1、湖南工程学院系统综合训练报告课题名称 过程控制系统 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2007 年 4 月 1 日目 录前言1一 实训装置介绍1 二 液位系统介绍4三 调试结果与调试说明114.1 调试说明：114.2 调试结果12五实训心得13前言过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。他它在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等连续型工业生产中，在实现生产过程，提高生产质量与劳动生产率，改善生产条件，保护生态环境，优化各种技术经济指标等方面起着重要的作用。随着现代科技技术的迅速发展，过程控制在生产过程自动化中得到越来越广泛的应用。自动化水平已成为衡量各行各业的现代水平的一个重要志。过
2、程控制系统一般是指工业生产过程中自动控制系统的被控系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成分等变量的系统。对生产工艺流程进行监控控制就是过程控制。一般是讲自动化仪表的自动执行机构的，涉及自动控制理论，传感器等的综合专业课。 随着工业技术的更新，特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、物位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”系统。过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且已成为新建的规模大、结构复杂的
3、工业生产过程中不可缺少的组成部分。随着计算机控制装置在控制仪表基础上的发展，自动化控制手段也越来越丰富。其中有在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表控制系统、智能仪表加计算机组态软件控制系统、计算机 DDC 控制系统、PLC 控制系统、DCS 分布式集散控制系统、FCS 现场总线控制系统等。一、实训装置介绍“THJ-2 型高级过程控制系统实验装置”由过程控制实验对象系统、智能仪表控制台及上位监控 PC 机(用户自备)三部分组成。1过程控制实验对象系统实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；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
4、锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。系统动力系统有两套：一套由三相（380V 交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计等组成;另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮流量计等组成。整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板，甚至小到每一颗紧固螺钉。2对象系统中的各类检测变送及执行装置(1) 扩散硅压力变送器三只：分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位；(2) 涡轮流量计三只：分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量；(3) Pt100 热电阻温度传感器六只：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温；(4) 控制模块：包含三
5、相可控硅移相调压装置、电磁阀、电动调节阀、三菱变频器各一个；(5) 接触器位式控制装置、三相 380V 不锈钢磁力驱动泵、三相 220V 不锈钢磁力驱动泵。3仪表控制台智能仪表控制台由三部分组成：（1） 电源控制屏面板：提供实验所需的三相四线380V、三路单相220V 电源，总电源由三相钥匙开关控制，电网电压由三只指针式交流电压表监示，三相带灯熔断器作为断相指示。设有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。另外，还设有定时器兼报警记录仪，为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。（2）仪表控制面板：由变频调速器面板，AI/818A 智能调节仪面板，AI/708A 智能位式调节仪面板
6、，解耦装置，比值器/前馈反馈装置组成，各装置接线端子通过面板上的插座引出。还可根据用户需要配置远程数据采集智能模块、S7-200 西门子可编程控制器等。（3）I/O 信号接口面板：将各传感器检测及执行器控制信号同面板上的插座相连，便于学生自己连线组成不同的控制系统。学生通过对对象系统进行不同的组合，结合不同的实验目的，可进行几十种过程控制实验。4上位监控 PC 机(用户自备) “THJ-2 型高级过程控制系统实验装置”配置一台上位监控PC 机，PC 机上安装有工控组态软件(MCGS、组态王可选)，通过RS232/485 转换器、仪表控制台侧面的 RS485 总线接口与所有的仪表进行通讯。学生可
7、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，各实验都设有动态变化棒图显示和实验指导。5系统主要特点1.被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数2.执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器、晶闸管移相调控等电力拖动类执行器3.系统除了改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动4.一个被调参数可用不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣5.能进行多变量控制系统及特定过程控制系统实验6.各种控制算法和调节规律
8、在开放的实验软件平台上都可以控制7.实验数据及图表在 MCGS 软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析以上为“THJ-2 型高级过程控制系统实验装置”基型产品，上位机控制还有下列扩展系列：THJ-2 型 DCS 分布式过程控制系统THJ-2 型 S7-300 PLC 过程控制系统THJ-2 型三菱 PLC 过程控制系统THJ-2 型远程数据采集过程控制系统THJE-1 型以 太 网 分 布 式 过 程 控 制 系 统THJE-2 型 嵌 入 式 以 太 网 分 布 式 过 程 控 制 系 统二、液位系统介绍由于工程实训只有短短的一周时间，所以实训期间重点了解了 THJ-2
9、 型液位系统。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低。在工业生产过程自动化中，需要对某些设备与容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测了解容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调容器中输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节所需要的物料或进行经济核算；通过液位的测量，了解生产是否正常运行，以便及时监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。这次我们的工程实训是单容水箱液位的控制，PID 调节被控参数的选择；在生产过程中，有的控制参数的选择是很明显的，如锅炉水位控制系统，控制参数只能选给水量。但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数可供选择，着就需要通过分析比较不同的控制通道和不同的扰动通道对控制
10、质量的影响而作出合理的选择。所以正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的问题。这次贮槽液位控制系统选择水箱内的液位作为被控参数。从液位贮罐的生产过程来看，影响液位有两个量，一是流入贮槽的流量，二是流出贮槽的流量。调节这两个流量的大小都可以改变液位的高低，选择流入量为控制参数更合理一些。 一个完整的过程控制系统包括：控制对象、检测装置、执行装置、控制器。（1） 被控参数贮槽液位控制系统选择水箱内的液位作为被控参数。（2）控制器一般言之，用比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度 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
11、系统无余差，而且只要参数 ，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） 。如上所述我们设计的水箱液位控制系统根据工艺要求，液位温度保持恒定，精度要求比较高，所以该系统要采用比例积分（PI）控制；由于水位控制系统滞后比较大，故必须采用比例微分（PD）控制。因此我们采用比例积分微分（PID）控制。它是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的
12、场合。如温度控制、成分控制等。贮槽液位控制系统是一个单回路的闭环控制系统，控制要求的精度较高，因此可采用 PID 控制规律。（3）电动执行器电动执行器是调节系统中的一个重要部分。它接收来自调节器的 420mA 的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。电动执行器有角行程、直行程和多转式等类型。角行程电动执行机构以电动机为动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移，这种执行机构适用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式调节阀。直行程执行机构接收输入的支流电流信号后，使电动机转动，然后经减速器减速并转换为直线位移输出，去操纵单座、双座、三通等各种
13、调节阀和其他的直线式调节机构。多转式电动执行结构主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门，由于它的电机功率比较大，最大的有几十千瓦，一般多用作就地操作和遥控。我们使用的执行器是：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：010mA/420mADC/05VDC/15VDC输入阻抗：250/500输出信号：420mADC输出最大负载：500信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0100%间的任意值电源：220V10%/50Hz （4）扩散硅压力液位变送器扩散硅压力液位变送器用来实现贮槽液位的测量和变送工作原理：当被测介质（液体）的压力
14、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 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 420mA 标准电流输出信号。接线如图 1 所示。芯 片 运 放 电 源14 36V红白 /蓝 mA负 载250欧 /50欧 1 5V/0.2 1图 1 压力液位传感器接线图接线说明：传感器为二线制接法，它的端子位于中继管内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源 24V+接红线，白线/蓝线接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接 24V-。传感器输出420mA 电流信号，通过负载电阻 250/50 转换成电压信号。当负载电阻接 250 时信号电压为 1
15、5V，当负载电阻切换成 50时信号电压为 0.21V。变送器的调试：1. 先将变送器安接线图正确接线。2. 旋开变送器后盖即可看到零点和满量程调节电位器，如图 1.2-3。3. 调整步骤：a将压力液位变送器装于实验台上通电预热 15 分钟后，再进行调整。b将变送器施加下限值压力，调整零位调节电位器使其输出为 4mA（接 250 负载电阻后为 1V） 。c将变送器施加上限值压力，调整满度调节电位器使其输出为 20mA（接 250 负载电阻后为 5V） 。d反复 b、c 两个步骤，直到使变送器输出达到规定的要求。（5）远程数据采集模块 ICP-7017、ICP-7024 面板控制台由喷塑钢板作为框
16、架，以防火材料为桌面板，桌底装有滚动轮子和固定地盘，外观优美，耐用结实。在这次工程实训中我们用到远程数据采集模块 ICP-7017、ICP-7024 面板。1. ICP-70178 通道模拟量输入模块。表 1 为 ICP-7017 的技术指标。面板如图 2 所示， ICP-7017 模块 24V 供电，面板上提供了4 通道的输入端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持 485 通讯。表 1ICP-701远 程 数 据 采 集 模 拟 量输 入 模 块 电 源开 关RS485模 拟 量 (电 压 型 1 5V） 输 入 通 道A/I0+-A/I1+-A/I2+-A/I3+-abc
17、d图 2 ICP-7017 面板图中，a：电源开关；b：RS485 接口；c：ICP-7017 模块；d：4 通道的输入接口。2. ICP-70244 通道模拟量输出模块。表 2 为 ICP-7017 的技术指标。 表 2面板如图 3 所示，亚当 ICP-7024 模块 24V 供电，提供了 4通道的输出端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持 485 通讯。ICP-7024远 程 数 据 采 集 模 拟 量输 出 模 块 电 源开 关RS485模 拟 量 (电 流 型 4 20mA） 输 出 通 道A/O0+-A/O1+-A/O2+-A/O3+-abcd图 3 ICP-702
18、4 面板图中，a：电源开关；b：RS485 接口；c：ICP-7014 模块；d：4 通道的输出接口。该系统为单输入单输出过程控制系统，结构简单只采用了一个测量变送器监测被控过程，一个调节器来保持一个被控参数恒定在很小的范围内变化，其输出也只控制一个调节阀，故采用单回路控制系统。其单回路控系统框图如下图所示：图 4 单回路控制系统框图上图为单回路水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是
19、一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统调好好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。由上图可知把给定值经过 A/D 转换成数值量，输入给 PID 控制器，计算结果（数字信号）再由 ICP-7024 输出模块（ D/A 转换），将数字信号转换成模拟控制信号输出给电动调节阀，从而调节水箱内液位，液位的高度由液位变压器检测出，经 ICP-7017 输入模块（A/D 转换）转换
20、成反馈值给 PID 控制器进行进一步条整，如此循环直至水箱的液位稳定在给定值。四调试结果与调试说明4.1 调试说明调试前先对设备进行检查，检查完毕后进行接线如图 10 所示，然后启动实验装置。图 10 上水箱液位 PID 参数整定控制接线图启动计算机 MCGS 组态软件，进入实验系统选择相应的实验界面，如图 8 所示，打开电动调节阀和单相电源泵开关，开始调试。设定给定值 20，调整比例系数（K） ，待系统稳定后，在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为 0，观察被控制量是否能回到设定值，选择合适的 K和 Ti 值。在积分调节控制实验的基础上，再引入适量的微分作用
21、，即把软件界面上设置微分时间（Td）参数，选择合适的 K、Ti 和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。4.2 调试结果这次工程实训的调试中我经过多次调试得到了下面两个较为满意的曲线图，其中个值显示为“设定值SV：10” 、 “测量值PV：10 ” 、“输出值OP：12.2” 、 “比例系数K：18” 、 “积分时间Ti：95”、 “微分时间Td：0” 。五实训心得我的课题是单容水箱控制系统。经过沈老师一周的的悉心指导，我们完成了单容水箱控制系统这个课题的工程实训。虽然只有短短的五天，但是在这五天里，在沈老师的精心指导下，我不仅增长
22、了见识，而且还对单容水箱控制系统的工作原理和在实践中的广泛应用等都有了深入的了解。在工程实训的每一天里，感觉自己就像真的站在自己的工作岗位上一样。面对一个可以说是非常具有实用功能的领域，开始是充满着神秘感，也感到很多东西的不解。但通过查阅大量相关资料和老师的悉心指导，我了解了单容水箱控制系统的基本原理，它以后的广泛应用。作为高新技术、基础技术、已经渗透到经济领域的所有技术部门中。通过对单容水箱控制系统的实验，我逐渐了解了它的工作原理，更进一步地掌握了它的使用方法。通过此次工程实训，锻炼了我分析问题与解决问题的能力，提高了我的学习能力以及掌握了用所学知识解决工程实际问题的方法，同时也学到了很多新的知识，开阔了视野。最后衷心感谢沈老师在整个实训过程中耐心的指导。电气与信息工程系系统综合训练评分表项 目 评 价硬件测试或软件调试情况 完成任务情况独立工作能力组织纪律性（出勤率）报告质量综合评分指导教师签名：_日 期：_
