输出端子包括传感器、控制器、执行器，完成每一个器件端子的连接与标注。
我是属于做压力单回路控制系统的一组，并对所做的内容做如下介绍。
3.1压力单回路控制系统
调节阀压力定值控制系统中的PIC指用于压力的调节器，这个调节器可以使智能仪表，也可以是计算机上的PID调节器，也可以是PLC中的PID调节器。
实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果会更好。
控制系统的接线按下面表格的要求接线。
测量或控制量
测量或控制量标号
使用控制器端口
压力
PT101
AI0
调节阀
FV11
AO0
表3.1控制系统的接线表
注意：
通过计算和测量，压力控制的范围33%-70%的压力变送器量程范围内。
3.2电气原理图
在实验室按照压力单回路控制系统的要求，并按照控制系统的接线来绘制原理图，如下图所示：
图3.1压力单回路控制系统的原理图
由于，在绘制原理图时，在protel绘图软件中并没有电动调节阀和AS3010智能仪表控制系统的图。
所以，我们必须先建立一个库文件，并绘制电动调节阀和AS3010智能仪表控制系统。
然后，再从库文件中调用，下面就是所画的图：
图3.2AS3010智能仪表控制系统
图3.3电动调节阀
4对象传递函数测试
在对象传递函数测试中要求：
掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线；能够根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数；熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线；能够根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。
所用的实验设备有：
1）.TkJ-2型高级过程控制系统实验装置
2）.计算机及相关软件
3）.计算机及相关软件、RS232/485转换器1只、串口线1根
4.1单容水箱特性的测试
4.1.1单容水箱特性测试的原理
图4.1单容水箱特性测试结构图
由图4.1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。
根据物料平衡关系，在平衡状态时
Q1-Q2=0
（1）
动态时，则有
Q1-Q2=
（2）
式中V为水箱的贮水容积，
为水贮存量的变化率，它与H的关系为
，即
=A
（3）
A为水箱的底面积。
把式（3）代入式
（2）得
Q1-Q2=A
（4）
基于Q2=
，RS为阀V2的液阻，则上式可改写为
Q1-
=A
即
ARS
+h=KQ1
或写作
=
（5）
式中T=ARS，它与水箱的底积A和V2的RS有关；K=RS。
式（5）就是单容水箱的传递函数。
若令Q1（S）=
，R0=常数，则式（5）可改为
H（S）=
×
=K
-
对上式取拉氏反变换得
h（t）=KR0（1-e-t/T）（6）
当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入
当t=T时，则有：
h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）
4.1.2实验内容与步骤
1）．本系统有智能仪表、西门子PLC及由研华模块组成的DDC等三套控制装置，我们可选其中一套作为本实验的控制器，其接线方式如表4.1
表4.1
控制器选择
输入
输出
智能仪表
仪表输入端AI0+、AI0-连接中、下水箱液位变送器输出端
仪表的输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
西门子PLC—200
S7-200PLC输入端AI0+、AI0-连接中、下水箱液位变送器输出端
S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
DDC（研华模块）
ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接中、下水箱液位变送器输出端
ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
2）．按图4.1和表4.1接好实验线路，并把阀V1和V2开至某一开度，且使V1的开度大于V2的开度。
接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。
3）．启动电脑打开和所选控制装置配套的软件工程，在实验目录中单击进入“实验一单容水箱特性测试实验”，用鼠标选中输出值（MV）下面的输出框，用键盘输出50%，使水箱的液位处于某一平衡位置。
4）．增加或减小调节器的输出，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图4.4所示。
图4.2单容水箱特性响应曲线
4.1.3单容水箱的阶跃响应曲线
图4.3单容水箱的阶跃响应曲线
4.2双容水箱特性的测试
4.2.1原理说明
图4.4双容水箱对象特性结构图
由图4.4所示，被控对象由两个水箱相串联连接，由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。
被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图4.4所示。
由图4.5可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图4.5（（a）），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图4.5（（b））。
显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。
由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA则表示了对象响应的滞后时间。
至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。
图4.5双容液位阶跃响应曲线
图4.6双容液位阶跃响应曲线
在图4.5所示的阶跃响应曲线上求取：
（1）h2（t）|t=t1=0.4h2（∞）时曲线上的点B和对应的时间t1；
（2）h2（t）|t=t2=0.8h2（∞）时曲线上的点C和对应的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式
0.32〈t1/t2〈0.46
由上述两式中解出T1和T2，于是求得双容（二阶）对象的传递函数为
G（S）=
4.2.2实验内容与步骤
1）本实验可选的控制装置有智能仪表、西门子PLC或由研华模块组成的DDC系统，其接线方式如表4.2
表4.2
控制器选择
输入
输出
智能仪表
仪表输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端
仪表的输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
西门子PLC—200
S7-200PLC输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端
S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
DDC（研华模块）
ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端
ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
2）本实验选择中水箱和下水箱作为控制对象，按图5和表2接好实验线路，打开手动阀（并使它们的开度满足下列关系：
V1的开度>V2的开度>V3的开度），接通总电源和相关仪表的电源。
3）启动电脑打开和所选控制装置配套的软件工程，在实验目录中单击进入“双容水箱特性测试实验”，用鼠标选中输出值（MV）下面的输出框，用键盘输出50%，使水箱的液位处于某一平衡位置。
4）突增/减调节器的输出量，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态。
4.2.3双容水箱的特性曲线
图4.7双容水箱的特性曲线
5复杂控制系统的组成，干扰源的加入，参数整定
复杂控制系统包括的种类很多，这次课程设计主要对以下3个控制系统进行控制：
液位-流量的串级控制系统；单闭环流量比值控制系统；下水箱液位的前馈-反馈控制系统。
5.1液位-流量的串级控制系统
要熟悉液位-流量串级控制系统的结构与组成；掌握液位-流量串级控制系统的投运与参数的整定方法；研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
5.1.1实验原理
图5.1液位-流量串级控制系统的结构图
本实验系统的主控量为下水箱的液位高度H，副控量为电动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。
系统由主、副两个回路所组成。
主回路是一个恒值控制系统，使系统的主控制量H等于给定值；副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的。
不难看出，由于主对象下水箱的时间常数较大于副对象管道的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，在主对象未受到影响前，通过副回路的快速调节作用已消除了扰动的影响。
图5.1为实验系统的结构图，图5.2为该控制系统的方框图。
图5.2液位-流量串级控制系统的方框图
5.1.2实验步骤
1）本实验可选的控制装置有智能仪表、西门子PLC或由研华模块组成的DDC系统，其接线方式如表5.1，智能仪表的相关参数设置见表5.2。
表5.1
控制器
输入
输出
智能仪表
仪表一输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，仪表二输入端AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端
仪表一输出端AO0+、AO0-连接仪表二输入端AI2+、AI2-（外给定）；仪表二输出端AO1+、AO1-连接的电动调节阀的控制信号输入端
西门子PLC—200
S7-200PLC输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，输入端AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端
S7-200PLC输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
DDC（研华模块）
ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端
ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
表5.2
智能仪表一
智能仪表二（外给定）
参数
数值
注释
参数
数值
注释
Ctrl
1
控制方式
Ctrl
1
控制方式
Sn
33
输入规格
Sn
32
输入规格
dIP
1
小数点位置
dIP
3
小数点位置
dIL
0
输入下限
dIL
0.000
输入下限
dIH
100
输入上限
dIH
3.000
输入上限
oP1
4
输出方式
oP1
4
输出方式
oPL
0
输出下限
oPL
0
输出下限
oPH
100
输出上限
oPH
100
输出上限
CF
0
系统功能选择
CF
10
系统功能选择
Addr
0
通讯地址
Addr
1
通讯地址
bAud
9600
波特率
bAud
9600
波特率
2）接通总电源和相关仪表的电源。
按图8和表3完成实验系统的接线，接通总电源和相关仪表的电源。
3）打开阀QV-102、QV-105、和QV-116（下水箱出水口闸板），且使QV-116某一合适的开度。
4）启动动计算机,运行相关的软件,在实验目录中选择“实验十五液位与调节阀支路流量串级控制实验”，按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
5）调节主调节器的比例度，使系统的输出响应呈4：
1的衰减度，记下此时的
6）比例度δS和周期TS。
按查表所得的PI参数对主调节器的参数进行整定。
7）设定给定值，先手动输出（副回路），等下水箱的液位趋于给定值，切换为自动。
8）当系统稳定运行后，设定值加一合适的阶跃扰动，观察并记录系统的输出响应曲线。
9）启动变频器支路水泵，适量打开阀QV-106，观察并记录阶跃扰动作用于主对象（下水箱）时，系统被控制量的响应过程。
10）关闭阀QV-106，待系统稳定后，适量打开电动阀两端的旁路阀QV-103，观察并记录阶跃扰动作用于副对象时系统被控制量的影响。
11）通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。
用计算机记录此时系统的动态响应曲线。
5.1.3串级控制系统的响应曲线
图5.3串级控制系统的响应曲线
5.2单闭环流量比值控制系统
了解单闭环比值控制系统的原理与结构组成；掌握比值系数的计算；掌握比值控制系统的参数整定与投运。
5.2.1实验原理
在工业生产过程中,往往需要几种物料以一定的比例混合参加化学反应。
如果比例失调，则会导致产品质量的降低、原料的浪费，严重时还发生事故。
例如在造纸工业生产过程中，为了保证纸浆的浓度，必须自动地控制纸浆量和水量按一定的比例混合。
这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。
本实验是流量比值控制系统。
其实验系统结构图如图10所示。
该系统中有两条支路，一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q1，它是一个主动量；另一路是来自于电动阀支路的流量Q2，它是系统的从动量。
要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。
图5.4单闭环流量比值控制系统方框图
图5.4为单闭环流量比值控制系统的方框图。
由图可知，主控流量Q1经流量变送器后为I1（实际中已转化为电压值,若用电压值除以250Ω则为电流值,其它算法一样），如设比值器的比值为K，则流量单闭环系统的给定量为KI1。
如果系统采用PI调节器，则在稳态时，从动流量Q2经变送器的输出为I2，不难看出，KI1=I2。
5.2.2系统结构框图
图5.5单闭环流量比值控制系统结构图
5.2.3实验内容与步骤
1）本实验可选的控制装置有智能仪表和研华模块组成的DDC系统其接线方式如表5，智能仪表的相关参数设置见表5.3。
2）按图5.5和表5.3完成实验系统的接线，打开阀QV-102、QV-105和QV-115、QV-106、QV-116（下水箱出水口闸板开度要适当大些），经确认所有连接线无误后，接通总电源和相关仪表的电源。
3）启动动计算机,运行相关的软件,在实验目录中选择“流量比值控制系统实验”。
表5.3
控制器
输入
输出
智能仪表
仪表一输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，仪表二输入端AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端
仪表一输出端AO0+、AO0-连接仪表二输入端AI2+、AI2-（外给定）；仪表二输出端AO1+、AO1-连接的电动调节阀的控制信号输入端
DDC（研华模块）
ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端
ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
表5.4
智能仪表一
智能仪表二
参数
数值
注释
参数
数值
注释
Ctrl
1
控制方式
Ctrl
1
控制方式
Sn
33
输入规格
Sn
33
输入规格
dIP
3
小数点位置
dIP
3
小数点位置
dIL
0.000
输入下限
dIL
0.000
输入下限
dIH
3.000
输入上限
dIH
3.000
输入上限
oP1
4
输出方式
oP1
4
输出方式
oPL
0
输出下限
oPL
0
输出下限
oPH
100
输出上限
oPH
100
输出上限
CF
0
系统功能选择
CF
10
系统功能选择
Addr
0
通讯地址
Addr
1
通讯地址
bAud
9600
波特率
bAud
9600
波特率
4）控制回路一（变频器支路）设为手动输出，并设定在某一数值，以控制变频器支路的流量Q1。
5）控制回路二（电动阀支路）参数整定（按单回路的整定方法进行），实验时先将控制回路设置为手动，待系统接近于给定值时再把手动切换为自动运行。
6）等系统的从动流量Q2趋于不变时（系统进入稳态），适量改变主动流量Q1的大小，然后观察并记录从动流量Q2的变化过程。
7）改变比值器的比例系数K′，观察从动流量Q2的变化，并记录相应的动态曲线。
5.2.4比值控制系统的响应曲线
图5.6比值（0.5）控制系统的响应曲线
图5.7比值（0.7）控制系统的响应曲线
5.3下水箱液位的前馈-反馈控制系统
通过实验了解前馈－反馈控制系统的原理和结构；掌握前馈补偿器的设计方法；掌握前馈－反馈控制系统参数的整定与投运。
5.3.1前馈控制的特点：
1）前馈控制是一种开环控制，因而不影响系统的动态性能。
2）前馈控制是按扰动进行补偿的
3）前馈控制只适用于可测不可控的扰动。
4）用前馈补偿系统中的主要扰动，式
（1）所示的条件只能近似地满足，一般只用比例环节或一阶（微分或惯性）环节。
5.3.2实验步骤
1）本实验只能选择研华模块组成的DDC系统其接线方式如表6-1。
2）按图12和表7完成实验系统的接线，打开阀QV-102、QV-105、QV-116（下水箱出水口闸板开度要适当大些）和QV-115、QV-106、XV-101（电磁阀，用时要在控制柜提供24V电源）经确认所有连接线无误后，接通总电源和相关仪表的电源。
表5.5
控制器
输入
输出
DDC（研华模块）
ADAM模块输入端AI0+、AI0-连接下水箱液位变送器输出端，AI1+、AI1-连接中水箱液位变送器输出端
ADAM模块输出端AO0+、AO0-连接电动调节阀的控制信号输入端
3）启动动计算机,运行相关的软件,在实验目录中选择“下水箱液位和变频器流量的前馈反馈控制系统实验”。
4）在不加扰动时，先用手动使系统的输出量液位接近于稳态值，然后投入自动运行。
按单回路参数的整定方法整定PI调节器的参数。
5）加一适量扰动（变频器支路定值打水），观察并记录被控制量H的变化过程。
6）引入前馈补偿器后，按以下方法整定前馈系数。
5.3.3下水箱液位前馈-反馈控制系统响应曲线
图5.8未加干扰的前馈-反馈控制系统的响应曲线
图5.9加干扰（15Hz）的前馈-反馈控制系统的响应曲线
图5.10加干扰（20Hz）的前馈-反馈控制系统的响应曲线
6心得体会（典型过程控制系统的投运、关闭操作）
典型过程控制系统的投运、关闭操作是过程控制系统中一个非常重要的环节。
通过对模拟化工仿真软件的操作，把过程控制系统的理论知识与实际应用联系到一起。
在此过程中，对过程控制系统有更深的认识和了解。
这次实验共经历了三个重要的阶段：
第一阶段是，间歇反应过程（BAT）；第二阶段是，连续反应阶段（JBX）；第三阶段是，热交换过程（HEX）。
虽然每个控制系统所要求的参数、指标不同，但是起所要用的本质理论都是过程控制理论。
所以，有一个扎实的过程控制理论基础是很重要的。
第一阶段：
间歇反应过程
间歇反应过程在精细化工、制药、催化剂制备、染料中间体等行业具有广泛的应用。
其主要的特点是：
1.反应中物料特性差异大，多硫化钠需要通过反应制备；
2.反应属放热过程，由于二硫化碳的饱和蒸汽压随温度上升而迅猛上升，冷却操作不当会发生剧烈爆炸；
3.反应过程中有主副反应的竞争，必须设法抑制副反应，然而主反应的活化能较高，又期望较高的反应温度。
本间歇反应岗位包括了备料工序和缩合工序。
基本原料为四种：
硫化钠（Na2S）、硫磺（S）、邻硝基氯苯（C6H4ClNO2）及二硫化碳（CS2）。
备料工序包括多硫化钠制备与沉淀，二硫化碳计量，邻氯苯计量。
这次模拟操作中，该反应主要包括：
多硫化钠制备反应、硫化碳计量、邻硝基氯苯计量、缩合反应。
其操作主要分为以下几点：
1.准备工作；
2.备料（多硫化钠制备、邻硝基氯苯计量备料、二硫化碳计量备料）；
3.向缩合反应釜加入三种物料，并对缩合反应进行操作、控制；
4.反应保温阶段；
5.出料及清洗反应器。
在反应过程中，所产生的生成物很多都是易燃易爆的危险物质，在模拟阶段对温度的控制尤为重要。
对此，我想说的是，态度决定一切，一定要有耐心，否则事倍功半。
第二阶段：
连续反应阶段
连续带搅拌的釜式反应器（CSTR）是化工过程中常见的单元操作。
丙烯聚合过程是典型的连续反应。
聚合反应是在己烷溶剂中进行的，故称溶剂淤浆法聚合。
该反应的工艺流程简介如下所述：
新鲜丙烯进料经阀门V1进入储罐D-207。
后续工段回收的循环丙烯经阀门V2进入储罐D-207。
再经泵P-201打入釜D-201。
己烷经过阀门V6和V7分别进入釜D-201和D-202。
首釜由阀门V8与V9分别加入催化剂A和活化剂B。
汽相丙烯经阀门V10进入釜D-202作为补充进料。
少量的氢气通过调节阀进入两釜，分别用于控制聚丙烯熔融指数。
熔融指数表征了聚丙烯的分子量分布。
首釜的控制点有：
LIC-03浆液液位调节器（反作用），调节阀位于釜底出料管线上。
TIC-03气体循环冷却器E-201出口温度调节器（反作用），调节阀位于冷却水出口管线上。
TIC-04釜温调节器（反作用），调节阀位于夹套冷却水入口管线上。
AIC-01聚丙烯熔融指数调节器（正作用），调节阀位于釜顶氢气入口管线上。
第二釜的控制点有：
LIC-04浆液液位调节器（反作用），调节阀位于釜底出料管线上。
TIC-06釜温调节器（反作用），调节阀位于冷却器E-202冷却水出口管线上，通过冷却循环浆液控制釜温。
AIC-02聚丙烯熔融指数调节器（正作用），调节阀位于釜顶氢气入口管线上。
储罐D-207的控制点有：
LIC-02液位调节器（反作用），调节阀位于泵P-201出口管线上。
第三阶段：
热交换过程
热交换过程中的热交换器为双程列管式结构，起冷却作用，管程走冷却水（冷流）。
含量30％的磷酸钾溶液走壳程（热流）。
该反应的工艺要求是：
流量为18441kg/h的冷却水，从20℃上升到
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