过程控制系统实验指导书

过程控制系统实验指导书蔡型杨钧编广东工业大学自动化学院前言THSA-1型综合自动化控制系统实验装置是为配合高校自动化、电气及相关专业的教学和实验而设计开发的，它可满足各大高校所开设的《传感器检测与转换技术》、《过程控制》、《自动化仪表》、《自动控制理论》、《计算机控制》、《单片机控制》、《DCS分布式控制》及《PLC可编程控制》等课程实验的教学要求。本实验指导书共分五节。第一节简要地介绍了THSA-1型综合自动化控制系统实验装置的软、硬件构成原理及使用说明，第二节至第五节分别叙述了实验项目，包括被控对象特性测试、单回路控制系统、串级控制系统、滞后控制系统，其中每个实验又包含二种控制方案：智能仪表控制、S7-200PLC控制。以及S7-300PLC监控。由于本实验指导书编写时间较为仓促，书中的缺点和错误在所难免，敬请使用师生批评指正。1目录一实验装置说明………………………………………………………3二被控对象特性测试实验……………………………………………9实验一单容自衡水箱液位特性的测试实验二双容自衡水箱液位特性的测试三单回路控制系统实验………………………………………………17单回路控制系统概述实验三单容水箱液位定值控制系统实验四双容水箱液位定值控制系统实验五锅炉内胆静（动）态水温定值控制系统四串级控制系统实验…………………………………………………30串级控制系统概述实验六水箱液位串级控制系统五滞后控制系统实验…………………………………………………36实验七盘管出水口温度滞后控制系统六设计性、综合性实验………………………………………………40实验八设计一个单回路水箱液位控制系统2一实验装置说明1系统概述“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。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。学生通过本实验装置进行综合实验后可掌握以下内容：（1）传感器特性的认识和零点迁移；（2）自动化仪表的初步使用；（3）变频器的基本原理和初步使用；（4）电动调节阀的调节特性和原理；（5）测定被控对象特性的方法；（6）单回路控制系统的参数整定；（7）串级控制系统的参数整定；（8）复杂控制回路系统的参数整定；（9）控制参数对控制系统的品质指标的要求；（10）控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养；（11）各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。2THSA-1型过控综合自动化控制系统对象实验对象总貌图如图1-1所示：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、（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，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。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，能满足上、中、下水箱的实验供水需要。（2）模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）3图1-1实验对象总貌图和冷却层（锅炉夹套），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4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，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。（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0～5KP，精度为0.5级。输出：4～20mADC。（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。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。（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。输出：4～20mADC。（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。电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号。（2）水泵：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。（4）三相电加热管：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。3THSA-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、PLC控制组件等几部分组成。（一）控制屏组件（1）SA-01电源控制屏面板图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Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ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。（2）SA-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4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。（3）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4～20mA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。（二）智能仪表控制组件5（1）AI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，仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号；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。（2）PLC控制组件图1-2电源控制屏示意图本装置采用了S7-200、S7-300PLC两套控制系统。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1-7S7-200PLC控制系统框图图1-8S7-300PLC控制系统框图6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。4软件介绍（一）MCGS组态软件本装置中智能仪表控制方案、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（MonitorandControlGeneratedSystem）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MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系统。MCGS5.1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、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。（二）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MACSⅡ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，应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应用系统。系统组态后将产生应用系统的数据库、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。（三）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Step7-MicroWIN32编程软件，而西门子S7-300PLC采用的是Step7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。（四）西门子WinCC监控组态软件S7-300PLC控制方案采用WinCC软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。75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。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。（二）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