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2-1 A3000现场实物图

图2-2 A3000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

? 电源：220V AC单相总电源空开，380V AC三相总电源空开。

? 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。

? 电压表：显示24VDC开关电源的电压值。

? 变频器：对于A3000FBS系统，则具有Profibus DP控制端子。

? 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：

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：QV116 0.5cm。

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0-220VA C。

（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

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Q V26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：QV116 0.5cm。

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：0-220V AC。

（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：

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（G Z101）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：

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。