过程控制系统实验指导书以及实验报告格式要求

1、过程控制技术与系统实 验 指 导 书过程控制系统组 编华北电力大学前 言1 实验总体目标通过实验，巩固掌握课程的讲授内容，使学生对过程控制系统的基本理论及分析方法有一个感性认识和更好地理解，使学生在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高。2 适用专业自动化、测控、集控专业本科生3 所修课程过程控制技术与系统 或 热工控制系统4 实验课时分配实验项目学时实验一 上水箱动态特性测试实验2实验二 上水箱水位控制系统实验2实验三 上下水箱液位串级控制系统实验2 实验环境PCS-B过程控制系统 实验总体要求1、掌握对象动态特性测量方法；2、掌握单回路控制系统原理和参数整定方法； 3、掌握串级控制

2、系统原理和参数整定方法。 本实验的重点、难点及教学方法建议实验通过对控制系统的基本理论和方法有一个感性认识和更好地理解。实验的重点及难点是：对象动态特性测量基本方法；单回路控制系统投运和参数整定方法；串级控制系统投运和参数整定方法。目录实验一 上水箱动态特性测试实验 3实验二 上水箱液位控制系统实验 6实验三 上下水箱液位串级控制系统实验 11附录一 硬件介绍 16附录二 软件使用说明 34附件三 实验报告格式要求 40实验一 上水箱动态特性测试实验一、实验目的1、被控对象动态特性测试；2、学习和了解DCS系统的原理及它在过程控制中的应用。二、实验类型综合型三、实验装置1、DCS过程控制实验装

3、置（其中使用：电动调节阀、上水箱及液位变送器、储水箱、增压泵等），液位变送器的量程一般在出厂前已调试好。2、DCS控制机柜3、安装有组态及监控软件的计算机上水箱动态特性测试实验系统见图1-1增压泵DCSHT上水箱下水箱电动调节阀1V11V10V4V5储水箱 图11 上水箱单容特性测试实验流程图四、实验步骤1、将过程控制综合实验装置的手动阀门1V1、V4打开， 1V2、1V3、1V7关闭。2、确认实验装置和控制机柜电源正常。3、点击主界面上方的“单容水箱特性”按钮进入单容水箱特性实验界面。图1-2 实验系统主界面4、点击“开始实验”按钮，确认增压泵启动正常，调节阀开度为5%。5、设置阀门开度值（

4、点击设置按钮，在弹出的对话框中输入阀门开度，以0100百分数表示），使上水箱水位稳定后。在改变阀门开度（阶跃信号不要太大，估计上水箱水不要溢出），观察计算机上的实时曲线和历史曲线，直至达到新的平衡为止。（调节阀开度超过30%会导致水位高出溢流管而使实验失败，所以阀门开度应在30%以内）。图1-3 单容水箱特性实验控制界面6、将阀门开度设置回原来的值，记录一条液位下降的曲线。7、点击“结束实验”按钮结束本次实验。8、曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理，得出K、T、并根据K、T、值写出广义的传递函数。实验二 上水箱液位控制系统实验一、实验目的1、了解简单过程控制系统的构成。 2、掌

5、握简单过程控制的原理。3、掌握简单控制系统的PID参数调整及参数对被控对象的影响。二、实验类型综合型三、实验装置1、PCS过程控制实验装置（其中使用：电动调节阀、增压泵、上水箱及液位变送器等），液位变送器的量程与零点一般在出厂之前已调试好。 2、DCS控制机柜一套。 3、计算机一台。 上水箱水位控制系统图见图2-1 增压泵DCS HT上水箱下水箱电动调节阀1V1V4V5储水箱图21 上水箱水位控制实验装置四、实验原理本实验采用DCS进行单容水箱液位控制,将水箱液位控制在设定高度。上水箱液位信号通过DCS的I/O模块输出给控制器PM860, 控制器根据偏差进行PID运算控制，其输出信号再通过DC

6、S的I/O模块输出给电动调节阀，然后由电动调节阀控制水流量，从而达到控制液位的目的。其液位控制的方块原理图如图22。扰动_e设定值+DCS 调节阀y上水箱液位变送器图22 控制原理图五、实验步骤 1、将手动阀门1V1、V4、V5打开， 1V2、1V3、1V7关闭。2、先打开实验对象的系统电源，然后DCS控制单元电源。3、打开计算机上的DCS过程控制实验系统运行环境，点击主画面上的“单容水箱液位控制”按钮，进入单容水箱液位控制画面。 图23 实验界面主系统图图24 单容水箱液位控制实验界面4、点击“开始实验”，确认手动阀门正常。手动设置调节阀使水位保持在一个较稳定的值。5、设定PID参数，投入自

7、动控制。确认自动控制按钮变红。点击“水位设定”出现图2-5：6、设定水位值，使系统输入一个幅值适度（100以内）的扰动信号，观察PID输出与上水箱液位的实时曲线。图2-5 水位设定界面 7、点击“设置参数”按钮，出现PID参数修改画面，修改P、I、D参数值。然后再投入自动运行状态，观察实时曲线，了解PID调节的特性。图26 修改PID参数界面 8、点击历史趋势按钮查看被控量的历史趋势。 9、实验完毕，点击结束实验按钮结束实验。 六、实验思考实验中，学生选择不同的P、I、D参数进行P调节、PI调节、PID调节实验，寻找最佳控制调节方法及参数,思考P、PI、PID规律的特点，总结不同的调节过程特性

8、，得出控制性能的结论。实验三 上下水箱液位串级控制系统实验一、实验目的1、了解复杂过程控制系统的构成。 2、掌握复杂过程控制一串级控制方法。3掌握串级控制参数整定方法。二、实验类型综合型三、实验装置1PCS过程控制实验装置见图31，其中使用：电动调节阀、上下水箱及液位变送器、增压泵系统等。2、DCS控制机柜一套。 3、计算机一台。增压泵DCS器HTHT上水箱下水箱电动阀1V1V4V61V10储水箱V5图31 系统示意图 四、实验原理上下水箱双容液位串级控制的方块原理图如图32，本实验将下水箱液位控制在设定高度。串级回路是由内反馈组成的双环控制系统，属于复杂控制范畴。在实验中使用了两个调节器作为

9、主副调节器。将上水箱的液位信号输出作为主调节器输入，主调节器的输出作为副调节器的输入，在串级控制系统中，两个调节器任务不同，因此要选择调节器的不同调节规律进行控制，副调节器主要任务是快速动作，迅速抵制进入副回路的扰动，至于副回路的调节不要求一定是无静差。主调节器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，因此，主调节器采用PI调节器也可考虑采用PID调节器。图32 串级控制框图串级控制系统的参数整定 . 两步整定法 第一步整定副回路的副控制器；第二步整定主回路的主控制器。a. 在系统工作状况稳定，主、副回路主控制器在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例带取100，再逐渐降低副控制器的比例带，用整定单回

10、路的方法来整定副回路。如用4：1衰减法来整定副回路，则求出副参数在4：1衰减时的副控制器比例带2S和操作周期T2S。b.使副控制比例带置于1S的数值上，逐渐降低主控制器的比例带1S，求出同样衰减比时主回路的过渡过程曲线，记录此时主控制器的比例带1S和操作周期T1S。c.将上述步骤中求出的1S、T1S、2S、T2S按所用的4：1衰减曲线的整定方法，求出主、副控制器的整定参数。d.按照“先副后主，先比例次积分后微分”的原则，将计算机得出的控制器参数置于各种控制器之上。e.加干扰实验，观察过程参数值，直至记录曲线符合要求为止。一步整定法：a.先稳定工作状况，系统在纯比例运行条件下，按下列“一步法比例

11、带经验值表”所列数值，将副控制器调节到适当的经验值上。 一步法比例带经验值表副参数比例带2放大倍数KC2温度 2060 51.7压力 3070 31.4流量 4080 2.51.25液位 2080 51.25b.利用单回路控制系统的任意一种参数整定方法来整定主调节器参数.c.加干扰试验,观察过渡过程曲线,根据KC1、KC2相匹配的原理,适当调整控制参数,使主参数控制精度最好。d.如果出现振荡现象时,只要加大主副控制器的任意一个比例带,即可消除振荡。 五、实验步骤 1、将手动阀门1V1、V4、V5打开， 1V2、1V3、1V7关闭。2、先打开实验对象的系统电源，然后DCS控制单元电源。3、打开计

12、算机上的DCS过程控制实验系统运行环境，点击主画面上的“液位串级控制”按钮，进入双容水箱液位串级控制实验画面。图33 实验界面系统总图 图34 串级实验界面4、点击“开始实验”，按照提示确认手动阀门正常。在画面上点击手动开阀按钮，手动设置调节阀使上水箱水位保持在一个较稳定的值。5、设定副调PID参数，投入副调自动，使上水箱水位保持稳定。6、设定主调PID参数，投入主调自动，观察下水箱液位实时曲线。7、待系统稳定后，按主调设置按钮，改变给定值，观察其液位变化曲线。8、改变PID参数，修改主副调P、I、D值，观察实时曲线，了解串级控制特性。 图35 PID参数修改界面9、修改主、副调PID参数，投

13、入主调自动，观察串级控制的效果10、点击串级控制实验界面的扰动按钮，根据提示分别加入内扰动和外扰动，观察控制效果。11、实验完毕，点击结束实验按钮。六、实验建议调节器的PID参数可以反复凑试，逐步逼近达到最佳的整定，实际中，采用串级调节系统是为了提高主被调量（下水箱）精度和改善动态特性而设置的，因此对副调回路的质量指标没有要求。而对主回路的质量指标要求高。牺牲副回路的质量，保证主回路的调节质量。所以副调节器比例作用强一些，取消积分作用，主调节器设置P、I、D参数即可。七、 实验思考比较串级控制与单容水箱液位控制区别和控制的难易度，为什么？复杂控制系统的优点在那里？42附录一 硬件介绍1系统构成

14、过程控制实验装置由一套PCS-B型过程控制综合实验装置、一个PCS控制柜、一个工程师站和三个操作员站构成。能够在该实验装置上进行单回路、串级等实验。系统结构图如下图所示。工程师站操作员站1操作员站2操作员站3以太网交换机PCS控制柜PCS-B型实验装置附图1-1 系统结构图 图2 PCS-B型过程控制实验装置PCS-B型现场系统包括两个水箱，一个锅炉，一个盘管，两个水泵，两个涡轮流量计，一个电动调节阀，一个变频器。其他还包括加热管，储水箱。附图1-2 水路图2.1上电投入使用1、控制对象上电方法：首先将电源插头插好，合上控制箱侧面的空气开关，此时电源指示红灯亮起，打开钥匙开关，运行绿灯亮。检查

15、各个仪表指示是否正确。2、控制机柜上电方法：首先将电源插头插好，合上机柜上侧的空气开关，此时控制器上电。检查各个模块工作是否正常。各个调节仪表的使用请仔细参考应用产品说明书。2.2变频器变频器使用松下的VF0变频器。运行前，确定变频器下方水路1、水路2的旋扭都指在“自动”位置。在运行状态，绝对禁止操作变频器开关或切换旋钮，否则可能损坏变频器。为了方便控制，我们已经把变频器设定为外部电流控制状态。启动变频器后，只要水路2的旋扭处于“自动”状态，变频器就开始按照给定的电流输出。2.3对象系统每个学年开始作实验时，放空储水箱的水，清洗各个水箱，拆下水箱滤网，进行清洗。每月要将水箱中的水放空并清洗。2

16、.4水泵使用增压泵额定扬程7.5米，额定流量0.5立方米/小时。增压泵上的旋扭应指向“手动”位置。磁力泵额定扬程4米，额定流量1.8立方米/小时。最大扬程5.6米，最大流量3.6立方米/小时。当用增压泵排水时，应密切注意增压泵出口压力表的指示，当压力变为零时应立即将面板水路1的旋扭旋至“停止”位置停增压泵。尽量使得流过水泵的水温不超过80度。2.5涡轮流量计涡轮流量计的量程为00.8 m³/h。涡轮流量计输出脉冲信号，经过脉冲模块将脉冲信号转换为420mA电流信号。2.6电动调节阀。电动调节阀选用Honeywell ML7420电动调节阀。其F端串联有一个250欧姆的电阻，将阀位反馈

17、信号由210V的电压信号转换为420mA的电流信号。使用请仔细参考应用产品说明书。电动调节阀的动作需要时间。在使用时，严禁用手转调节阀的旋扭，请尽量不要打开其保护盖。2.7液位传感器液位传感器用压力传感器来替代，压力传感器的量程为05kPa，表示50cm水柱。提供的液位传感器只能在水面超过底面10毫米才能测量，量程为0至500mm。如果发现水箱液位传感器测量出现很大误差，则需要拆下液位传感器进行清理、清洗、调整零点。2.8加热管经过多年实验之后，如果加热管效率大大降低，则可以打开锅炉盖，对加热管进行清洗，除去加热管上的水垢。2.9 其他仪表压力传感器：0100kPa。温度变送器选用Pt100热

18、电阻，量程为0100。3控制系统组成ModulebusEthernet控制器PM860通信模块TU820模拟量输入模块AI801模拟量输出模块AO810数字量输入模块DI810工程师站操作员站实验装置附图1-3 控制系统图数字量输出模块DO810控制器选用ABB公司的AC 800M系列控制器，I/O模件选用S800 I/O。控制器选用PM860控制器，控制器与I/O站采用Modulebus通信协议，通过光线连接。I/O站包括一个光纤通信模块TB820，一个8点AI模块AI801，一个8点AO模块AO810，一个16点DI模块DI810，一个16点DO模块DO810。详细图纸详见附图。整个部分设

19、计在一个工业机柜中，开放性极强。一个玻璃前门，保证了设备防尘、散热等需要。内部结构设计合理，布线完全按照工业要求，整齐、可靠。3.1控制器PM860PM860微处理器运行速度48MHz，8MB RAM，CN1、CN2为以太网口，COM3口是RS-232口，COM4口为编程口。面板上FAULT（红）灯亮时表示控制器处于错误状态；POWER（绿）表示已经接通电源；RUN（绿）灯亮时表示模块处于运行状态；BUSY（绿）灯亮时表示控制器正在工作；INIT是复位按扭。 TX/RX光口用来连接光纤通信模块。每个PM860可以直接连接12个S800 I/O模块。3.2Modulebus通信模块TB820TB

20、820实现光信号和电信号之间的转化。每个TB820可带12个S800 I/O模块。CLUSTER处用来设定该站的地址，这套实验装置所有的地址都拨在1的位置。控制器PM860到TB820之间的光纤连接在X5的位置。面板上POWER（绿）表示已经接通电源；RUN（绿）灯亮时表示模块处于运行状态；FAULT（红）灯亮时表示模块处于错误状态；ORX1（黄）灯亮表示光通道1工作正常；ORX2（黄）灯亮表示光通道2工作正常。3.3模拟量输入模块AI801AI801是模拟量8通道420mA或020mA电流输入模块。8个输入通道相互隔离，输入内阻250欧，耐压30VDC，最大耐流在24V时30 mA，在5V时

21、70mA。DIN标准导轨安装，支持HART通信协议。面板上的STATUS灯反映模块工作状况，当模块上电时S灯会亮，当显示红灯时表示正在自检或没有组态，当显示绿灯时表示模块工作正常。AI801的接线方式如下图所示：3.4模拟量输出模块AO810AO810是模拟量8通道420mA或020mA电流输出模块，8个输出通道相互隔离，可过载15%。输出负载小于500欧（仅当L1+供电时），信号线最大长度600米。上升时间4ms，循环时间小于2ms，延迟时间小于6ms。最大电流消耗200mA，功率消耗3W。DIN标准导轨安装。面板上的四盏灯反映模块工作状况，RUN（绿）灯亮时表示模块处于运行状态；FAULT

22、（红）灯亮时表示模块处于错误状态；WARNING（黄）灯亮表示有过程错误，例如开路或电源错误等。AO810的接线方式如下图所示：3.5数字量输入模块DI810DI810是数字量16通道24V输入模块，输入电压1830V，24V时输入电流6mA。16个输出通道被分成18、916两个组，由相互独立的电源供电，组间隔离，每个通道均带输出状态指示，当该通道输入电压为1830V时，该通道被激活，状态显示灯亮。每个通道均带防浪涌保护。DIN标准导轨安装。面板上的三盏灯反映模块工作状况，RUN（绿）灯亮时表示模块处于运行状态；FAULT（红）灯亮时表示模块处于错误状态；WARNING（黄）灯亮表示有过程错误

23、，例如有开路，电源错误等。DI810的接线方式如下图所示：3.5数字量输出模块DO810DO810是数字量16通道24V电流源输出模块，输出电压1030V，最大输出电流0.5A。16个输出通道被分成18、916两个组，组间隔离，每个通道均带输出状态指示，当该通道置1时，状态显示灯亮。超压超温保护。DIN标准导轨安装。面板上的四盏灯反映模块工作状况，RUN（绿）灯亮时表示模块处于运行状态；FAULT（红）灯亮时表示模块处于错误状态；WARNING（黄）灯亮表示有过程错误，例如有开路，电源错误等。DO810的接线方式如下图所示：附图1-4 控制柜盘面布置图附图15 系统供电图附图16 对象控制柜接

24、线图附图17 航空插座引脚图附图18 32针航空插座接线图附图 19 24针航空插座接线图附图 110 航空插座线路色标附录二 软件使用说明PCS-B过程实验装置的被控对象采用高联生产的过程控制实验台。控制设备采用ABB公司生产的AC800M分散控制系统。因此该实验装置的底层组态软件采用了ABB公司的配套组态软件Compact Control Builder ，该软件能够方便的实现与控制系统硬件的通讯与程序下载，CBM的组态语言采用结构化文本、指令列表、连续函数列表、功能块图、梯形图等五种标准组态语言，因此可以方便快捷的实现对系统的底层组态。 装置的上位监控软件采用GE公司的iFix 4.0。

25、iFIX的设计在软件内核中就充分使用了当前最先进的软件技术，包括微软的VBA、OPC、ActiveX控件、COM/DCOM更使用了基于面向对象的框架结构， iFIX将帮您实施更高性能的自动化解决方案，而且使系统的维护、升级和扩展更加方便。 下面对实验系统的操作进行详细的说明。一、 软件启动顺序服务器端： 1、OPC Server for AC 800M2、OPC Power Tool 3、iFix4.0客户端： 1、OPC Power Tool2、iFix4.0二、操作画面说明 系统画面分为三部分，上面是系统画面切换栏，中间是主画面区，下面是状态栏。附图 21 系统画面 系统画面切换栏附图 2

26、2 系统画面切换栏 系统画面切换栏的左侧是该画面的名字，右侧是画面切换按钮。点击相应按钮就可进入相应的实验画面。另外如果有实验正在进行中，则相应按钮显示红色，反之显示绿色。主画面区主画面区为试验操作画面，包括系统简图、功能按钮、参数显示、实时曲线显示。状态栏附图 23 状态栏状态栏显示当前系统状态和参数报警，五个状态指示灯表示系统中五个主要设备的电源状态。红色为带电，绿色为不带电。五个报警光字牌分别指示下列各参数报警：上水箱水位、下水箱水位、增压泵流量、磁力泵流量、锅炉内胆温度。绿色表示参数正常，红色表示参数报警。当有新的报警发生时相应光字牌会有黄色闪动。三、实验操作画面说明 1、单容水箱特性实验 附图 24 单容水箱特性实验界面图点击画面切换栏上的单容水箱特性按钮进入单容水箱特性实验画面。画面分为系统简图、操作面板、实时曲线。 系统简图表示出该实验需要的设备以及介质流向。调节阀旁边有两个指示条，上面的为调节阀接收到的开度指令，下面的指示条为调节阀实际的开度数值。 操作面板区分别指示出当前的操作状态上，水箱水位的实际值，调节阀接收到的开度指令.。点击调节阀位显示栏下面的设置按钮会出现调节阀位控制画面。 附图25调节阀手操画面如图所示，改变阀门开度可以点击上下箭头，也可以点击中间的输入按钮在弹出的文本框中直接输入开度指令。点击主画面区的开始实验