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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
1
FV101
电动调节阀
阀位控制
2~10VDC
AO
0~100%
2
LT103
压力变送器
下水箱液位
4~20mA
AI
0~50cm
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
1
U101
变频器
水泵控制
4~20mA
AO
0~50Hz
2
LT103
压力变送器
水箱液位
4~20mA
AI
0~50cm
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,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)。
2.5实验结果
整理实验趋势曲线,记录合适的PID值,写实验报告。
2.6实验思考
变频器有几种工作模式,在相应模式下如何操作。
实验三锅炉动态水温度PID单回路控制
3.1实验目的
了解温度控制原理,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。
3.2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。
3.3实验设备及系统组成
1、实验设备:
A3000对象系统
(1)泵
(2)调压模块:
工作电源220VAC,控制信号2-10VDC,输出电压:
0-220VAC。
(3)温度传感器:
量程为0-100度,输出信号4-20mA。
2、系统组成
锅炉水温PID单回路控制流程图如图10-1所示
图10-1锅炉水温PID单回路控制
3、测点清单
测点清单如表10-1所示:
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
GZ101
调压模块
加热棒电压控制
4~20mA
AO
0~50Hz
2
TE101
温度变送器
锅炉温度
4~20mA
AI
0~3m3/h
表10-1锅炉水温PID单回路控制测点清单
水介质由泵P101(变频器U101驱动)从水箱V104中加压获得压头,当锅炉内的水量达到测试需要的高度后,关闭手阀QV115,打开手阀QV114,从而使锅炉、水泵P101构成一个循环回路;其中,锅炉的温度由TE101测得。
本例为定值自动调节系统,可控硅GZ101功率为操纵变量,TE101为被控变量,采用PID调节来完成。
为了加热均匀,我们使用动态循环水,把锅炉的水搅动起来。
另外电加热管功率为4.5KW,加热过程相对较快,散热过程相对较慢。
实验前手阀打开关闭情况:
需要打开的手阀:
QV115、QV111、QV112;
需要关闭的手阀:
QV103、QV113、QV114;
3.4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、依照实验内容,选择合适水流管路。
3、控制柜上电,启动变频器和水泵P101(变频器使用面板操作模式,全部为50Hz)。
4、将锅炉的水装至中间高度。
一定要超过最低液位,例如联锁保护灯亮起。
然后关闭水泵P2。
5、打开阀QV114,关闭阀QV115。
6、在控制系统上,将IO面板上锅炉温度(TE101)连到控制器AI0,调压器(GZ101)控制端连到控制器AO0。
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,则必须按照已经接线的通道来编程。
7、启动变频器和水泵P101,变频器频率设定到面板操作,全部为50Hz。
8、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆,启动控制系统。
9、启动计算机,启动组态软件,进入实验界面。
10、投入现场系统三相电源。
系统投入运行以后,锅炉的水处于循环状态
11、启动调节器,把调节器切换到自动控制。
12、设置PID控制器参数,可以使用各种经验法来整定参数。
3.5实验结果
整理实验趋势曲线,记录合适的PID值,写实验报告。
3.6实验思考
温度PID控制在实际应用中有哪些领域。
实验四流量比值控制实验
4.1实验目的
了解流量比值的工作原理,熟悉上位机组态王的组态及通讯。
通过实验,掌握比值算法。
4.2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。
4.3实验设备及系统组成
1、实验设备:
A3000对象系统
(1)泵
(2)电动调节阀:
工作电源24VAC,控制信号2-10VDC;
(3)涡轮流量计:
量程为0-3m3/h,输出信号4-20mA;
(4)变频器:
工作电源220VAC,控制信号4-20mA,输出电源220VAC。
2、系统组成
流量比值控制流程图如图12-1所示
图12-1流量比值控制
3、测点清单
测点清单如表12-1所示:
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
FV101
电动调节阀
阀位控制
4~20mA
AO
0~50Hz
2
FT101
涡轮流量计
管道流量
4~20mA
AI
0~3m3/h
3
FT102
涡轮流量计
管道流量
4~20mA
AI
0~3m3/h
表12-1流量比值控制测点清单
水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头,经流量变送器、调节阀FV101或XV101后进入水箱V103,通过手阀QV116回流至水箱V104而形成水循环;水介质由泵P101从水箱V104中加压获得压头,经流量变送器后进入水箱V103,通过手阀QV116回流至水箱V104而形成水循环;其中,泵的转速影响管路液体流量FT101的大小,电动调节阀开度影响FT102的大小。
本例为定值自动调节系统,FV101为操纵变量,FT102为被控变量,采用PID调节来完成.
需要全打开的手阀:
QV115、QV111、QV106、QV102、QV105、QV116;
需要全关闭的手阀:
QV101、QV114;
4.4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面板的二支路流量输出连接到AI0,将IO面板的一支路流量输出连接到AI1,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。
启动水泵P102和调节阀。
变频器面板操作,启动P101。
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,设置到手动状态,把输出值设定到比较大的状态,同时检测流量计的流量测量。
经过1分钟后,流量计测量准确后开始测试。
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、可以使用各种经验法来整定参数.
4.5实验结果
整理实验趋势曲线,记录合适的PID值,写实验报告。
4.6实验思考
是否可以做实验流量与压力比值实验呢。
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