自动化仪表与过程控制A实验指导书.docx

1、自动化仪表与过程控制A实验指导书自动化仪表和过程控制A实验指导书机械和电气工程学院2009年10月0 前言0.1 实验课程简介自动化仪表和过程控制实验是配合自动化仪表和过程控制A的课堂教学而设置的实践性教学环节。通过本实验课程教学，可以增强学生对自动化仪表和过程控制技术理论知识的理解，提高学生动手能力，分析判断线路的综合能力，使用自动化仪表、过程控制设备、电子仪器以及分析处理实验数据的能力。0.2 实验目的和要求1. 在实验过程中，教育学生养成良好的实验习惯，爱护公共财产，遵守安全制度，树立良好的学风，使学生了解实验的重要性以及实验课程的地位和作用；2. 注意培养学生的科学实验能力，逐步提高排

2、除故障、发现问题和解决问题的能力；3. 通过实验，加深认识和理解理论课程中讲述的自动化仪表和过程控制的原理；4. 实验要求：本实验课程要求学生在教师指导下自己动手操作各项实验内容，利用所学的自动化仪表和过程控制理论对各项数据进行测量、计算，从而得出较为准确的实验结果。0.3 考核方法成绩构成包括：（1）预习实验指导书 30%（2）具有一定的实验操作动手能力，实验态度认真，且完成规定实验内容40%（3）实验中观察、提出问题，实验报告书写规范、分析合理 30%0.4 场地和主要设备及消耗性器材1、场地：机电南楼四楼 2、所用设备:THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台3、消耗性器材 0.5

3、主要参考书1.施仁等编，自动化仪表和过程控制（第三版），电子工业出版社，20082.自编，自动化仪表和过程控制A实验指导书，20081 实验要求及安全操作规程1.1 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。认真作好实验前的准备工作，对于培养学生独立工

4、作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。1.2 实验过程的基本程序1明确实验任务；2提出实验方案；3画实验接线图；4进行实验操作，做好观测和记录；5整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，老师给予必要的指导，以培养学生的实际动手能力，要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。1.3 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

5、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实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。6仪表应通电预热15分钟后再进行校验。7小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。2 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台2.1 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

6、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。具有如下特点： 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。 被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。 具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号。 具有控制参数和控制方案的多样化。通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管

7、路的组合可构成几十种过程控制系统实验项目。 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。实验数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。 多种控制方式：可采用AI智能仪表控制、DCS分布式控制、S7-200或S7-300PLC可编程控制、DDC远程数据采集控制等多种控制方式。 充分考虑了各大高校自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。同时本实验装置具有如下安全保护体系：1三相四线制总电源输

8、入经带漏电保护装置的三相四线制断路器进入系统电源之后又分为一个三相电源支路和三个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表，三相带灯熔断器作为断相指示。2控制屏上装有一套电压型漏电保护和一套电流型漏电保护装置。3控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。4各种电源及各种仪表均有可靠的自保护功能。5强电接线插头采用封闭式结构，以防止触电事故的发生。6强弱电连接线采用不同结构的插头、插座，防止强弱电混接。2.2 系统总体说明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

9、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。实验对象总貌图如图1所示：图2-1 实验对象总貌图一、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，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=

10、35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。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，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。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

11、胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，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，

12、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。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。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05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。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。Pt1

13、00测温范围：-200+420。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。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。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。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。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元和电动执行

14、机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。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。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。4三相电加热管：由三根1

15、.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，每根加热管的电阻值约为50左右。2.3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、远程数据采集控制组件、DCS分布式控制组件、PLC控制组件等几部分组成。一、控制屏组件1SA-01电源控制屏面板充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。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

16、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、单相、单相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。图2-2 电源控制屏示意图2SA-02 I/O信号接口面板该面板的作用主要是通过航空插头（一端和对象系统连接）将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，便于学生自行连线组成不同的控制系统。3SA-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420mADC或05VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。变频器常用参数设置：P 301；P 53

17、1；P 624；P 790。4三相移相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420mA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。位式控制接触器和AI-708仪表一起使用，通过AI-708仪表输出继电器触点的通断来控制交流接触器的通断，从而完成锅炉水温的位式控制实验。二、智能仪表控制组件1AI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，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818型，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型

18、，输出为420mADC信号；而AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关量信号。AI系列仪表通过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。AI仪表常用参数设置：CtrL：控制方式。CtrL0，采用位式控制；CtrL1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL2，启动自整定参数功能；CtrL3，自整定结束。Sn：输入规格。Sn21，Pt100热电阻输入；Sn32，0.21VDC电压输入；Sn33，15VDC电压输入。DIL：输入下限显示值，一般DIL0。DIH：输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH50.0；输入为热电阻信号时，DIH100；输入为流量信号时

19、，DIH100。OP1：输出方式，一般OP14为420mA线性电流输出。CF：系统功能选择。CF0为内部给定，反作用调节；CF1为内部给定，正作用调节；CF8为外部给定，反作用调节；CF9为外部给定，正作用调节。Addr：通讯地址。单回路实验Addr1；串级实验主控为Addr1，副控为Addr2；三闭环实验主控为Addr1，副控为Addr2，内环为Addr3。实验中各仪表通讯地址不允许相同。P、I、D参数可根据实验需要调整，其他参数请参考默认设置。有关AI系列仪表的使用请参考说明书上相关的内容。2SA-14比值、前馈补偿及解耦装置挂件比值、前馈补偿装置同调节器一起使用，其原理如图1-3所示。上

20、面一路作为比值器，输入电压经过电压跟随器、反相比例放大器、反相器输出05V电压，可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验；当上面一路作为干扰输入，下面一路作为调节器输出时，两路相加或相减（通过钮子开关切换），再经过I/V变换输出420mA电流，这部分构成一个前馈补偿器，可以实现液位和流量、温度和流量的前馈-反馈控制系统实验。图2-3 比值、前馈补偿器原理图解耦装置同调节器一起使用，其原理如图1-4所示。上面一路的输入对输出的影响，以及下面一路的输入对输出的影响均为1：1的关系；两路之间相互的影响通过可调比例放大器及加法器实现。值得注意的是上面一路对下面一路的影响可通过钮子开关选择相加或

21、相减，可以实现锅炉内胆和锅炉夹套的温度、上水箱液位和出口水温的解耦控制系统实验。图2-4 解耦装置原理图三、远程数据采集控制组件远程数据采集控制即我们通常所说的直接数字控制（DDC），它的特点是以计算机代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行A/D、D/A转换，控制算法全部在计算机上实现。在本装置中远程数据采集控制系统包括SA-21远程数据采集热电阻输入模块挂件、SA-22远程数据采集模拟量输入模块挂件、SA-23远程数据采集模拟量输出模块挂件。采用台湾鸿格ICP7000系列智能采集模块，其中I-7017是8路模拟量输入模块，I-7024是4路模拟量输出模块，I-7033是3路热电

22、阻输入模块。ICP7000系列智能采集模块通过RS485等串行口通讯协议和PC相连，由PC中的算法及程序控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出、脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能。图1-5所示即为远程数据采集控制系统框图。图中输入输出通道即为ICP7000智能采集模块。关于ICP7000智能模块的具体使用请参考装置附带的光盘中的相关内容。图2-5 远程数据采集系统框图四、DCS分布式控制组件分布式控制系统（DCS），国内也称为集散控制系统，它的特点是将危险分散化，而监视、操作和管理集中化，因而具有很高可靠性和灵活性。本装置采用北京和利时公司生产的MACS系统，包括一台操作

23、员站兼工程师站、一台服务器、一台现场主控单元和三个挂件，即FM148现场总线远程I/O模块挂件、FM143现场总线远程I/O模块挂件和FM151现场总线远程I/O模块挂件，其中FM148为8路模拟量输入模块、FM143为8路热电阻输入模块、FM151为8路模拟量输出模块。图1-6所示为MACS系统结构图。有关MACS系统软硬件的具体使用请参考装置附带的光盘中相关的内容。图2-6 DCS分布式系统框图五、PLC控制组件可编程控制器（简称PLC）是专为在工业环境下使用的一种数字运算操作的电子系统。目前国内外PLC品种繁多，生产PLC的厂商也很多，其中德国西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7

24、系列PLC，性能价格比越来越高。S7系列PLC有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC，S7系列 PLC功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的使用。在本装置中采用了S7-200、S7-300PLC两套控制系统，两套系统各有特点且区别较大，以使学生对于西门子中小型PLC有较深入的了解。这两套系统包括SA-42 S7-200PLC可编程控制器挂件和SA-41 S7-300PLC可编程控制器挂件。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

25、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2-7 S7-200PLC控制系统框图 图2-8 S7-300PLC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

26、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。3 软件介绍3.1 MCGS组态软件本装置中智能仪表控制方案、远程数据采集控制方案和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（Monitor and Control Generated System）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Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系统。MCGS 5.1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、

27、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。3.2 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MACS 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

28、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。3.3 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Step 7-MicroWIN 32编程软件，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7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。3.4 西门子WinCC监控组态软件S7-300PLC控制方案采用WinCC软

29、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。3.5 7000 Utility软件远程数据采集控制方案采用台湾鸿格I-7000系列智能采集模块，7000 Utility是其配套的模块调试软件。软件安装

30、完以后，会在桌面创建快捷方式，双击“7000 Utility”图标，运行程序自动检测模块，当检测到模块后，可双击模块进行模块参数的显示及修改。若模块通讯失败，请检查通讯线是否已按实验要求连接；若上位机MCGS组态和模块通讯失败，请用7000 Utility检查模块地址，并作正确修改。4 单容自衡水箱液位特性测试实验4.1 实验目的1掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线；2根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；3掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。4.2 实验设备1实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、

31、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；2SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；4SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；6SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。4.3 实验原理所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图4-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1和Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h和Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有Q1-Q2=A (4-1)将式(4-1)表示为增量形式Q1-Q2=A (4-2)式中：