过程控制系统实验

1第一部分产品使用说明一、概述生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求的目标，在18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用以后，自动化技术时代开始了。当经过20世纪后半叶的快速发展，特别是计算机技术的广泛应用，进入21世纪的今天，自动控制的应用已相当普遍，自动化技术已成为当今举世瞩目的高技术之一，也是今后实现工业高度自动化重点发展的一个高科技领域。在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、液位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”。过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且在成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。在现代化工业生产中，过程控制技术正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产效率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起越来越大的作用。二、AE2000系统介绍AE2000型过程控制智能仪表控制实验装置是根据自动化专业及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前工业自动化现场紧密联系，采用了工业广泛上使用并处于领先的智能控制系统，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。该设备涵盖了《信号和信息处理》、《传感技术》、《工程检测》、《模式识别》、《控制理论》、《自动化技术》、《智能控制》、《过程控制》、《自动化仪表》、《计算机应用和控制》、《计算机控制系统》等课程的教学实验与研究。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。本实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压0~5V或1~5V，电流0~10mA或4~20mA。实验系统供电要求三相交流电：380V，外型尺寸：重量：AE2000型过程控制实验装置集多参数闭环控制为一体，由过程控制对象、智能仪表模块、智能远程数据采集模块、执行器模块、信号检测模块等组成，各个模块间可以灵活组合，融合了工业上的主要控制手段，涉及了温度、压力、流量和液位等重要的过程控制参数。一）、AE2000系统主要特点1．被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。2．执行器中既有电动调节阀（或气动调节阀）仪表类执行机构，又有变频器、三相SCR移相调压等电力拖动类执行器。23．调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动。4．一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。5．某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，二者同时进行时要对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。6．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控制。7．实验数据及图表在MCGS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。该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用了很多工业现场常用检测控制装置，仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件，基型产品控制系统既有上位监控机加智能仪表控制系统，又有上位监控机加远程数据采集计算机DDC控制系统。扩展信号接口便于控制系统二次开发。对象系统还留有扩展连接口，以便进行DCS控制，计算机DDC控制，PLC控制开发。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能够很快适应环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发平台。二）、AE2000实验对象组成结构过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱、强制对流换热系统、上下串接的有机玻璃双容上下小水箱、三相4.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成），纯滞后盘管实验装置。系统动力支路分两路组成：一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如图所示：3三）、AE2000实验对象中的各类检测变送及执行装置AE2000实验对象检测及执行装置包括：检测装置：三个扩散硅压力液位传感器分别用来检测小流量水泵管道压力、双容上小水箱、下小水箱液位。一个电磁流量、一个涡轮流量传感器分别用来检测小流量泵动力支路流量和单相格兰富水泵动力支路流量。四个Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口、纯滞后盘管出口水温。执行装置：一个三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加热管工作电压。一个电动调节阀，一个变频器。1、液位传感器使用说明工作原理：当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换器转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4~20mA标准电流输出信号。接线如图所示：4接线说明：传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，采用两线制接法。零点和量程调整：零点和量程调整电位器位于中继箱内。校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的（Z）是调零电位器，右边的（R）是调量程电位器。2、温度传感器Pt100热电阻工作原理：接线说明：连接两端元件热电阻采用的是三线制接法。采用三线制接法是为了减少测量误差。因为在多数测量中，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，如上图所示。3、流量计（涡轮流量计、电磁流量计）1）、涡轮流量计：0~0.6m3/h2)、电磁流量计：0~0.3m3/h4、压力表测量范围：0.25MPa55、电动调节阀QSVP-16N智能电动单座调节阀主要技术参数：执行机构型式：智能型直行程执行机构输入信号：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC输入阻抗：250Ω/500Ω输出信号：4~20mADC输出最大负载：500Ω断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值电源：220V±10%/50Hz6、电磁阀24V直流开关电源供电，电磁阀共两种状态：上电x时电磁阀阀门开，掉电时电磁阀关。7、三相可控硅移相调压:通过4~20mA电流控制信号控制三相380V交流电源在0~380V之间根据控制电流的大小实现连续变化。四）、AE2000实验对象控制台仪表控制台面板由三部分组成：（1）电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电流型漏电保护器。（2）仪表及远程数据采集模块面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、3块远程数据采集模块面板组成，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。（3）I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制实验。61、电源控制屏如图所示，电源控制屏带有总电源漏电保护器，三相电源开关，单相电源开关，三相电源指示灯、三相电压指示表，三相电源保险丝座，照明开关，启动、停止按钮，三相电源输出，单相电源输出。A、电源控制屏为实验提供：三相380V交流电源。单相220V交流电源。B、电源控制屏的启动:关闭所有的电源开关。接好机壳的接地线，插好三相四芯电缆线插头，接通三相380V、50Hz的交流市电。开启总电源三相漏电保护器开关，三只黄、绿、红三相电源接通指示灯亮表示三相电源已经接通。开启总电源钥匙开关，红色按钮灯亮（即“停止”按钮的红色指示灯亮）。按下“启动”按钮，红色指示灯灭，绿色指示灯亮，同时可听到屏内交流接触器瞬间吸合声，电源输出到四个空气开关，此时屏上还是没有电压输出。打开三相电源空气开关，三相电源输出（380V/10A）有电压输出，打开单相Ⅰ空气开关单相Ⅰ（220V/5A）有电压输出，打开单相Ⅱ空气开关单相Ⅱ（220V/5A）有电压输出，打开单相Ⅲ空气开关单相Ⅲ（220V/5A）有电压输出，电源控制屏启动完毕。（5）实验完毕，按下“停止”按钮，绿色指示灯灭，红色指示灯亮，然后关闭三相电源钥匙，红色指示灯灭，最后再检查一下各开关是否都恢复到“关”的位置。（6）三相电源主电路中设有10A带灯熔断器，熔断器指示灯亮，表明缺相，要2更换熔管，同时要检查一下问题所在，控制回路（接触器控制回路，日光灯照明电路，控制屏内外漏电保护装置供电电路）设有2A熔断器，如控制回路失灵，检查熔管是否完好及故障所在。2、I/O信号接口面板该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行实验。如图所示。7可分为八大模块，从左往右依次是：1）、DCSFM151模拟量输出接口：共8路模拟量信号输出，控制执行器。2）、三相SCR移相调压装置：三相电加热管0~380V连续可调交流电压提供装置，可调电压由4~20mA控制输出。电动调节阀：三相SCR移相调压装置三相电源输入端（1U、1V、1W、N）接电源控制屏三相电源输出（380V/10A）的（1U、1V、1W、N）端，为移相调压装置提供电源。三相SCR移相调压装置的三相调压输出端（U2、V2、W2、N）接三相电加热管输入端接线座（U2、V2、W2、N）。移相调压输入（4~20mA）控制信号+端接调节器输出的（4~20mA）控制信号+端，移相调压输入（4~20mA）控制信号-端接调节器输出的（4~20mA）控制信号-端。由输出的电流控制信号控制调压输出，达到对温度的连续控制。三个10A的熔断器作为过流保护。3）、电动调节阀：电动调节阀直接接2200V交流电源，由电源开关控制电源的通断，控制信号4~20mA电流输入+端接调节器输出的（4~20mA）控制信号+端，控制信号4~20mA电流输入-端接调节器输出的（4~20mA）控制信号-端。4）、铂电阻：提供锅炉内胆、锅炉夹套，强制对流换热系统的冷水和热水温度信号。温度范围为（0~100℃）。5）、温度变送器：为各个电流信号转化成（1~5V、0.2~1V等）标准电压信号提供转化电路。（通过钮子开关切换可得到50欧姆或250欧姆电路，钮子开关打到ON为250欧姆，打到OFF为50欧姆）。6）、压力变送器：引出上水箱液位，下水箱液位（1~5V或0.2~1V）和小流量管压力的标准电压信号和各路的钮子开关打到ON为（1~5V），打到OFF为（0.2~1V）。7）、流量变送器：流量变送器可分涡轮流量计和电磁流量计。齿轮泵流量输出电磁流量计流量为（0~5V）电压信号，分别为+，-两端输出。面板上需提供220V交流工作电源给电磁流量计，接~220V输入的（L、N）两端，用单相Ⅰ（220V/5A）220V交流电源、或单相Ⅱ（220V/5A）220V交流电源、或单相Ⅲ（220V/5A）220V交流电源都可。丹麦泵流量输出涡轮流量计的（1~5V或0.2~1V）电压信号，分别为+，-两端输出。钮子开关打到ON为（1~5V），打到OFF为（0.2~1V）。涡轮流量计工作时需提供24V直流工作电源（24V（+）、COM-）分别接开关电源的（24V+、24V-）。88）、24V开关电源：提供24V，正常供电时电压指示灯亮。3、变频器如图所示，变频器型号为三菱FR-S520S-0.4K型变频调速器，具体使用说明、参数设置及操作请详见随附的产品使用手册。A面板接线端子功能说明：为了保护变频器各接线端子不因实验时经常的装拆线而损坏或丢失，故将其常用的端子引到面板上。U1、V1、W1：变频器的三个输出端，（连接三相水泵电动机的接线端U