A3000过程控制实验指导
第一章A3000高级过程控制实验系统概述
本章介绍A3000高级过程控制实验系统整个测试平台的构成。A3000包括物理硬件系统以及配置的软件系统。
第一节总体架构
A3000测试平台总体物理系统如图1.1所示，包括控制系统和现场系统，控制系统可有30多种，现场系统可具有现场总线。总体逻辑结构如图1.2所示。
图1.1 Au3000测试平台物理系统
图1.2 总体逻辑结构
图1.3 现场系统结构示意图
A3000现场系统特性：
? 尺寸：1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度），全不锈钢框架； ? 电力：三相接地四线制380V 0%，单相三线制，220V 10%； ? 能耗：最大额定用电6kw/h 。自来水120L ，可重复使用； A3000控制系统特性：
? 尺寸：800(宽度)X60（深度）X1950（高度）。标准工业机柜； ? 电力：单相三线制，220V 10%； ? 能耗：最大额定用电1kw/h ；
第二节 测试平台现场系统
物理受控系统包括了测试对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器），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。下面使用示意图和流程图方式介绍现场系统的结构、原理、操作和维护。
系统必须可靠接地，以防止因动力设备静电积累而造成触电或设备损坏。 一
现场系统结构示意图
现场系统结构示意图如图1.3所示。
总体的测点清单如表1.1所示。表1.1 整体流程测点清单
序号位号或
代号
设备名称用途原始信号类型工程量
1 TE-101 热电阻锅炉水温Pt100 AI 0~100?C
2 TE-102 热电阻锅炉回水温度Pt100AI0~100?C
3 TE-103 热电阻换热器热水出口水温Pt100AI0~100?C
4 TE-104 热电阻换热器冷水出口水温Pt100AI0~100?C
5 TE-105 热电阻储水箱水温Pt100AI0~100?C
6 LSL-105 液位开关锅炉液位极低连锁干接点DI NC
7 LSH-105 液位开关锅炉液位极高连锁干接点DI NC
8 XV-101 电磁阀一支路给水切断光电隔离DO NC
9 XV-102 电磁阀二支路给水切断光电隔离DO NC
10 AL-101 告警光电隔离DO NC
11 FT-101 涡轮流量计一支路给水流量4-20mADC AI0~3m3/h
12 FT-102 电磁流量计二支路给水流量4-20mADC AI0~3m3/h
13 PT-101 压力变送器给水压力4-20mADC AI150kPa
14 LT-101 液位变送器上水箱液位4-20mADC AI 2.5 kPa
15 LT-102 液位变送器中水箱液位4-20mADC AI 2.5 kPa
16 LT-103 液位变送器下水箱液位4-20mADC AI 2.5 kPa
17 LT-104 液位变送器锅炉/中水箱右液位4-20mADC AI0~5kPa
18 FV-101 电动调节阀阀位控制4-20mADC AO 0~100%
19 GZ-101 调压模块锅炉水温控制4-20mADC AO 0~100%
20 U-101 变频器频率控制4-20mADC AO 0~100%
注：所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成了4～20mA。一般两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND，可以按照四线制方式使用。执行机构一般2～10V控制，控制信号经过500欧姆采样电阻被转换成4-20毫安控制。
二工艺设备结构和操作
本节通过大量的示意图介绍各个工艺设备的结构和操作，其中包括各个水箱、锅炉、换热系统以及管路。如图1.4所示
图1.4 现场系统示意图
1)上水箱
上水箱位于框架右上方，模拟一个工业上常见的卧式圆罐。水平方向的截面积在各个高度不同，中间最大，两端最小，具有典型的非线性特性。上水箱透视图如图1.5所示。
图1.5 上水箱透视图
2)中水箱
中水箱是一个结构复杂的容器。提供变容结构，以及水平多容结构。中水箱透视图如图1.6所示、中水箱顶视图如图1.7所示。
图1.6 中水箱透视图
图1.7 中水箱顶视图
变容的实现过程：
（1）将分隔闸板提得很高，例如2厘米以上，则中水箱左右两边容器合在一起，通过出水闸板控制出口流量。总截面积=中水箱左容器+中水箱右容器。
（2）将出口闸板提得很高，例如2厘米以上，通过分隔闸板控制出口流量。总截面积=中水箱左容器。
水平多容实现过程：
分隔闸板作为左右两边容器的导通流量控制，出水闸板控制右边容器出口流量。3)下水箱
下容器可以更换不同形状的出口闸板，从而改变系统特性，还可放入一个斜体，从而模拟倒锥形工业容器。下水箱透视图结构如图1.8所示，下水箱顶视图如图1.9所示。
图1.8
下水箱透视图
图1.9 下水箱顶视图
图1.10 常压电加热锅炉
4) 常压锅炉
锅炉是一个常压电加热锅炉，大气压力，没有高温。如图1.10所示。
5)换热系统
该换热器采用工业高效板式换热器。换热器具有一个冷水入口，一个冷水出口，一个热水入口，一个热水出口（热水和冷水的位置可以互换，但是出口和入口不能互换）。如图1.11所示。
图1.11 换热系统示意图
6)管路系统
管路系统如图1.12所示。通过该图可以了解各个阀门的位置，以及管道上的各个过程设备。
图1.12 现场对象系统管路
三过程和电气设备结构和操作
本节介绍仪器仪表以及执行器等产品的结构和操作方法。
1)温度检测设备
●温度传感器为PT100，采用三线制，如图1.13所示。
图1.13 PT100温度传感器
●温度变送器为两线制，24V直流供电。如图1.14所示。
图1.14 PT100温度变送器接线原理图
2)压力和液位检测设备
?参考手册：《扩散硅压力/液位变送器使用说明书》
可以采用扩散硅压力/液位变送器，也可以选择电容式或者应变电阻式。压力变送器如图1.15所示。
图1.15 压力变送器
图1.16 压力/液位变送器量程调节示意图
图1.17
涡轮流量计 图1.18 涡轮流量计接线图
图1.19 涡轮流量计拆卸操作
压力/液位变送器包括一个表头，表头两侧都有盖子。打开盖子，一侧用于接线，另一侧可以调节零点或满量程，如图1.16所示。
3) 流量检测设备
现场系统一般包括一个涡轮流量计和一个电磁流量计。 A 、涡轮流量计
? 参考手册：《LWGY/LWGB/LWY 型涡轮流量计使用说明书》。
涡轮流量计管道里有一个叶轮随着流动液体转动，通过霍尔效应产生脉冲，然后进行F/I 转换为4~20mA 信号。涡轮流量计如图1.17所示，其接线如图1.18所示。
涡轮流量计如果堵塞，则需要拆卸清洗，拆卸如图1.19所示。使用一个铁片拧下涡轮两边的外丝，取出涡轮进行清洗。注意安装时不能太紧。
B、电磁流量计
?参考手册《中文电磁流量计转换器用户手册》、《中文电磁流量计传感器使用说明书》电磁流量计利用法拉第电磁感应定律来测量流量。电磁流量计如图1-20所示。
图1.20 电磁流量计
注意：不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。加电几分钟后才能获得准确数值。
电磁流量计接线图如图1.21所示。
图1.20 电磁流量计接线图
注意：只连接220V电源L和N线、信号“4-20毫安”输出以及“输出地“
4)变频器接线和操作
变频器采用三菱的FS520S变频器，或者采用西门子的MM420变频器。变频器控制水泵P101。由于变频器响应快速，所以控制时间会短一些。
A、三菱变频器
?参考手册：《三菱变频器FR-S500使用手册（基本篇或高级篇）》
三菱变频器如图1.22所示。
图1.22 三菱变频器
即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装、维护等工作。变频器拆卸如图1.23所示、变频器接线如图1.24所示。在把STF 启动拨动开关断开后，可以设置到面板控制模式，通过旋钮进行频率设定。面板如图1.25所示。
图1.23 变频器安装拆卸示意图
图1.24 三菱变频器接线图
图1.25 变频器操作面板
变频器操作模式有多种：
?模式Pr79为模式0，切换PU操作或外部操作。
?模式Pr79为模式1，只执行PU操作。
?模式Pr79为模式2，只执行外部操作。
?模式Pr79为模式3，用设定旋钮进行4-20mA频率设定，STF，STR启动。
?模式Pr79为模式4，外部端子信号（多段速，DC0~5V等），RUN键启动。
最常用的操作模式有两种：
模式0通过PU键切换到PU操作，然后通过旋钮设定频率，按RUN钮启动。
模式3 4-20毫安操作选择，通过启动开关启动，然后加入外部4-20毫安控制。调试与操作步骤：
(1) 面板操作
变频器上电，液晶屏显示：
断开STF和SD的连接(启动旋钮)，按键
设置PU操作模式，PU显示灯亮
旋转直到显示为希望的频率值(设30)，约5秒闪灭。
在数值闪灭期间，按SET键，设定频率数值。
闪烁3秒后，显示屏回到0.0显示状态，按RUN键运行。
按键，变频器停止工作。
(2) 4～20mA电流控制
首先断开STF和SD的连接(启动旋钮)，按键，进入参数设定模式，拨动选择参数Pr.79(操作模式选择)，设定为3。输入一个4～20mA电流信号到变频器的4、5号端子，启动旋钮设置到ON位置，水泵运转。改变输入的电流值，可以看到输出的频率也改变了。调试完，将参数Pr.79设为0。
B、西门子变频器
?参考手册：《MICROMASTER 420通用型变频器操作说明书》、《MICROMASTER PROFIBUS Optional Board》
现场系统上的西门子变频器一般包括三个部分：变频器主体、BOP面板、DP接口。其中BOP面板和DP接口不是必须的。如图1.26所示。
图1.26 西门子变频器DP模块如图1.27所示。
图1.27 西门子变频器DP模块
西门子BOP面板如图1.28所示。
图1-28 西门子变频器BOP面板
西门子BOP面板包括一个液晶显示屏，8个按钮。其中左上角是运行启动按钮，左下角是停止按钮。具体功能如下：
按钮功能功能说明
状态显示LCD显示变频器当前的设定值
起动变频器按此键起动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操作有效，应设定P0700 = 1
停止变频器OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车。缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作应设定P0700 = 1。
OFF2：按此键两次(或一次，但时间较长)电动机将在惯性作用下自由停车。此功能总是“使能”的。
改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号(－)表示或用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定P0700= 1。
电动机点动在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。
浏览辅助信息变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值(在变频器运行中，从任何一个参数开始)：
1. 直流回路电压（用d表示–单位：V）
2. 输出电流（A）
3. 输出频率（Hz）
4. 输出电压（用o 表示–单位：V）
5 由P0005选定的数值(如果P0005选择显示上述参数中的任何一个(3，4，或5)，这里将不再显示)。连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。跳转功能在显示任何一个参数(rXXXX 或PXXXX)时，短时间按下此键将立即跳转到r0000，如果需要，您可以接着修改其它的参数。跳转到r0000 后，按此键将返回原来的显示点。
访问参数按此键即可访问参数
增加/减少数值按此键即可增加/减少面板上显示的参数数值。
一些重要参数的含义：
P0010开始快速调试
?0 准备运行
? 1 快速调试
?30 工厂的缺省设置值
P0700 选择接通/ 断开/ 反转(on / off / reverse)命令源
?0 工厂设置值
? 1 基本操作面板(BOP)
? 2 模拟量输入端子/ 数字量输入
? 6 来自总线命令。如果使用Profibus 总线，则需要设置这个参数。注意要
P0917=0。
P1000 选择目标频率设定值来源
?0 无频率设定值
? 1 用BOP 控制频率的升降
? 2 模拟设定值
? 6 来自总线命令。如果使用Profibus 总线，则需要设置这个参数。注意要
P0917=0。
P0004参数过滤器
? 2 变频器
? 4 PI 比例积分控制器
?10设定值通道和斜坡函数发生器
?20 通讯
?22 变频器PID控制参数
P0003 参数访问级
变频器的参数有 4 个用户访问级，即标准访问级，扩展访问级，专家访问级和维修级。访问的等级由参数P0003 来选择。对于大多数应用对象，只要访问标准级(P0003 =1)和扩展级(P0003=2)参数就足够了。如果使用总线控制，可以使用P0003=3，具有更高等级就可访问更多参数。
P0970 复位到原厂默认值
常用操作模式有三种：
◆BOP 面板操作：一般先P0010=30，P970=1，把其他参数复位，然后设定P0010=0、
P0700=1、P1000=1。
◆4-20 毫安控制：一般先P0010=30，P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、
P0700=2、P1000=2。
◆Profibus总线控制：一般先P0010=30，P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、
P0700=6、P1000=6。具体操作请参考多媒体系统。
在设定好之后，并不一定需要开启正转启动钮子开关，而是可以通过P0700的不同设置来启动，例如面板，或者总线命令。
调试和操作步骤：
调试在基本状态下，按键进入参数设置状态。按或键，直到显示P0700(其值为1时才能启用BOP面板控制)，按键，显示其参数值，按或键，修改其参数值为1，再次按键设定参数。
同以上操作，修改P0003和P0004参数值为2。
修改P0010参数值为1，进入快速调试模式。
设定P1000参数值为1，表示用BOP操作面板控制。
设定P1080和P1082参数值，分别为设置电动机频率的最小值(0 Hz)、最大值(50Hz)。
以上几个参数设置顺序可颠倒，设置完后，应将P0010设为0，进入准备运行状态。
按或键，直到显示，按启动键，显示数值从0变化到5，此时变频器已启动，按键，设定频率为30～50之间，可听到继电器变化，若将水泵插线头接上，可以启动水泵。
我们使用Profibus 面板进行控制，使用PPO1 数据结构。这是最简单的控制方式。具体操作请参考文件MM4_Profibus_Eng.pdf。
频率对应的数值，0-0Hz，16385-50.00Hz，可以提供如下转换公式：
A V：=REAL_TO_WORD(16385*IN/50)；IN是目标频率，A V为要输出的数值。
西门子变频器不需要增加任何硬件就可以进行BOP面板操作，可以进行4-20mA 控制，也可以使用PROFIBUS-DP总线控制。
西门子变频器单相电源接线方式如图1.29所示。特别的是：
（1）本系统使用了变频器输出端子U、V、W中的U、V两相，电压为220V。（2）启动端使用了变频器的STF功能，其控制线接端子5和8。
（3）速度调节控制线接端子3和4，2-10V控制，并500欧姆电阻后为4-20mA控制。（4）变频器的Profibus DP 模块采用外部24V直流电源供电。
即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装工、维护等工作。
注意：变频器的控制电缆，电源电缆和与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离，不要把它们放在同一个电缆线槽/电缆架上。信号电缆不要和变频器电缆并行过长。
图1.29 MICROMASTER 420变频器
面板拆卸示意如图1.30所示。按下卡子，把面板向外拉即可。
图1.30 西门子面板拆卸操作
5)调节阀接线和操作
?参考《调节阀使用说明书》
调节阀特性：单座阀，螺纹连接，线性流量。调节阀外观如图1.31所示，接线及内部跳线请参照《调节阀使用说明书》。
图1.31 电动调节阀
6)调压模块接线和操作
调压模块外观如图1.32所示。如果采用电压控制，则从4号端子的CON端输入2-10V。如果采用电流控制则从3号端子输入4-20mA。调压器到加热管采用380V三相交流供电，用三角接法。
图1.32 调压模块
四控制箱操作
现场电气控制箱面板如图1.33所示。
图1.33现场电气控制箱面板
?三相剩余电流保护器，合上该空气开关才能给锅炉加热。?单相剩余电流保护器，合上该空气开关所有设备才能上电。?三相电源指示灯，三相电供电时亮起。
?单相电源指示灯，单相电供电时亮起。
?对象顶部照明电灯旋钮开关。
?水泵1#的变频器供电旋钮开关，打开变频器电源。
?水泵2#供电旋钮开关，打开水泵电源。
?变频器正转启动旋钮开关。
?电压表，调压模块输出端电压指示。
?变频器。