A3000过程控制实验指导书实验用.docx

1、A3000过程控制实验指导书实验用A3000过程控制实验系统实验指导书V3.0北京华晟高科教学仪器有限公司编制第一章 安全注意事项与设备使用安全注意事项：在安装、操作、维护或检查本系统之前一定仔细阅读以下安全注意事项。在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注童事项以后使用。在本使用说明书中，将安全注意事项等级分为“危险”和“注意”。！危险：不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。！注意：不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。注意：根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能造成严重后果。请遵循两个等级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。1.1防止

2、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，包括现场对象系统，控制系统，接地电阻不大于4欧姆。当通电或正在运行时，请不要进行任何维护、维修操作，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板，否则会发生触电的危险。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

3、后，用万用表等检测剩余电压后进行。1.2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，提高产品寿命。1.3防止损坏！危险在水泵运行状态，绝对禁止进行水泵切换控制操作，否则可能损坏变频器。！危险在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，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。否则系统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、损坏等等。确认电缆与正确的端子相连接，

4、否则，可能会发生爆裂、损坏等等事故。始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。1.4现场系统组成A3000现场系统（A3000-FS和A3000-FBS）包括三水箱，一个锅炉，一个强制换热器，两个水泵，两个流量计，一个电动调节阀。其他还包括加热管，大水箱。图见1-4-1。1.5控制系统组成A3000控制系统（A3000-CS）包括了传感器执行器I/O连接板、三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。整个部分设计在一个工业机柜中，开放性极强。一个前门，保证了设备防尘、散热等需要。内部结构设计合理，布线完全按照工业要求，整齐、可靠。系统结构如图所示。左边是机柜布置简图，右边是各个控制系统的

5、半模拟屏简图。A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及调压器）、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。1、A3000特点（1）现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实验功能。从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。（2）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

6、，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。（3）现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。（4）现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更安全、具有更大的扩展性。A3000-FS系统结构原理图如图2-1-1所示。图2-1-1 A3000现场系统结构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、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。 2、现场系统

7、面板左侧设置： 电源：220V AC单相电源开关，380V AC三相电源开关。 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，从而更改革个水泵的电力来源。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，因为变频器可能输出0-50Hz，而继电器不能工作。 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

8、，我们一般不连接机柜上的这个开关。 电压表：显示加在调压器上的电压值。 变频器：对于A3000FBS系统，则具有Profibus DP控制端子。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。当两个水泵、两个电磁阀开启时，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。3、支路分析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，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。（1）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

9、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JV304、JV106、XV101，关闭其它阀门（注意JV104），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

10、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)支路2分析支路2包括右边的水泵，2# 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

11、节阀，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（各装一个压力变送器），可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、换热器温度串级实验，以及换热器解藕控制实验。水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。组态王组态软件，除了从程序组中可以打开组态王程序，安装完组态王中后，在系统桌面上也会生成组态王工程管理器的快捷方式，名称为“组态王6.5”。STEP 7是用于SIMATIC S7-200, S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。它可以运行在Windows 98、Windows 2000、 Wi

12、ndows Me、Windows XP操作系统上。我们所采用的通讯方式为PC/PPI编程电缆，用于S7-200编程口RS-485与PC机RS-232端口的连接。编程语言可以使用梯形图（Ladder Diagram）、功能块图（Function Block Diagram）、语句表（Statement List，也称指令表）。温度、压力、液位和流量1、Pt100热电阻由于我们的系统被测介质不会超过100度，所以一般采用Pt100热电阻，以便获得比较高的精度。当然也可能使用热电偶，以便让学生学会更多的温度测量方案。Pt100使用两线制或三线制接法，采用三线制接法是为了减少测量误差。因为在多数测量中

13、，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化，为了消除连接导线阻值的变化而产生的测量误差，就采用了三线制接法。即在两端元件的两端分别引出两条导线，这两条导线（材料相同、长度、粗细相等）又分别加在电桥相邻的两个桥臂上，如图所示。Pt100电阻在零度时为100欧姆，温度每升高一度，电阻增加大约0.4欧姆，但是不是非常线性的。使用万用表就可以测量温度。温度变送器为两线制，24V直流电驱动。如图3-1-1所示图3-1-1 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0100，采用导线补偿，即将A、C短接。输出信号为420mA电

14、流信号。温度变送器零点、量程调节方式：将Pt100热电阻换成100标准电阻，调整零点调节螺钉，当测量仪表显示4.00mA时，零点已调好。将Pt100热电阻换成125标准电阻，调整量程调节螺钉，当测量仪表显示14.1714.18mA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。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、液位压力传感器液位压力传感器是两线制接法，输出信号为420mA电流信号。如图2-2-2所示：图2-2-2 压力传感器接线原理图端口ab之间接负载（250500）。检验压力传感器信号时，在ab之间串一

15、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3.854.00mA，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3.84.0mA（百特仪表量程范围设为420mA）。如果误差比较大，则可以在控制系统中进行校正。例如如果测量值低于4毫安，则直接显示0。然后测量值上加上一定高度，从而获得比较准确的液位高度。一般过程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，

16、而电流范围10-15.5mA之间。3、涡轮流量计涡轮流量计有两种，一种是直接脉冲输出，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输出。脉冲输出型涡轮流量计采用三线制接法，如图2-2-3：图2-2-3 涡轮流量计接线原理图涡轮流量计输出脉冲信号，具有一个流量系数（例如LWGY-15型号为760780立方米/小时，LWGY-10型号为15501570Hz/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

17、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2-2-4接法：图2-2-4 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。该型号测量小流量（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%。4、电磁流量计电磁流量计采用四线制接法，如图2-2-5所示：图2-2-5 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

18、流量计信号输入百特仪表（量程设为03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%。5 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。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2-2-7所示：

19、图2-2-6 MICROMASTER 420 变频器的连接端子图2-2-7 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

20、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输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点

21、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。变频器运行过程中，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. 输出电流（A）3. 输出频率（Hz）4. 输出电压（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

22、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 0 准备运行 1 快速调试 30 工厂的缺省设置值P0700 选择接通 / 断开 / 反转（on / off / reverse）命令源 0 工厂设置值 1 基本操作面板（BOP） 2 模入端子 / 数字输入 6 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 0 无频率设定值

23、1 用 BOP 控制频率的升降 2 模拟设定值 6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 2 变频器 4 PI比例积分控制器 10设定值通道和斜坡函数发生器 20 通讯 22 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

24、模式有三种： BOP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。 4-20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。 Profibus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

25、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（0 Hz）、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3050之间，可听到继电器动作。若将水泵插

26、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，0-0Hz 16385-50.00Hz,可以提供如下转换公式:AV:=REAL_TO_WORD(16385*IN/50);IN是目标频率，AV为要输出的数值。5 水泵水泵额定扬程6-10米，额定流量1-2立方/小时。注意，对于包括涡轮流量计的通道，如果要测量其流量，则出水阀门不要全打开，关闭一部分，使得流量少于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

27、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%。6 电动调节阀电动调节阀采用四线制接线，电源为220V AC，其信号线分为输入控制信号和阀位输出信号（420mA）。接通220V AC电源后，打开保护盖，可以看见指示灯亮起，用百特仪表手动输出20mA（量程设置为420mA）到控制端，齿轮开始旋转，同时调节阀的轴向上移动

28、到最大行程。若施加一个电流信号，调节阀不动作，可以测量信号线两端电阻值，大小为250。反之，没有电阻值，表示信号线已断开。用百特仪表检验时，将调节阀的输出信号接到百特仪表，测量其电压值，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。实验1 单容水箱液位定值控制实验一、实验目的1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。3、定性地研究P、PI和PID

29、调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备A3000现场系统，任何一个控制系统，万用表三、实验原理1、控制系统结构单容水箱液位定值(随动)控制实验，定性分析P, PI，PD控制器特性。控制逻辑如图5-2-1所示：水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。使用P,PI , PID控制，看控制效果，进行比较。控制策略使用PI、PD、PID调节。 实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。2、控制系统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用PLC端口使用ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0调节阀FV101AO0AO03、参考结果下

30、闸板顶到铁槽顶距离(开度)5-6mm。比例控制器控制曲线如图所示。多个P值的控制曲线绘制在同一个图5-2-2上：图5-2-2 比例控制器控制曲线从图可见P=16时，有振荡趋势，P=24比较好。残差大约是8%。PI控制器控制曲线如图5-2-3所示。选择P=24，然后把I从1800逐步减少。图 5-2-3 PI控制器控制曲线如图5-2-3所示，在这里I的大小对控制速度影响已经不大。从I=5时出现振荡，并且难以稳定了。I的选择很大，8-100都具有比较好的控制特性，这里从临界条件，选择I=8到20之间。PID控制器控制曲线如图5-2-4所示：图5-2-4 PID控制器控制曲线P=24,I=20,D=

31、2或4都具有比较好的效果。从控制量来看，P=24,I=8,D=2比较好。ADAM4000模块控制的结果如图5-2-5所示。图5-2-5 ADAM4000模块控制效果从图可见，P=4，I=8000，D=2000控制效果是最好的。四、实验要求1、使用比例控制进行单溶液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。2、使用比例积分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。3、使用比例积分微分控制进行流量控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。五、实验内容与步骤1、系统连接（1）在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。（2）在A3000-CS上，将电磁流量计输出连接到AI0，AO0输