过程控制实验指导书(DOC)

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(包括电动调节阀、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机柜，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)现场控制机柜内有工业标准接线端子。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现场及系统结构原理图如图2-1，图2-2所示。图2-1A3000现场实物图图2-2A3000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、现场系统机柜面板Ø电源：220VAC单相总电源空开，380VAC三相总电源空开。Ø开关：两个两位自锁旋钮开关，分别是加热器电源开关和变频器电源开关。四个三位自锁旋钮开关，分别是1#、2#电磁阀手自动以及关闭开关。变频器手自动启动信号以及关闭开关，2#水泵手自动运行以及关闭开关。Ø电压表：显示24VDC开关电源的电压值。Ø变频器：对于A3000FBS系统，则具有ProfibusDP控制端子。Ø指示灯：安装有8个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。分别为单相电，三相电通电指示。以及两个水泵、两个电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。当锅炉内水位低于低限液位开关时，液位开关断开，联锁控制的低限液位指示灯点亮，表明锅炉内液位很低或无液位。提示禁止对锅炉加热。往锅炉内注水等到当锅炉内水位达到或超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制的低限液位指示灯灭，可以开始对锅炉加热。当锅炉内水位超过高限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制的高限液位指示灯点亮，表明锅炉内液位很高或超过高位限制，应及时把锅炉内液体排出一部分。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到此目的。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，使移相调压模块断电，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，以及换热器解耦控制实验。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。对于流量控制实验，我们可以选择支路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。以换热器温度－流量前馈反馈实验为例，设备包括：锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、涡轮流量计、电磁流量计。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。实验一单容水箱液位调节阀控制1.1实验目的了解液位控制的构成环节，调节阀的工作原理，熟悉上位机组态王的组态及通讯。通过实验，掌握PID参数的整定。1.2实验要求1、实验前需熟悉实验的设备装置以及管路构成。2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。3、用响应曲线法求取PID参数，以4:1标准衰减振荡作为指标，整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。1.3实验设备及系统组成1、实验设备：A3000对象系统（1）泵（2）涡轮流量计：（3）变频器：2、系统组成单容下水箱液位PID控制流程图如图3-1所示图3-1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制3、测点清单测点清单如表3-1所示：序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量1FV101电动调节阀阀位控制2～10VDCAO0～100％2LT103压力变送器下水箱液位4～20mAAI0～50cm表3-1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过挡板QV16回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节手挡板QV16的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。需要全打开的手阀：QV102、QV105；需要全关闭的手阀：QV103、QV104、QV107、QV109；挡板开度：QV1160.5cm。1.4操作步骤和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。2、在现场对象上，选择管路，打开或关闭相应手阀。3、在控制柜上，将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到AO0。（连线时注意正接正，负接负）注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须安装已经接线的通道来编程。4、打开设备电源。启动右边水泵P102和调节阀。5、启动计算机组态软件，进入实验选择画面选择实验。启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。6、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试。7、待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。8、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。10、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值(如设定值由50％变为60％)，同样可以得到一条过渡过程曲线。注意：每当做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。11、在比例调节测试的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。12、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。13、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。14、在PI调节器控制测试的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。15、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从突变10%左右来实现）。1.5实验结果整理实验趋势曲线，记录合适的PID值，写实验报告。1.6实验思考控制对象选择正作用还是反作用，为什么？实验二单容水箱液位变频器控制2.1实验目的了解液位控制的构成环节，变频器的工作原理，熟悉上位机组态王的组态及通讯。通过实验，掌握PID参数的整定。2.2实验要求1、实验前需熟悉实验的设备装置以及管路构成。2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。3、用响应曲线法求取PID参数，以4:1标准衰减振荡作为指标，整定出最佳的比例度、积分时间和微分时间。2.3实验设备及系统组成1、实验设备：A3000对象系统（1）泵：220VAC（2）变频器：工作电源：220VAC，控制信号4-20mA，电压输出0-220VAC。（3）电动调节阀：工作电源24VAC，控制信号2-10VDC（4）液位传感器：量程为0-50cm,输出信号4-20mA。2、系统组成单容水箱液位PID控制流程图如图4-1所示图4-1单容水箱液位变频器PID单回路控制3、测点清单测点清单如表2-1所示：序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量1U101变频器水泵控制4～20mAAO0～50Hz2LT103压力变送器水箱液位4～20mAAI0～50cm表4-1单容水箱液位变频器PID单回路控制测点清单水介质由泵P101从水箱V104中加压获得压头进入水箱V103，通过挡板QV26回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用变频器U101输出电源的大小控制泵供水的多少来改变V103液位。本例为定值自动调节系统，U101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。需要全打开的手阀：QV111、QV115、QV106。需要全关闭的手阀：QV103、QV114、QV108、QV110；挡板开度：QV1160.5cm。2.4操作步骤和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。2、在现场对象上，选择管路，打开或关闭相应手阀、电磁阀或电动调节阀。3、在控制柜上，将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0，IO面板的变频器控制端连到AO0。（连线时注意正接正，负接负）注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须安装已经接线的通道来编程。4、打开设备电源。设置变频器为模拟量控制。启动变频器。5、启动计算机组态软件，进入实验选择画面选择实验。启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。6、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试。7、待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。8、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线