控制仪表课程设计 除氧器水位单回路控制系统设计上课讲义.docx
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控制仪表课程设计除氧器水位单回路控制系统设计上课讲义
控制仪表课程设计除氧器水位单回路控制系统设计
课程设计报告
（2016--2017年度第二学期）
名称：
控制装置及仪表课程设计
题目：
除氧器水位单回路控制系统设计
院系：
科技学院
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
一周
成绩：
日期：
年月日
《控制装置与仪表》课程设计
任务书
一、目的与要求
认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。
1．了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。
2．掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。
3．初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。
二、主要内容
1．按选题的控制要求，进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA图表示出来。
2．组态设计
2．1KMM组态设计
以KMM单回路调节器为实现仪表并画出KMM仪表的组态图，由组态图填写KMM的各组态数据表。
2．2组态实现
在程序写入器输入数据，将输入程序写入EPROM芯片中。
3．控制对象模拟及过程信号的采集
根据控制对象特性，以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路，模拟控制对象的特性。
将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，以便进行观察和记录。
4．系统调试
设计要求进行动态调试。
动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。
由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。
动态调试一般包括以下内容：
1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；
2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；
3）对控制回路进行在线整定；
4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，要重新组态下装。
三、进度计划
序号
设计（实验）内容
时间
备注
1
阅读理解课程设计指导书的要求，根据选题设计内容，小组讨论控制方案，进行SAMA图设计。
确定小组负责人及每人的具体分工。
D1
分组；确定小组负责人及每人的分工，列出名单；讨论控制方案。
2
根据KMM调节器组态要求，设计KMM组态图，填写KMM组态数据表。
D2
列出KMM组态数据表。
3
利用程序写入器输入组态数据，写入EPROM芯片。
D3
上实验室。
4
进行系统接线和调试
D4～D5
上实验室。
5
上机答辩考核
检验设计结果。
6
撰写课程设计报告
确定设计成绩（其中实验前准备工作占20%，实验考核内容占60%，设计报告占20%）。
设计内容分工参考：
小组每人均参与控制方案的设计，了解方案的KMM仪表实现方法、实验系统组成、系统调试和数据记录的过程。
在此基础上小组成员可作如下具体分工：
预习KMM程序写入器使用并具体进行EPROM芯片的制作（2人）；设计实验接线原理图，进行实验接线并熟悉掌握KMM面板功能及数据设定器使用（1-2人）；确定记录信号并利用工业控制信号转换设备进行记录信号的组态和实验曲线的打印工作（1人）。
四、设计（实验）成果要求
1．完成系统SAMA图和KMM组态图，附出控制系统的调试曲线和控制参数。
2．对系统设计过程进行总结，完成并打印设计报告。
五、考核方式
1．每人学习、理解设计书内容，小组讨论设计题目，确定个人分工。
完成控制对象模拟的电路设计图；控制策略设计方案、组态图、列写出KMM数据表；需记录的曲线及接线图。
在上实验室前，每人手写出自己的工作内容。
（20分）
2．实验室部分：
按设计内容进行程序写入、模拟控制对象的运放回路接线、记录曲线接线及组态。
控制回路调试、PI参数整定、动态曲线记录打印；设计结果现场答辩。
（60分）
3．撰写设计报告。
根据分工内容允许有侧重。
要求格式规范，内容详实，有原创性。
（20分）
六、选题参考
0天燃气压力控制系统（设计书中实例）
（控制系统特点：
单回路控制方案；有自平衡能力正的被控对象）
1除氧器水位单回路控制系统设计
（提示：
单回路控制方案；无自平衡能力正的被控对象）
2炉膛压力系统死区控制系统设计
（提示：
单回路PID死区控制方案；有自平衡能力负的被控对象）
3过热汽温串级控制系统设计
（提示：
串级控制方案；主、付对象均为有自平衡能力负的被控对象）
4锅炉给水三冲量控制系统设计
（提示：
串级三冲量控制方案；被控对象为无自平衡能力正的被控对象）
5风煤比值控制系统设计
（提示：
比值控制方案；被控对象设为有自平衡能力正的被控对象）
6主汽压力前馈控制系统设计
（提示：
单回路前馈控制方案；被控对象为有自平衡能力正的被控对象）
学生姓名：
指导教师：
年月日
除氧器水位单回路控制系统设计
一、课程设计（综合实验）的目的与要求
1．认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。
2．了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。
3．掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。
4．初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。
二、设计（实验）正文
1.由控制要求画出控制流程图。
对如上图所示的除氧器水位单回路控制系统，要求对除氧器进行单变量定值控制。
除氧器水位经水位变送器测量后，由KMM模入通道送至调节器中。
调节器输出AO1经A/D转换通道控制调节阀，控制除氧器内水位。
控制要求：
当调节器的给定值SP和测量值PV之偏差超过给定的监视值（15%）时，调节器自动切换至手动（M）方式。
在偏差允许的范围内（15%），允许切入自动（A）方式。
2.确定对可编程序调节器的要求。
控制系统要求一路模拟量输入（模入）通道输入压力信号，一路模拟量输出（模出）通道输出控制信号控制压力调节阀。
而KMM具有5路模入通道、3路模出通道（其中第一路模出通道AO1可另外同时输出一路4～20mA电流信号），可满足本系统控制要求。
3.设计控制原理图（SAMA图）。
根据控制对象的特性和控制要求，进行常规的控制系统设计。
SAMA图如下：
4.绘制KMM组态图并填写KMM控制数据表
KMM组态图：
表格数据：
KMM组态通过填入以下数据表格实现。
基本数据表
（F001-01-□□-）
项目
代码设定范围
代码
数据
省缺值
PROM管理编号
指定的四位数
01
随意
0
运算操作周期（100ms）
1、2、3、4、5
02
2
2
调节器类型
0、1、2、3
03
0
0
PV报警显示PID编号
1、2
04
1
1
调节器编号
1～50
05
1
上位计算机控制系统
0、1、2
06
0
0
上位机故障时切换状态
0、1
07
0
0
PROM管理编号：
作芯片记号，指定一个四位数。
调节器类型：
0－1PID（A/M）1；1－PID（C/A/M）；2－2PID（A/M）；3－2PID（C/A/M）。
上位计算机控制系统：
0－无通信；1－有通信（无上位机）；2－有通信（有上位机）。
上位机故障时切换状态：
0－MAN方式；1－AUTO方式。
输入处理数据表
（F002-□□-□□-）
项目
代码设定范围
代码
模拟输入数据
缺省值
01
02
03
04
05
输入使用
0、1
01
1
0
按工程显示小数点位置
0、1、2、3
02
2
1
工程测量单位的下限值
-9999～9999
03
0.00
0.0
工程测量单位的上限值
-9999～9999
04
100.00
100.0
折线编号
0、1、2、3
05
0
温度补偿输入编号
0、1、2、3、4、5
06
0
温度单位
0、1
07
0
设定（目标）温度
-9999～9999
08
0
压力补偿输入编号
0、1、2、3、4、5
09
0
压力单位
0、1
10
0
设定（目标）压力
-9999～9999
11
0
开平方处理
0、1
12
0
开方小信号切除
0.0～100.0（%）
13
0
数字滤波常数
0.0～999.9s
14
0.0
传感器故障诊断
0、1
15
0
1
输入使用：
0－不用；1－用。
按工程显示小数点位置：
0－无小数；1－1位小数；2－2位小数；3－三位小数。
开平方处理：
0－直线；0－开平方处理。
开方小信号切除：
给AI1～AI5设定的开方信号切除值。
传感器故障诊断：
0－无诊断；1－诊断。
PID数据表
（F003-□□-□□-）
项目
代码设定范围
代码
PID数据
缺省值
01
02
PID操作类型
0、1
01
0
0
PV输入编号
1～5
02
1
1
PV跟踪
0、1
03
0
0
报警滞后
0.0～100.0（%）
04
0
1.0
比例带
0.0～799.9（%）
05
100.0
100.0
积分时间
0.0～99.9min
06
1.5
1.0
微分时间
0.0～99.9min
07
0.00
积分下限
-200.0～200.0（%）
08
0.0
积分上限
-200.0～200.0（%）
09
100.0
比率
-699.9～799.9（%）
10
100.0
偏置
-699.9～799.9（%）
11
0.0
死区
0.0～100.0（%）
12
0.0
输出偏差率限制
0.0～100.0（%）
13
100.0
偏差报警
0.0～100.0（%）
14
10.0
报警下限
-6.9～106.9（%）
15
0.0
报警上限
-6.9～106.9（%）
16
100.0
PID操作类型：
0－常规PID；1－微分先行PID。
PV跟踪：
定值跟踪功能，0－无；1－有。
可变变量表
（F005-□□-□□-）
01（百分型）02（时间型）
代码
数据
代码
数据
01
0.0
01
02
100.0
02
03
10.0
03
04
0.0
04
～
05
20
百分型数据：
缺省值为0.0；给定范围为：
-699.0～799.9%。
时间型数据：
缺省值为0.00min；给定范围为：
0.00～99.99min。
输出处理数据表
规定模拟输出信号和数字输出信号从哪个模块引出。
（F006-□□-□□-）
输出
输出端
代码
连接的内部信号名称
信号名
代码
01
（模拟输出）
AO1
01
U4
U0004
AO2
02
SP1
P0001
AO3
03
02
（数字输出）
DO1
01
DO2
02
DO3
03
运算模块数据表
用来规定模块的类型及模块相互之间的连接。
（F1□□-□□-）
运算模
块编号
运算式
H1输入信号
H2输入信号
P1输入信号
P2输入信号
名称
编号
信号名称
代码
信号名称
代码
信号名称
代码
信号名称
代码
1
PID1
20
SP1
P0001
AI2
P0402
U4
U0004
OFF
P0502
2
LLM
11
U1
U0001
PPAR1
P0101
3
HLM
13
U2
U0002
PPAR2
P0102
4
MAN
19
U3
U0003
5
DMS
16
SP1
P0001
AI2
P0402
PPAR3
P0103
PPAR4
P0104
6
NOT
30
U5
U0005
7
OR
28
MSW
P1001
U5
U0005
8
AND
27
ASW
P1002
U6
U0006
9
MOD
45
OFF
P0502
U7
U0007
U8
U0008
OFF
P0502
10
～
30
5.掌握KMM程序写入器的使用方法并用程序写入器将数据写入EPROM中。
程序写入器具有制作可编程调节器的用户PROM所需要的全部功能，还能够打印出程序的内容并具有程序写入器本身的自诊断功能。
根据数据表中所填写的代码和数据用KMM程序写入器进行编程。
程序写入器的具体使用方法参见附录中说明。
按表格次序逐项输入数据。
程序输入并检查修改完毕后，按“WRIT”、“ENT”键，将程序写入EPROM中。
写入程序后的EPROM移插到KMM调节器的用户EPROM中，即可进行整机和系统调试工作。
6.按控制系统模拟线路原理图接线。
由运算放大器构成的反馈网络模拟控制对象特性，构成控制系统的模拟控制回路。
系统原理接线图如下图所示：
模拟的控制对象采用由两个线性运算放大器构成的一阶滞后反馈环节串连构成，以加大对象的滞后时间。
控制回路中测量值和设定值信号分别送入工业控制信号转换器中的A/D模拟量输入通道中进行显示和记录。
运算放大器构成的是一阶滞后特性的反馈回路。
运放的反馈网络是电阻和电容的并联，等效阻抗
，输入网络的等效阻抗
，这个放大器构成的闭环特性传递函数
，设定
，则
。
因此，这是一个滞后时间
的一阶滞后环节。
设计实验中选取
，
，计算得这个滞后环节的滞后时间
。
因滞后时间较小，设计中将这样的两个环节串连而成。
7.进行控制参数调整，对控制系统各项功能进行模拟测试并记录定值扰动控制曲线。
（1）上电准备。
（2）通电。
使调节器通电，初上电，调节器先处于“联锁手动”方式。
（3）运行数据的确认。
用“数据设定器”来确认，对于运行所必需的控制数据、可变参数等是否被设定在规定值。
必要时可进行数据的设定变更
（4）按控制面板上的R（Reset，复位）按钮，解除“联锁方式”后，调节器可进行输出操作、方式切换等正常的运行操作。
（5）组态工业控制信号转换设备的显示画面，以便记录调试曲线。
（6）通过“数据设定器”进行PI参数的调整，使控制品质达到控制要求（衰减率为75%-90%）。
记录定值扰动10%时的动态过程曲线。
（7）打印过程曲线
图3 除氧器综合剖面图
1—加热器来水进口;2—至凝结器排气口;3—喷口;
4—汽源管;5—耙管
设计实验报告
姓名：
专业、班级：
EPROM编号
学号：
同组人
设计名称
除氧器水位单回路控制系统设计
1设计功能说明
除氧器水箱的汽侧和水侧都有平衡管相连，其中的水平衡管保持除氧器的水位稳定，此外除氧器设置水位调节器，通过改变给水量来调节水箱水位，保证除氧器正常工作，此次课程设计的系统目的在于在水箱水位改变时，通过KMM调节器调节给水从而维持除氧器水位在正常水平。
控制要求：
当调节器的给定值SP和测量值PV之偏差超过给定的监视值（15%）时，调节器自动切换至手动（M）方式。
在偏差允许的范围内（15%），允许切入自动（A）方式。
2PI参数
δ=67
TI=2.50min
3记录曲线
见打印图纸
4曲线分析
衰减率反应了系统的稳定性，超调量反应了动态准确性，稳态误差反应了静态准确性；
比例带不变，减小积分时间，衰减率减小稳定性变差，超调量增加，稳态误差为零；
积分时间不变，比例带下降，衰减率减小稳定性变差，超调量增加，稳态误差减小；
衰减率:
90%
超调量：
20%
稳态误差:
0.005满足控制品质要求
指导教师
设计日期
三、课程设计（综合实验）总结或结论
本周的控制装置及仪表的课程设计给我留下的印象非常深刻，虽然课表上安排的时间是一周，但是我们只有一上午的时间做实验。
时间如此紧迫让我找到了备战考试的感觉，正因为如此所以学习效率较高，做好了事先的准备工作，比较顺利的完成了实验。
在这个过程中我巩固了之前学习的理论知识，接触到了新的实验方法，锻炼了动手能力，让我受益匪浅。
我们小组选择的题目是除氧器水位单回路控制系统设计,通过设计又复习了一下过程控制方案用SAMA图表示原理图的方法，进一步掌握了数字调节器KMM的组态方法，组态图的绘制，各个组态元件模块的功能。
熟悉了KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法，以及如何将程序烧制到EPROM。
另外，对于除氧器水位调节控制有了一个比较系统的了解。
再次熟悉了CAE2000系统的操作。
在本次课程设计中，我主要负责的任务是联线和检查，A和B同学负责KMM程序写入以及参数调整。
所有数据表我们已经提前填写好了，核对之后确认没有问题。
连线部分借助滑动变阻器调整为-3V电压时出了一些问题，询问了老师之后解决了。
连线还是一个比较轻松的部分。
接下来的输入程序和写芯片的过程在老师的指导下也进行的比较顺利。
在后来的参数调节过程中，因为比例带的初值设置的太大导致反应过慢，后来在老师的帮助下最终做好了整定。
本次实验让我体会到了团队合作的力量，在PID参数调节过程中，又复习了参数对系统性能的影响。
总而言之，本次课程设计对于我来说还是相当有收获的。
通过本次课程设计，有一点给我的感触很深，我们已经拥有了一定的学习能力，但在遇到问题之后解决问题的能力非常欠缺。
一方面是我们对知识掌握的不够灵活透彻，另一方面动手能力也不是很好，所以才会遇到问题就询问老师。
经过这次的课程设计后，锻炼了动手能力，夯实了基础，所以在以后的实验或是工作中，我一定要灵活运用所学到的知识，做到耐心细致并且要保持一贯严谨认真的态度。
在遇到困难时，要积极思考，寻找原因，自己解决问题。
最后，感谢老师的耐心指导和帮助。
四、参考文献
[1]王秀霞韦根源主编《控制仪表与装置试验及课程设计指导书》
华北电力大学2006年4月
[2]吴勤勤主编《控制仪表及装置》.化学工业出版社第三版
[3]金以慧主编方崇智审校《过程控制》清华大学第一版1993年4月
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