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自控11级过控实验指导书

过程控制实验指导书

控制工程系106实验室

自动化学院

2014.4

实验一过程控制实验装置基本操作

AE2000A型过程控制实验装置是根据工业自动化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,并与目前大型工业自动化现场紧密联系,采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS(分布式集散控制系统),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。AE2000A型过程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1~5V,电流4~20mA。实验系统供电要求:三相380V交流电,外型尺寸:1850×1450×900mm,重量:300Kg。

(一)AE2000A型实验对象组成结构

过程控制实验对象系统包含有:不锈钢储水箱(长×宽×高:850×450×400mm)、串接圆筒有机玻璃上水箱(Ф350×370mm)、下水箱(Ф350×370mm)、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)系统动力支路分两路组成:一路由增压循环水泵、电动调节阀、电磁阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成;另一路由增压水泵、变频调速器、电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如图1所示:

阀14

图1 系统结构图

对象系统结构图中检测变送和执行元件包括:液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、压力表、电动调节阀、电磁阀等。

AE2000A实验对象检测及执行装置包括:

检测装置:扩散硅压力液位传感器分别用来检测上水箱、下水箱液位;电磁流量、涡轮流量传感器分别用来检测变频器动力支路流量和增压泵动力支路水的流量;Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套水温。

执行装置: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。电动调节阀调节管道出水量,变频器调节增压泵转速。

1、液位传感器

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:

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,直流电源24V+接中继箱内正(+),中继箱内负(—)接负载电阻,负载电阻接24V-,输出4~20mA电流信号,通过负载电阻转换成电压信号,两线制接法。在负载电阻250/50Ω两端取信号电压,当负载电阻接250Ω时信号电压为1~5V,当负载电阻切换成50Ω时信号电压为0.2~1V。

零点和量程调整:

零点和量程调整电位器位于另一侧的中继箱内。校正时打开中继箱盖,即可进行调整,左边的(Z)调零电位器,右边的(R)调增益电位器。

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。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,采用三线制接法。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,如图所示。

250欧

(或50欧)

3、流量计(涡轮流量计、电磁流量计)

1)涡轮流量计:输出信号:频率,测量范围:0~0.6m3/h

接线如图所示:

接线说明:传感器的12V供电电源由流量积算变送仪正下方的智能调节仪提供,电源已从智能调节仪表后面引出。

注:使用涡轮流量计时,必须把从左数到右的第三块仪表电源打开。

2)电磁流量计:输出信号:4~20mA,测量范围:0~0.8 m3/h

接线说明:电磁流量计输入端采用的是220V的交流电,输出的是4~20mA的

电流信号。输出信号线直接接控制台上的电磁流量计信号输

出端。

4、压力表

安装位置:增压泵之后,电动调节阀之前。

测量范围:0~0.25Mpa

5、电动调节阀

QSTP-16K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%/50Hz

6、电磁阀

24V直流开关电源供电,电磁阀共两种状态:上电时电磁阀阀门开,

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。

(二)、AE2000A型实验对象控制台

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ADAM8000PLC模块面板:1块变频调速器面板、2块AI/818A智能调节仪面板、1块AI/708智能调节仪面板、1块ADAM8000PLC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。

1、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:

(1)三相380V交流电源。

(2)单相220V交流电源。

B、电源控制屏的启动:

(1)关闭所有的电源开关。

(2)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的交流电。

(3)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)。

(4)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,电源输出到三个空气开关,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,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。

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。

可分为八大模块,从左往右依次是:

1)、DCS-FM151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。

3)、自/手动切换旋钮,当旋钮开关打在自动方式时,自动指示灯亮,手动作用被屏蔽,对象上电磁阀的开关动作由ADAM8000PLC的开关量输出模块控

制。当旋钮开关打在手动方式时,手动指示灯亮,自动作用被屏蔽。

4)、手动操作:控制各个电磁阀、增压泵、及电动调节阀的启停。

5)、电动调节阀:电动调节阀直接接220V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。

5)、温度变送器:温度变送器先把电阻信号转换成电流信号,再经过I/O面板上的50Ω或250Ω的电阻转换成0.2~1V或1~5V的标准电压信号。

6)、压力变送器:压力变送器输出的4~20mA电流信号经过I/O面板上的50Ω或250Ω的电阻转换成0.2~1V或1~5V的标准电压信号。

7)、流量变送器:流量变送器可分为涡轮流量计和电磁流量计。涡轮流量计的输入电压是12V直流电,电磁流量计的输入电压是220V的交流电。电磁流量计输出4~20mA电流信号,涡轮流量计输出频率信号,分别从I/O面板上其信号两端(+、-)输出。

8)、24V开关电源:提供24V直流电,供压力变送器、温度变送器正常工作使用。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,具体参数设置如下表:

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。

1、控制信号输入:可输入外部0~5V电

压,或4~20mA电流控制信号。

2、STF、STR:电机的正、反转控制端,SD

与STF、RH互相短接时正转,SD与STR、

RH互相短接时反转。

B 本装置中变频器使用说明:

本装置中使用变频器时,主要有两种输出方式:一种是直接调面板旋钮改变输出频率,另一种是用外部输入控制信号使变频器输出一定的频率。

通过调节变频器的输出频率来调节其支路上增压泵的转速,从而达到控制水的输出量的目的。两种输出方式具体接线方法如下:

1、利用变频器面板旋钮输出接线方法:

SD与STF(或STR)短接,当需要改变输出频率时,旋动面板上的旋钮,顺时针旋可增大输出频率,逆时针旋可减小输出频率。待旋至所需要的频率时,按变频器上的SET键,即可完成面板旋钮改变输出频率。

2、利用变频器外部控制信号控制输出接线方法:

SD与STF(或STR)、RH两端都短接,在控制信号输入端接入控制信号(正极、负极应对应,不能接错)打开变频器的电源开关即可输出。通过改变控制信号的大小来改变输出的频率。

*注:附FR-S520S-0.4K-CH三菱变频调速器使用手册(基本篇)

4、ADAM8000PLC模块

ADAM8000PLC模块带4路模拟量输入/输出模块,16路开关量输出模块。在本实验系统中只用到8路开关量输出模块来控制增压泵、电动调节阀、电磁阀的电源开关。

5、智能调节仪AI818A

如图所示:

智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A ,具备AI708A 的全部功能特点外,还具备外部给定、手动/自动切换操作、手动整定及显示输出值等功能。具备能直接控制阀门的位置比例输出(伺服放大器)功能,也可独立做手动操作器或伺服放大器用,此外还具备可控硅移相触发输出功能,可节省可控硅移相触发器,能精确控制温度、压力、流量、液位等各种物理量。 面板接线端子功能说明:

1、2端子:1-5V ,0-5V 信号输入端。(1端+,2端-)

2、3、4端子:2、3为0.2-1V 信号输入端(注:0.2-1V 信号必须从2、3端子输入,2端为-,3端为+);2、3、4为热电阻,热电偶信号输入端。 RSV (I/V 转换):将测量或外部输入电流信号转换为电压信号后输入到1、2端或2、3端。

7、8:测量或控制电流信号输出端。 9、10:220V 交流供电电源输入端。

RS485通讯口:通过485/232转换器实现与上位机的通讯。 智能调节仪使用参数设置:

修改参数时,按住 键3秒,即可调出如下表第一个参数HIAL ,用 、

、、修改参数的值。修改好第一个参数后,再按一下即可进入下一

个参数的修改。

根据不同的实验,以上参数有所改变,请参看实验部分说明。输入规格:根据实际所测的信号不同,sn在0~37之间选择

*加粗的表示常用的输入规格。

小数点位置DIP:例:DIP=1 小数点在十位。

输入下限显示值DIL:用于定义线性输入信号下限刻度值,对外给定、变送输出、光柱显示均有效。例:上水箱液位传感器检测范围为0~100cm,则DIL=0,DIP=1

输入上限显示值DIH:用于定义线性输入信号上限刻度值,与DIL配合使用。

例:上水箱液位传感器检测范围为0~100cm,则DIH=100,DIP=1

输出方式OP1:OP1=4,4-20mA线性电流输出。

输出下限值OPL:OPL=0 调节器输出最小值

输出上限值OPH:OPH=100 调节器输出最大值。

系统功能选择CF:CF=0 调节器为反作用;CF=1 调节器为正作用

通讯地址ADDR:ADDR=0-100 有效,作为辅助模块用于测量值变送输出时,ADDR及bAud定义对应测量值变送输出的线性电流大小,其中ADDR表示输出下限,bAud表示输出上限。单位为0.1mA。在设置仪表地址时,三个仪表地址不能相同,地址一般设为1、2、3。

6、智能流量积算仪

智能流量积算仪面板如下图所示:流量积算变送仪主要功能是将涡轮流量计输出的流量频率信号转换为4-20mA的电流信号输出。智能流量积算仪面板分:

频率信号输入接口、变送信号输出接口、输出电流信号转换成电压信号电阻接口。

流量积算仪参数设置如下:

一级参数:

标定的流量常数设置的。

二级参数的设定:

1.工况参数设定下的瞬时流量小数点位数设为1。

2.通讯参数设定下的通讯波特率设为9600。

其余参数的设定请参照流量积算变送仪说明书。

四)、AE2000A型系统控制软件

在PC机上安装AE2000AYB组态软件,通过RS232/485转换器同仪表控制台上的任意一个RS485串行接口相连接,实现与所有的仪表及ADAM8000模块的通讯。学生可对下位仪表各参数进行设定、修改PID控制参数,并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线,SV设定值、PV测量值、OP输出值、各实验都设有动态流程图、及被测参数动态显示及变化棒图显示系统流程图。

五)、AE2000A型装置的安全保护体系

1.三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和两个不同相的单相支路,每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表,三相带灯熔断器作为断相指示。

2.控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。

3.各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。

4.实验强电系统采用用钥匙开关控制,便于管理和防止触电事故的发生。

实验二一阶单容上水箱对象特性测试与PID整定实验

一、实验目的

1)熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线;

2)用阶跃响应法测试对象特性,并掌握在对象的阶跃响应曲线上求取对象特性参数的方法;

3)掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法;

4)研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。

二、实验设备

1) AE2000A型过程控制实验装置:

配置:万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、系统结构框图

单容水箱如图2所示:

图2 单容水箱系统结构图

图3单容水箱液位定值控制系统结构框图

四、实验原理

h1( t ) h1(∞ )

0.63h1(∞)

0 T

1、对象特性测试

阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下,待系统稳定后,通过调节器或其他操作器,手动改变对象的输入信号(阶跃信号)。同时,记录对象的输出数据或阶跃响应曲线,然后根据已给定对象模型的结构形式,对实验数据进行处理,确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法,不同的模型结构,有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时,常可用两点法直接求取对象参数。

如图2所示,设水箱的进水量为Q 1,出水量为Q 2,水箱的液面高度为h ,出水阀V 2固定

于某一开度值。根据物料动态平衡的关系,求得:

在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得:

式中,T 为水箱的时间常数(注意:阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数),T=R 2*C ,K=R 2为过程的放大倍数,R 2为V 2阀的液阻,C 为水箱的容量系数。令输入流量Q 1(S )=R O /S ,R O 为常量,则输出液位的高度为:

当t=T 时,则有:

h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e -t/T )

当t —>∞时,h (∞)=KR 0,因而有 K=h (∞)/R0=输出稳态值/阶跃输入

式(1-2)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如下图所示。当由实验求得下图所示的 阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%

所对应时间,

就是水箱的时间常

数T,该时间常数T

也可以通过坐标原

点对响应曲线作切

线,切线与稳态值交

点所对应的时间就

是时间常数T,其理

论依据是:

上式表示h(t)若以在原点时的速度h(∞)/T 恒速变化,即只要花T秒时间就可达到稳态值h(∞)。

2、单回路控制系统PID调节

如图3所示,被控量为上水箱的液位高度,实验要求水箱的液位稳定在给定值上。液位变送器检测到的上水箱液位信号作为反馈信号,在与给定量比较后的偏差值通过调节器PID运算输出来控制电动调节阀的开度,以达到控制水箱液位的目的。

五、实验内容和步骤

(一)单容上水箱对象特性测试

1、设备的连接和检查:

(1)关闭阀14,将AE2000A 实验对象的储水箱灌满水(至最高高度)。

(2)首先打开手动阀阀1、阀4、阀7、阀15,然后将自动/手动切换开关打到手动方式上,在手动操作面板上打开主阀门电磁阀、电动调节

阀(并给予电动调节阀一些开度)、上水箱阀门电磁阀,一切准备好

后再打开增压泵的电源开关。

关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。

(3)打开上水箱的出水阀:阀7至适当开度。

(4)检查电源开关是否关闭

2、对象管路图:

阀14

增压泵、电动调节阀和各个手动阀、电磁阀所处状态:

1)手动阀:阀1、阀4、阀7、阀15均应处于打开状态,其它手动阀均关闭。2)手动操作面板钮子开关状态:

其它电磁阀均处于关闭状态。

3、系统连线图:

图4 实验接线图

1)如图4所示:将I/O信号接口面板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF 位置。

2)将上水箱液位+(正极)接到任意一个智能调节仪的1端(即RSV的+极),上水箱液位-(负极)接到智能调节仪的2端(即RSV的负极)。

3)将智能调节仪的4~20mA输出端的7端(即+极)接至电动调节阀的4~20mA 输入端的+端(即正极),将智能调节仪的4~20mA输出端的5端(即-极)接至电动调节阀的4~20mA输入端的-(即负极)。

4)电源控制板上的三相电源、单相Ⅰ、Ⅱ的空气开关打在关的位置。

5)电动调节阀的~220V电源开关打在关的位置。

6)智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。

7)增压泵电源开关打在关的位置。

4、启动实验装置

1)将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源上。

2)打开电源三相带漏电保护空气开关,电压表指示380V。

3)打开总电源钥匙开关,按下电源控制屏上的启动按钮,即可开启电源。

5、实验步骤

A.对象特性测试

1)开启电动调节阀开关、智能仪表开关,并将智能仪表输出方式设为手动输出,初始值为0。

2)启动计算机MCGS组态软件,进入实验系统相应的实验如图5所示:

图5 实验软件界面

3)双击设定输出按钮,进行设定输出值的大小,或者在仪表手动状态下,将仪表的输出值上升到所想设定的值,这个值根据阀门开度的大小来给定,一般初次设定值<25。开启增压泵电源开关,启动动力支路,液位逐渐上升,可以通过调节阀7或者智能仪表输出大小,将被控参数液位高度人为手动控制在某一高度。(最好不要超过15cm,以免后续实验液位溢出)

4)观察系统的被调量:上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡,应记录调节仪输出值,以及水箱水位的高度h1和智能仪表的测量显示值并填入下表。

5)迅速增加仪表手动输出值,增加5%的输出量,记录此引起的阶跃响应的过程参数,均可在上位软件上获得,以此数据绘制变化曲线。

6)直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据,并填入下表:

注意事项:

(1)做对象模型测试实验过程中,上水箱出水阀不得任意改变开度大小。阶跃信号不能取得太大,以免影响正常运行;但也不能过小,以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

(2)在输入阶跃信号前,过程必须处于平衡状态。

当做完对象特性测试实验后退出运行环境,重新进入并选择软件中的实验四-上水箱液位PID整定实验。

B.液位定值PID整定控制

当一个单回路系统组成好以后,如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后,系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之,用比例(P)调节器的系统是一个有差系统,比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小,而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分(PI)调节器,由于积分的作用,不仅能实现系统无余差,而且只要参数δ,Ti调节合理,也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分(PID)调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D的作用,从而使系统既无余差存在,又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。在单位阶跃作用下,P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图6中的曲线①、②、③所示。

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