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1、过程控制及仪表实验指导书过程控制系统及仪表实验指导书潘岩 左利长沙理工大学电气与信息工程学院2013年4月目 录第一章 系统概述第二章 实验装置介绍一、THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置二、THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台三、软件介绍四、实验要求及安全操作规程第三章 实验内容实验一、单容自衡水箱液位特性测试实验实验二、双容水箱特性的测试实验实验三、单容液位定值控制系统实验第一章 系统概述THSA-1型过程综合自动化控制系统(Experiment Platform of Process Synthetic automation Control system)由THJ-3型高级过

2、程控制对象系统实验装置、THSA-1型综合自动化控制系统实验平台及上位监控PC机三部分组成。如图1-1所示。图1-1 THSA-1过程综合自动化控制系统实验平台该套实验装置紧密结合工业现场控制的实际情况，能够对流量、温度、液位、压力等变量实现系统参数辨识，并能够进行单回路控制、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实验，是一套集成了自动化仪表技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术及现场总线技术等的多功能实验设备。THSA-1型过程综合自动化控制系统能够为在校学生和相关科研人员提供有力帮助。学生通过学习，应对传感器特性及零点漂移有初步认识，同时能掌握自动化仪表、变频器

3、、电动调节阀等仪器的规范操作，并能够整定控制系统中相关参数。这套实验设备综合性强，所涉及的工业生产过程多，所有部件均来自工业现场，严格遵循相关国家标准，具有广泛的可扩展性和后续开发功能，有利于培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的创新能力.整套实验装置的电源、控制屏均装有漏电保护装置，装置内各种仪表均有可靠的自保护功能，强电接线插头采用封闭式结构，强弱电连接采用不同结构接头，安全可靠。第二章 实验装置介绍“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机三部分组成。一、THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置实验对象总貌图如图2-1所示：图2-1

4、 实验对象总貌图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。（一）被控对象由不锈钢储水箱、三个串接有机玻璃水箱（上、中、下）、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、下水箱均采用淡蓝色优质有机玻璃，坚实耐用，透明度高，便于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=

5、20cm；下水箱尺寸为：D=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与变送器，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

6、压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）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

7、敷塑不锈钢管连接而成，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

8、箱出口的水温。Pt100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模拟转换器三个模拟转换器（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：QSTP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功

9、能强、控制单元与电动执行机构一体化、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

10、相电加热管由三根1.5KW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。二、THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台“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2-2为电源控制屏示意图。接上三相四线电源控制屏两侧的插座均带电，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

11、按钮灯亮，照明灯亮、此时打开24V开关电源即可提供24V电。按下启动按钮，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，作为其他组件的供电电源。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（一端与对象系统连接）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。图2-2 电源控制屏示意图3SA-11交流变频控制挂件SA-11交流变频控制挂件如图2-3所示，采用日本三菱公司的FR-S520SE-0.4K-CHR)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

12、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：P301；P531；P624；P790。图2-3 SA-11交流变频控制挂件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，其移相触发角与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

13、能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818型，如图2-4所示。SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型，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串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。图2-4 SA-12智能调节仪控制挂件 AI仪表常用参数设置：控制方式。0，采用位式控制；1，采用AI人工智能调节/PID调节；2，启动自整定参数功能； 3，自整定结束。：输入规格。21，Pt100热电阻输入；32，0.21VDC。 电压输入；33，15VDC电压输入。DIL

14、：输入下限显示值，一般DIL0；热电阻输入不用设置此项。DIH：输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH50.0；输入为流量信号时，DIH20.0；热电阻输入不用设置此项。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。：通讯地址。单回路实验1；串级实验主控为1，副控为2；三闭环实验主控为1，副控为2，内环为3。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。

15、(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。如图2-5所示。图2-5远程数据采集控制组件其中R-8017是8路模拟量输入模块，R-8024是4路模拟量输出模块， R-8033是3路热电阻输入模块。RemoDAQ8000系列智能采集模块通过RS485等串行口通讯协议与PC相连，由PC中

16、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2-6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RemoDAQ8000智能采集模块。关于RemoDAQ8000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2-6远程数据采集系统框图三、软件介绍 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

17、位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000/XP等操作系统。MCGS 软件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、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，参考配套的手册及光盘。四、实验要求及安全操作规程（一）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、方法与步骤，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

18、, 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作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。（二）实验过程的基本要求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。在操作实验时，上述要求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。（三）实验安全操作规程1实验之前确保

19、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在进行温度实验前，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，以免造成实验失败。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

20、，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。8严格遵守实验室有关规定。第三章 实验内容实验一 单容自衡水箱液位特性测试实验一、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；二、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、SA-14挂件一个、计算机一台、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、数据交换器一个，

21、网线两根； 5SA-41挂件一个、CP5611专用网卡一个、MPI编程电缆一根；6SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。三、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3-1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与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

22、该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有:Q1-Q2=A将物料平衡关系表示为增量形式有： Q1-Q2=A 式中：Q1，Q2，分别为偏离某一平衡状态的增量； A水箱截面积。图3-1 单容自衡水箱特性测试系统在平衡时，Q1=Q2，0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即： Q2= 或 R=式中：R阀F1-11的阻力，称为液阻。 将以上几个方程经拉氏变换并消去中间变量Q

23、2，即可得到单容水箱的数学模型为G0（s）= (3-1)式中T为水箱的时间常数，TRC；K为放大系数，KR；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=，x0=常数，则式(3-1)可改写为：H（s）=K-对上式取拉氏反变换得: h(t)=Kx0(1-e-t/T)当t时，h（）-h（0）=Kx0，因而有 K= (3-2)当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (3-3)一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图3-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线

24、与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。图3-2 单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性，其阶跃响应曲线则为图3-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：四、实验内容与步骤本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（30%80%），其余阀门均关闭。试验采用智能仪表控制,具体实验内容如下:1将“S

25、A-12智能调节仪控制” 挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照图3-3所示的控制屏接线图连接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。图3-3 “单容水箱特性测试”实验接线图2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给电动调节阀及智能仪表上电。3打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入“实验一”的监控界面。

26、4通过调节仪将输出值设置为一个合适的值（50%-70%）。5合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。6待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，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，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录此时的仪表输出值和液位测量值，液位的响应过程曲线将如图3-4所示。图3-4仪表输出值和液位测量值7根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（3-2）计算K值，再根据图3-2中的实验

27、曲线求得T值，写出单容水箱的传递函数。五、实验报告要求1画出“单容水箱液位特性测试”实验的结构框图。2根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。六、思考题1做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-11开度的大小？2用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？实验二 双容水箱特性的测试实验一、实验目的1掌握双容水箱特性的阶跃响应曲线测试方法；2根据由实验测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其特征参数K、T1、T2及传递函数；二、实验设备 同前。三、原理说明 本实验系统结构图和方框图如图3-5所示。图3-5 双容水箱对象特性测试系统 被测对象由两个不同容积的

28、水箱相串联组成，故称其为双容对象。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。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)= 式中Kk1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图3-6所示。由图3-6可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图3-6 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图

29、3-6 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。图3-6 双容水箱液位的阶跃响应曲线 双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图3-7所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点B和对应的时间t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点C和对应的时间t2。图3-7 双容水箱液位的阶跃响应曲线 然后，利用下面的近似公式计算式式中，0.32t1/t20.46；由上述两式可解出T1和T2 。在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与

30、时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：G（S）=四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被测对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求F1-10开度稍大于F1-11的开度），其余阀门均关闭。具体实验内容与步骤如下：1将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照控制屏接线图3-3连

31、接实验系统。将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。2接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。3打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实验二的监控界面。4在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的4070%，不宜过大，以免水箱中水溢出），此操作需通过调节仪表实现。5合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记