(新编)过程控制实验指导书

《过程控制实验》实验指导书陈曦编著适用专业：自动化信息与通信工程学院2011年5月前言一、课程性质本课程是自动化专业必修的专业实验课程。通过本课程的教学，使学生深刻体会到自动化仪表与过程控制的应用，掌握常用工业仪表的结构和功能，熟悉常用工业控制器的硬件结构、控制算法、相关控制参数整定方法以及上位机工业组态软件的使用。并使其具备研究和开发以可编程逻辑控制器为核心的工业控制系统的能力。二、项目设置本课程总学时为8，开设的具体实验项目如下：实验1单容水箱液位数学模型的测定实验（2学时，必修）实验2双容水箱液位数学模型的测定实验（3学时，选修）实验3锅炉与加热器对象数学模型试验（3学时，选修）实验4锅炉水温定值控制实验（3学时，选修）实验5单容水箱液位控制实验（3学时，选修）实验6换热器水温单回路控制实验（3学时，选修）实验7串级控制实验（3学时，选修）其中，实验1为验证性实验；实验2~实验7为综合性实验。三、专业安排自动化专业可选修全部实验；相关专业可选修实验1~实验5。四、本书特点本指导书的实验内容旨在着重培养学生的数学模型建立、控制算法设计和现场调试能力，为将来成为卓越工程师打下坚实的基础。目录第一章实验系统...................................................41.1现场系统组成.................................................41.2控制系统组成................................................5第二章组态软件...................................................82.1组态王简介..................................................82.2组态王使用介绍..............................................8第三章实验项目....................................................10实验1单容水箱液位数学模型的测定实验...........................10实验2双容水箱液位数学模型的测定实验...........................13实验3锅炉与加热器数学模型的测定实验...........................15实验4锅炉水温定值控制实验.....................................18实验5单容水箱液位定值控制实验................................22实验6换热器水温单回路控制实验................................25实验7串级控制实验.............................................28附：实验报告基本要求...............................................32第一章实验系统1.1现场系统组成A3000现场系统（A3000-FS）现场系统包括三个玻璃水箱，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。如图1-1所示。图1-1过程控制系统实验装置结构图1#大储水箱JV201JV5015#锅炉滞后管#2水箱#3水箱换热器JV101JV102JV205JV206JV103JV106JV207JV502JV305JV304JV104JV503#4水箱JV2041.2控制系统组成A3000控制系统（A3000-CS）包括传感器、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。整个控制系统布置在一个工业机柜中，开放性极强。设置有一个前门，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1-2所示。左边是机柜布置简图，内部包括一个接线盒，两块安装板，右边是各个控制系统的半模拟屏简图。第一控制系统传感器、执行器I/O连接板网关系统机柜第二控制系统第三控制系统常规仪表，DDC或PLC实验接口RS485到以太网网络接入设备过程极管理级图1-2A3000控制系统结构图1.3实验系统认知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（包括变频器及移相调压器）、以及控制面板，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的特点。（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，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电力线与控制线的电磁干扰隔离。（4）现场系统的设计包括了整套设备所有的强电部分，保证了控制系统只需要直流低压，使得系统设计更模块化，更安全、具有更大的扩展性。2、现场系统面板。面板左侧设置如下：电源：220VAC单相电源开关，380VAC三相电源开关。开关：三个旋钮开关，分别是1＃、2＃水泵的电源开关，以及变频器控制水泵的开关。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控制开关。电压表：显示加在调压器上的电压值。变频器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玻璃水箱以及锅炉。支路2有2＃水泵，压力传感器，电动调节阀，三个玻璃水箱，还有一路流入换热器进行冷却。（1）支路1分析。在支路1上，由于有锅炉，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JV501、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有一个电动调节阀，配合三个玻璃水箱（各装一个压力传感器），可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验。系统水箱装有压力传感器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。对于单容实验，配有一块反正切闸板、一个截面呈三角形的柱体。反正切闸板替换矩形闸板，用于不同阻力下液位数学模型的测定实验。三角形柱体放入水箱中，可以做非线性容积实验，以及单容水箱容积改变的液位数学模型测定实验。对于流量控制实验，可以选择支路2，用电动调节阀作为执行器。同时启动两个支路的水泵，可以做比值控制实验：将支路1流量固定（用涡轮流量计测量流量值），设定一个比值系数，用PID控制支路2的流量与支路1成比例。对于较复杂的前馈-反馈控制实验，设计使用两个支路的多个设备来完成。包括：锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、流量计。前馈控制部分，通过测量换热器热水入口温度及流量，控制调节阀开度，实现冷水流量控制；反馈控制部分，通过测量换热器热水出口温度，控制调节阀开度，实现冷水流量控制第二章组态软件2.1组态王简介“组态王”是运行与MicrosoftWindows98/NT/XP中午平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态王系统要求如下：硬件：奔腾Ⅲ500以上IBMPC或兼容机。操作系统：Windows2000/WindowsNT4.0/WindowsXP简体中文版。国内流行的或者国外的HMI软件基本功能和操作是一样的。在本指导书中以组态王为例作简单介绍。2.2组态王使用介绍1、认识组态王程序组成员。安装完“组态王”之后，在系统“开始”菜单“程序”中生成名称为“组态王6.5”的程序组。该程序组中包括三个文件夹和四个文件的快捷方式，内容如下。（1）组态王6.5：组态王工程管理程序（ProjManager）的快捷方式，用于新建工程、工程管理等。（2）工程浏览器：组态王单个工程管理程序的快捷方式，内嵌组态王画面开发系统（TouchExplorer），即组态王开发系统。（3）运行系统：组态王运行系统程序（TouchView）的快捷方式。工程浏览器（TouchExplorer）和运行系统（TouchView）是各自独立的Windows应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统（TouchView）运行环境中才能运行。（4）信息窗口：组态王信息窗口程序（KingMess）的快捷方式。（5）安装工具/安装新驱动：安装新驱动工具文件的快捷方式。（6）组态王文档：包括以下几种文档的快捷方式。①组态王帮助：组态王帮助文件快捷方式。②组态王I/O驱动帮助：组态王I/O驱动程序帮助文件快捷方式。③使用手册电子版：组态王使用手册电子版文件快捷方式。④函数手册电子版：组态王函数手册电子版文件快捷方式。除了从程序组中可以打开组态王程序，安装完组态王后，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”。2、制作一个工程的一般过程建立新组态王工程的一般过程如下。（1）设计图形界面（定义画面）（2）定义设备，也就是组态硬件，以便可以构造数据库。（3）构造数据库（定义变量），就是建立上位机和下位控制器的通信。（4）建立动画链接，就是让获得的数据在屏幕上形象生动的显示出来。（5）运行和调试。第三章实验项目实验1单容水箱液位数学模型的测定实验实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的1、熟悉A3000实验系统设备的组成2、了解组态王软件3、以单容水箱为例，掌握对象特性的实验测定、时域法。二、实验内容1、熟悉A3000高级过程控制实验系统的现场系统和控制系统的基本结构及组成。2、学习现场系统设备安全操作规范。3、在计算机上学习组态软件的使用。4、以单容水箱为研究对象，运用测定对象动态特性的时域方法，测定数学模型。三、实验原理、方法和手段水流入量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。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。（可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。）调整水箱出口到一定的开度。突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。LT103给定值图3