华电控制仪表及装置课设

课程设计报告( 2013- 2014年度第二学期)名 称： KMM组态及控制系统调试 题 目： 除氧器水位单回路控制系统 院 系： 科技学院动力工程系 班 级： 自动化 11 k 1 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 1 周 成 绩： 日期：2014年07月03日控制装置与仪表课程设计任 务 书一、 目的与要求认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。1 了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。2 掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。3 初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。二、 主要内容1 按选题的控制要求，进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA图表示出来。2 组态设计21KMM组态设计以KMM单回路调节器为实现仪表并画出KMM仪表的组态图，由组态图填写KMM的各组态数据表。22组态实现在程序写入器输入数据，将输入程序写入EPROM芯片中。3 控制对象模拟及过程信号的采集根据控制对象特性，以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路，模拟控制对象的特性。将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，以便进行观察和记录。4 系统调试设计要求进行动态调试。动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。动态调试一般包括以下内容：1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；3）对控制回路进行在线整定；4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，要重新组态下装。三、 进度计划序号设计(实验)内容时间备注1阅读理解课程设计指导书的要求，根据选题设计内容，小组讨论控制方案，进行SAMA图设计。确定小组负责人及每人的具体分工。 D1分组；确定小组负责人及每人的分工，列出名单；讨论控制方案。2根据KMM调节器组态要求，设计KMM组态图，填写KMM组态数据表。D2列出KMM组态数据表。3利用程序写入器输入组态数据，写入EPROM芯片。D3上实验室。4进行系统接线和调试D4-D5上实验室。5上机答辩考核检验设计结果。6撰写课程设计报告确定设计成绩（其中实验前准备工作占20%，实验考核内容占60%，设计报告占20%）。设计内容分工参考：小组每人均参与控制方案的设计，了解方案的KMM仪表实现方法、实验系统组成、系统调试和数据记录的过程。在此基础上小组成员可作如下具体分工：预习KMM程序写入器使用并具体进行EPROM芯片的制作（2人）；设计实验接线原理图，进行实验接线并熟悉掌握KMM面板功能及数据设定器使用（1-2人）；确定记录信号并利用工业控制信号转换设备进行记录信号的组态和实验曲线的打印工作（1人）。四、 设计（实验）成果要求1 完成系统SAMA图和KMM组态图，附出控制系统的调试曲线和控制参数。2 对系统设计过程进行总结，完成并打印设计报告。五、 考核方式1 按上述步骤逐项完成软件内容的设计，进行操作演示，控制结果满足要求，并进行问答。2 设计报告格式规范，内容详实。六、 选题参考 0 天燃气压力控制系统（设计书中实例）（控制系统特点：单回路控制方案；有自平衡能力正的被控对象） 1 除氧器水位单回路控制系统设计（提示：单回路控制方案；无自平衡能力正的被控对象） 2 炉膛压力系统死区控制系统设计（提示：单回路PID死区控制方案；有自平衡能力负的被控对象） 3 过热汽温串级控制系统设计（提示：串级控制方案；主、付对象均为有自平衡能力负的被控对象） 4 锅炉给水三冲量控制系统设计（提示：串级三冲量控制方案；被控对象为无自平衡能力正的被控对象） 5 风煤比值控制系统设计（提示：比值控制方案；被控对象设为有自平衡能力正的被控对象） 6 主汽压力前馈控制系统设计（提示：单回路前馈控制方案；被控对象为有自平衡能力正的被控对象） 学生姓名： 指导教师： 2014年7月3日一、课程设计(综合实验)的目的与要求1 了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA）。2 掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。3 初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。二、设计（实验）正文（一）设计实验设备KMM数字调节器、KMM程序写入器、PROM擦除器、控制系统模拟试验台（二）设计步骤 1 由控制要求画出控制流程图。对如图1所示的除氧器压力控制系统，要求对容器压力进行单变量定值控制。容器压力经压力变送器测量后，由KMM模入通道2送至调节器中。调节器输出AO1经电/气转换器控制气动式调节阀，控制容器压力。控制要求：当调节器的给定值SP和测量值PV之偏差超过给定的监视值（15%）时，调节器自动切换至手动（M）方式。在偏差允许的范围内（15%），允许切入自动（A）方式。2 确定对可编程序调节器的要求。控制系统要求一路模拟量输入（模入）通道输入压力信号，一路模拟量输出（模出）通道输出控制信号控制压力调节阀。而KMM具有5路模入通道、3路模出通道（其中第一路模出通道AO1可另外同时输出一路420mA电流信号），可满足本系统控制要求。3 设计控制原理图（SAMA图）。根据控制对象的特性和控制要求，进行常规的控制系统设计。并用SAMA图表达出控制方案。见图2所示。SAMA图例是由美国科学仪器制造商协会（Scientific Apparatus Makers Association）制订的标准功能图例，用于控制系统设计功能的表达。图例表示了最基本的功能，在设计使用时把某些功能图例组合在一起，表示某一功能块或显示操作器的功能，从而将全部控制功能表达出来。4绘制KMM组态图并填写KMM控制数据表用所采用的控制仪表制造厂商提供的控制图例和组态方法，在控制装置中实现控制策略。KMM的组态方式是填表式组态方法，要根据控制要求画出KMM组态图并由组态图按KMM数据表格式填写控制数据表，为制作用户EPROM作准备。(1)绘制KMM组态图图3是根据SAMA图绘制的KMM系统组态图。（2）根据KMM组态图填写控制数据表。KMM组态通过填入以下7个数据表格实现。基本数据表(F001-01-)项目代码设定范围代码数据省缺值EPROM管理编号指定的四位数0111150运算操作周期1、2、3、4、50222调节器类型0、1、2、30300PV报警显示PID编号1、20411调节器编号15005011上位计算机控制系统0、1、20600上位机故障时切换状态0、10700PROM管理编号：作芯片记号，指定一个四位数。运算操作周期：1100ms；2200ms；3300ms；4400ms；5500ms。调节器类型：01PID(A/M)1；1PID(C/A/M)；22PID(A/M)；32PID(C/A/M)。上位计算机控制系统：0无通信；1有通信（无上位机）；2有通信（有上位机）。上位机故障时切换状态：0MAN方式；1AUTO方式。输入处理数据表（F002-）项目代码设定范围代码模拟输入数据缺省值0102030405输入使用0、10110按工程显示小数点位置0、1、2、30211工程测量单位的下限值-99999999030.00.0工程测量单位的上限值-9999999904100.0100.0折线编号0、1、2、30500温度补偿输入编号0、1、2、3、4、50600温度单位0、10700设定（目标）温度-999999990800压力补偿输入编号0、1、2、3、4、50900压力单位0、11000设定（目标）压力-999999991100开平方处理0、11200开方小信号切除0.0100.0(%)1300数字滤波常数0.0999.9s140.10.0传感器故障诊断0、11501输入使用：0不用；1用。按工程显示小数点位置：0无小数；11位小数；22位小数；3三位小数。开平方处理：0直线；0开平方处理。开方小信号切除：给AI1AI5设定的开方信号切除值。传感器故障诊断：0无诊断；1诊断。PID数据表（F003-）项目代码设定范围代码PID数据缺省值0102PID操作类型0、10100PV输入编号150221PV跟踪0、10300报警滞后0.0100.0(%)0401.0比例带0.0799.9(%)0527100.0积分时间0.099.9min060.171.0微分时间0.099.9min070.00积分下限-200.0200.0(%)080.0积分上限-200.0200.0(%)09100.0比率-699.9799.9(%)10100.0偏置-699.9799.9(%)110.0死区0.0100.0(%)120.0输出偏差率限制0.0100.0(%)13100.0偏差报警0.0100.0(%)1410.0报警下限-6.9106.9(%)1500.0报警上限-6.9106.9(%)161000100.0PID操作类型：0常规PID；1微分先行PID。PV跟踪：定值跟踪功能，0无；1有。可变变量表可使用百分型可变变量20个，时间型可变变量5个。（F005-） 01(百分型) 02(时间型)代码数据代码数据010.00102100.0020315.003040.0040520百分型数据：缺省值为0.0；给定范围为：-699.0799.9%。时间型数据：缺省值为0.00min；给定范围为：0.0099.99min。输出处理数据表规定模拟输出信号和数字输出信号从哪个模块引出。（F006-）输出输出端代码连接的内部信号名称信号名代码01(模拟输出)AO101U4U0004AO2021SP1P0001AO30302(数字输出)DO101DO202DO303连接的内部信号缺省值为U0000。运算模块数据表用来规定模块的类型及模块相互之间的连接。（F1-）运算模块编号运算式H1输入信号H2输入信号P1输入信号P2输入信号名称编号信号名称代码信号名称代码信号名称代码 信号名称代码1PID1201SP1P0001AI2P0402U4U0004OFFP05022LLM11U1U0001PPAR1P01013HLM13U2U0002PPAR2P01024MAN19U3U00035DMS161SP1P0001AI2P0402PPAR3P0103PPAR4P01046NOT30U5U00057OR28MSWP1001U5U00058AND27ASWP1002U6U00069MOD45OFFP0502U7U0007U8U0008OFFP050210111230运算模块编号：由设计人员按模块调入顺序给出的序号。运算模块数据表参见教材：表4-1。模块输入端能用的内部信号参见教材：表4-2。5 掌握KMM程序写入器的使用方法并用程序写入器将数据写入EPROM中。根据数据表中所填写的代码和数据用KMM程序写入器进行编程。程序写入器的具体使用方法参见附录中说明。按表格次序逐项输入数据。程序输入并检查修改完毕后，按“WRIT”、 “ENT”键，将程序写入EPROM中。写入程序后的EPROM移插到KMM调节器的用户EPROM中，即可进行整机和系统调试工作。6 按控制系统模拟线路原理图接线。由运算放大器构成的反馈网络模拟控制对象特性，构成控制系统的模拟控制回路。系统原理接线图见图4所示。图中实线连线表示已接连线，有三条，分别是KMM（CZ6）端子3337（禁止外部联锁信号输入）、端子34（模拟通道1的电流输出构成闭合回路，以避免产生开路报警信号）和端子111（供电电源）。实验时需检查确认。弯虚线表示实验时需接连线，按图4逐条正确连接。模拟的控制对象采用由两个线性运算放大器构成的一阶滞后反馈环节串连构成，以加大对象的滞后时间。控制回路中测量值和设定值信号分别送入工业控制信号转换器中的A/D模拟量输入通道中进行显示和记录。运算放大器构成的是一阶滞后特性的反馈回路。运放的反馈网络是电阻和电容的并联，等效阻抗，输入网络的等效阻抗，这个放大器构成的闭环特性传递函数，设定，则。因此，这是一个滞后时间的一阶滞后环节。设计实验中选取，计算得这个滞后环节的滞后时间。因滞后时间较小，设计中将这样的两个环节串连而成。工业控制信号转换器是一个数据采集系统。本设计中输入系统的定值信号和测量值，可完成信号的数据存储、显示、打印等功能。7进行控制参数调整，对控制系统各项功能进行模拟测试并记录定值扰动控制曲线。（1） 上电准备。检查并确认接线正确；对内藏有“后备手操单元”的KMM，要预先将此单元的“后备/正常方式切换开关”（Standby/Normal made Switch）扳到“正常”（Normal）侧。对使用“预置（Preset）型后备手操单元”的场合，要预先设定好“预置（Preset）输出值”。（2） 通电。使调节器通电，初上电，调节器先处于“联锁手动”（Interlock Manmal mode）方式。（3） 运行数据的确认。用“数据设定器”来确认，对于运行所必需的控制数据、可变参数等是否被设定在规定值。必要时可进行数据的设定变更。（4） 按控制面板上的R（Reset，复位）按钮，解除 “联锁方式”后，调节器可进行输出操作、方式切换等正常的运行操作。（5） 组态工业控制信号转换设备的显示画面，以便记录调试曲线。（6） 通过“数据设定器”进行PI参数的调整，使控制品质达到控制要求。记录定值扰动10%时的动态过程曲线。8验收根据设计内容填写设计报告。设计实验报告姓名 专业、班级 自动化11K1EPROM编号1115学号 同组人 设计名称KMM组态及控制系统调试1 设计功能说明除氧器单回路水位控制系统依靠除氧器压力指示水位，将信号送入调节器中与给定信号进行偏差运算，根据偏差值进行PID运算后，进入低限和高限模块（LIM、HLM）后送入手动操作模块(MAN)，手动模块的输出必须接到AO1（AO1输出的控制信号是电流与电压信号，这样手动操作能直接控制输出），然后将AO1信号送回到PID模块的P1端子，这样就达到了手动与自动切换的无平衡无扰动的要求。手动与自动切换的要求是：当给定值与测量值偏差达大于15%是切回手动，或人为切回手动，由手动切回自动应满足两个条件偏差小于15%而且自动按钮处于工作状态。这样设计达到了手动与自动切换逻辑关系。另外，定值信号由A02输出。将定值、输出、测量信号送入A/D转换在CAE2000系统上进行仿真实验。2 PI参数比例带：=70；积分时间：Ti=0.453 记录曲线 如附图所示4 曲线分析 第一个峰值为3.89，第二个峰值为3.76。 稳态值为3.74 超调量：3.476%稳态误差：0.008满足性能指标。指导教师 平玉环 设计日期7月3日三、课程设计（综合实验）总结 本次课程设计基本达到预期的要求，通过本次课程设计的研究学习，是我对数字控制系统的设计原理有了深刻的理解，更深刻地理解了设计思想，对KMM组态图的使用方法和过程控制方案的SAMA图表示方法有了基本理解。在这一周的课程设计的过程中也遇到了许多的困难和问题，但经过大家的努力，所有的问题都得到了解决。同时对课堂上所学的知识加以应用，并把理论知识与实践操作结合，应用到实际工作需要之中，对出现的问题，通过小组讨论得以解决。课程设计不仅对实验原理掌握，而且还锻炼了动手能力和团队合作精神。 通过课程设计，理论联系实际，加深对理论知识的理解和掌握，从而进一步认识过程控制仪表的基本结构和工作原理。还能掌握实验仪器的正确使用和操作方法，掌握了KMM的面板操作，学会了控制系统参数整定、系统的调试方法，培养实际动手能力和创新意识。四、参考文献1 吴勤勤 控制仪表与装置化工工业出版社 第三版 北京 2007.12 王秀霞 韦根源 控制仪表与装置实验及课程设计华北电力大学 2006.4 3 金以慧 过程控制清华大学出版社 北京 2013.3五、附录（程序）1）基本数据表F001