PDF《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.

2 THSA-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.

3 THSA-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1-7 S7-200PLC 控制系统框图 图1-8 S7-300PLC 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 (Monitor and Control Generated System)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 Microsoft Windows95/98/NT/2000 等操作系统. MCGS 5.1 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 MACS Ⅱ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........