复杂过程控制系统

1、 目录第1章 实训目的与任务11.1 工程实践综合训练的目的11.2 工程实践综合训练任务：1第章 实训装置介绍22.1 系统简介22.2 系统组成2 2.3 THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置 3 2.4 THJ-3型高级过程控制对象系统控制柜3 2.5 THJ-2型远程数据采集过程系统5第章 MCGS组态软件73.1 MCGS组态软件概述73.2 使用MCGS组态软件进行组态73.2.1 组建新工程的一般过程83.3.2 新建系统MCGS组态9第4章THJ-2型仪表系统调试 114.1 实训目的114.2 实训装置114.3 实训原理114.4 系统接线124.5 实训步骤124.6

2、 调试结果13第章THJ-2型远程控制系统调试 165.1 实训目的165.2 实训装置165.3 实训原理165.4 系统接线175.5 实训步骤185.6 调试结果18第6章 故障分析与处理示例 21第7章 心得与体会 22程序清单23 第1章 实训目的与任务1.1 工程实践综合训练的目的本次自动化技术综合训练第一部分是实训装置的使用说明，讲述了系统的组成、硬件的特点和技术指标、软件的使用介绍。第二部分是实训项目部分，叙述了实训的原理、步骤及注意事项等。通过对实训装置各个仪表的原理、工作情况及实验原理、软硬件的详细介绍，通过实际操作使学生对THJ-2型、THJ-3型高级过程控制实训装置有一

3、个充分的认识，又有益于我们对工业生产现场控制系统的了解。培养学生的工程实践能力，进一步提高学生分析和解决实际问题的能力。1.2 工程实践综合训练任务：(1) 熟悉THJ-2型高级过程控制装置的各部分组成及其工作原理。(2) 熟悉THJ-2型智能仪表控制系统、远程数据采集系统的工作原理。(3) 掌握传感器特性的认识和零点迁移、自动化仪表的初步使用变频器的原理和初步使用以及电动调节阀的调节特性和原理。(4) 初步了解组态软件的组态原理。(5) 对一被调参数组成闭合回路调试系统，获得满意曲线。(6) 常规故障处理。(7) 撰写实训报告。 第章 实训装置介绍2.1 系统简介复杂过程控制系统，简单的说，

4、就是采用计算机来实现的过程工业控制（含管理）系统。从控制系统引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务实现复杂东芝规律。由于计算机只能处理数字信号，因此给定值和反馈要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。但计算机接受了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）在经过D/A转换器，将数字 信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛。2.2 系统组成在这次工程实训是用到了浙江天煌科技实业有限公

5、司推出的THJ型工程实训调试设备，主要包括4个调试装置：THJ-3型高级控制对象系统实训装置、THJ-3型高级控制对象系统控制柜、THJ-2远程数据采集过程控制系统、THJ-2型S7-300PLC过程控制系统。 2.3 THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置 本实训装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路：这个装置是被控对象由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成。（1）水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。（2）流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。（3）电动调节阀：采用智能

6、型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，控制信号为420mA DC或15V DC，输出420mA DC的阀位信号，使用和校正非常方便。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。（4）电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W

7、-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。2.4 THJ-3型高级过程控制对象系统控制柜 THJ-3型高级过程控制对象系统控制柜由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 THJ-3型高级过程控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数

8、辨识，单回路控制，串级控制，前馈反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。该系统有电源控制屏，电源总开关，三相电源，变频器电源，主要为下面的实训提供电源。还有变频器，智能调节仪。（1）变频器：本装置控制信号输入为420mADC或05VDC，220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。此变频器具有自动/手动双向切换功能。同时还可以可以调节各种参数，可通过变频器切换自动手动功能，然后设定参数。（2）比值器、前馈-反馈装置：此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈控制系统实验。（3）智能调节仪表：输入采用数字校正系统，内置

9、常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。2.5 THJ-2型远程数据采集过程系统该上位控制系统实际上属于计算机DDC控制系统，它是将模拟量输入AI模块和模拟量输出AO模块，开关量输入/输出DI/DO模块置于计算机之外，计算机通过RS232/485通讯转换装置同ICP-7000系列模块（自带485通讯接口）通讯。 我们在实训中主要用到了实训装置模拟量输入模块ICP-7017和模拟量输出模块ICP-7024。然后由变频器输入控制信号。需要用到的电源由THJ-2型高

10、级过程控制系统实验装置上的电源提供。 （1）模拟量输入模块ICP-7017： 面板如图3-1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壳输入允许范围的电压或电流。CDAB图3-1 ICP7017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 ICP-7017模块的功能介绍：ICP-7017模块：8通道模拟量输入模块。工作电源：直流24V输入类型：电压、电流。通讯方式：485通讯。(2)模拟量输出模块ICP-7024：面板下图所示，24V供电，提供了4通道的输出端口，每一通道根据功能表壳输入允许范围的电压或电

11、流。ABCD图2-3 ICP-7024面板图中，A:电源开关 B:RS485接口 C:ICP-7024模块 D:4通道的输出接口ICP-7024模块的功能介绍：ICP-7024模块：8通道模拟量输出模块，每一通道根据功能表壳输入允许范围的电压或电流。工作电源：直流24V输入类型：电压、电流。通讯方式：485通讯。 第章 MCGS组态软件3.1 MCGS组态软件概述MCGS (Monitor and Control Generated System) 软件是一套基于Windows平台的32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多强大

12、功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、冶金、纺织、航天、建筑、材料、制冷、通讯、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种行业。MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个部分组成。MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序Mc

13、gsRun.exe支持,以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。3.2 使用MCGS组态软件进行组态3.2.1 组建新工程的一般过程工程创建的一般过程为： (1)工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。(2)工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘

14、数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。(3)设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。(4)制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，

15、在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。(5)编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。(6)完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。(7)编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动

16、画显示和控制流程是否正确。(8) 连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。 (9)工程完工综合测试:最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。 3.3.2 新建系统MCGS组态我们在建立画面之前先建立工程：（1）鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，由于MCGS安装在D盘根目录下，则会在D：MCGSWORK下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG”，其中X表示工程的序号。 （2）选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。 （3）在文件名一栏内输入“

17、过程控制单容水箱”，点击保存按钮，工程创建完毕。（4）新建画面。在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，将其改名为“单容水箱”，同理，建立“窗口1” “窗口2”将其改名为“历史曲线” “退出提示”。单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为单容水箱；将“窗口标题”改为单容水箱。（5）选中刚创建的“单容水箱”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。 下图是用组态的水箱工程： 图3.1单容水箱智能仪表控制系统 第4章 THJ-2型仪表系统调试4.1 实训目的（1）以过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、THJ-

18、3型高级过程控制对象系统控制柜作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。（2）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数。（3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。4.2 实训装置 本次实训所用到的装置是THJ-3型高级过程控制对象系统控制柜来控制THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置中三个水箱的液位，并提供所需要的电源。4.3 实训原理 工程实际中，应用最为广泛的调节器控制

19、规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。4.4 系统接线实验装置接线过程如下：THJ-2对象连线 将三相磁力泵的U、V、W，接到变频器的220V变频输出。将单相电源输出（220V/5A）的单相I端的1L与

20、1N端分别接到变频器的对应电源输入端，单相II端的2L和2N与智能调节仪的电源输入端相连。并将上水箱液位钮子开关拨到“ON”的位置，将上水箱液位与智能调节仪连接，可通过智能调节仪来控制上水箱的液位。4.5 实训步骤（1）按上述要求连接实验系统,并将对象相应的水路打开。（2）打开MCGS上位机组态软件，并进入相应的实验。把设定值设为10。（3）启动对象的总电源，并合上相关的电源（三相电源、单相I、单相II、24V电源）。（4）打开电动阀，通过调节比例系数和积分时间，观察测量值（PV）的变化，直到测量值（PV）与设定值（SV）基本吻合，同时观察实时曲线的变化。（6） 把调节器设置于手动操作位置，通

21、过反复多次调节PI与积分时间的参数，使水箱的液位处于某一平衡位置。（7）启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。4.6 调试结果 先调节比列系数，把比列系数调到2，发现测量值慢慢上升，发现测量值超过了设定值10，这时候再调积分时间，往上加，通过多次加减加到7左右。然后调节积分时间，从小往上调。发现曲线变化的很慢，上下变化很小，经过一段时间后，曲线趋向平稳，与设定的曲线基本平行。测量值也达到10。在实验过程发现不能只调一个参数，要两个一起调。这样才能使系统具有较满意的动态性能指标。 下面是经过调节参数并调试后得到的组态画面图和实时曲线： 图4.1单容水箱智能仪表控制系统 这就是整个单容水

22、箱液位控制系统的组态画面图，左半部分主要就是一个实验现场模拟图，可以清楚地看到在运行过程中，水的流向及过程。右半部分，主要是各个参数的调节设置，并且在参数设置好后，可以看过水箱的设定值，以及输出值的变化。还可以将整个变化过程通过曲线表示出来，清晰明了。 图4.2 实时曲线 在上面这个界面，可以记录下在运行过程中所出现的曲线，这样便于记录，以免丢失。并且也可以把多次测量结果拿来作对比，可以清晰地看出，当比例，积分，微分各项参数发生变化时，输出值的变化情况。 第5章 THJ-2型远程控制系统的调试5.1 实训目的（1）以过程控制实训装置中的单个水箱作为被控对象、THJ-2型远程数据采集过程系统作为

23、控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。（2）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数。（3）在组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。5.2 实训装置 本次实训所用到的装置是用THJ-2型远程数据采集过程系统来控制THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置中三个水箱的液位，由THJ-3型高级过程控制对象系统控制柜并提供所需要的电源。5.3 实训原理 工程实际中，应用最为广泛的调节器

24、控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。5.4 系统接线实验装置接线过程如下：（1）THJ-2对象连线 将三相磁力泵的U、V、W，接到变频器的220V变频输出。将变频器的220V输入端L、N接至单相电

25、源输出（220V/5A）I的1L、1N端。智能调节仪的电源输入端L、N接至单相电源输出（220V/5A）II的2L、2N端。并将上水箱液位钮子开关拨到“ON”的位置，将上水箱液位与智能调节仪连接，可通过智能调节仪来控制上水箱的液位。（2）远程数据采集控制台的连线 将压力变速器LT1上水箱液位的+、-端相应接到7017模块第一通道A/I0（可以选择其他通道）的+、-端，再7017模块24V输入端串联一个24V接到7024模块上。将7024模块第一输出通道A/O0的正端接到24V开关电源的正端，将7024模块第一输出通道A/O0的负端接到电动调节阀420mA输入正端，电动调节阀420mA输入负端接

26、到24V开关电源的负端。用通讯电缆线连接到7017、7024的485通讯接口，再通过485/232转换器连接到计算机COM1口上。5.5 实训步骤（1）按上述要求连接实验系统,并将对象相应的水路打开。（2）用电缆线将对象和远程数据采集控制台连接起来。（3）合上远程数据采集控制台的电源，给7017、7024模块加上24V电源。（4）打开MCGS上位机组态软件，并进入相应的界面。把设定值设为10。（5）启动对象的总电源，并合上相关的电源（三相电源、单相I、单相II、24V电源）。（6）打开电动阀，通过调节比例系数和积分时间，观察测量值（PV）的变化，直到测量值（PV）与设定值（SV）基本吻合，同时

27、观察实时曲线的变化。（7）把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。 （8）启动计算机记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。5.7 调试结果 先调节比列系数，把比列系数调到2，发现测量值慢慢上升，发现测量值超过了设定值10，这时候再调打比列系数，往上加，加到10左右。然后调节积分时间，从小往上调。发现曲线变化的很慢，上下变化很小，经过一段时间后，曲线趋向平稳，与设定的曲线基本平行。测量值也达到10。在实验过程发现不能只调一个参数，要两个一起调。这样才能使系统具有较满意的动态性能指标。 在实验中，我们尝试把比列系数调很大。时间没过多久，就

28、达到10 ，然后一下在上，一下在10下面。这个中间的过程很短，不利于我们理解，结果曲线上下变化弧度很大。在实验中要适度调节比例系数和积分时间才能得到合适的曲线。 下面是经过调节参数并调试后得到的组态画面图和实时曲线： 图5.1单容水箱液位控制系统 这就是整个单容水箱液位控制系统的组态画面图，左半部分主要就是一个实验现场模拟图，可以清楚地看到在运行过程中，水的流向及过程。右半部分，主要是各个参数的调节设置，并且在参数设置好后，可以看过水箱的设定值，以及输出值的变化。还可以将整个变化过程通过曲线表示出来，清晰明了。 图5.2 实时曲线 上面这个界面，可以记录下在运行过程中所出现的曲线，这样便于记录

29、，以免丢失。并且也可以把多次测量结果拿来作对比,可以清晰地看出，当比例，积分，微分各项参数发生变化时，输出值的变化情况。第6章 故障分析与处理示例 在做THJ-2型远程控制系统的调试时，我们先打开实训设备电源，开启电动阀，水泵启动。在MCGS组态环境下，进入运行环境，设定值设为为10，观察运行状态。 在运行环境下，我们发现通讯标志显示通讯不成功。这时候我们关闭运行环境，关闭试验台电源。进入组态环境，查看7017和7024设备组态窗口模块地址，发现7017模块地址的通道连接不正确，组态软件中显示的7017模块的是连接A/I1通道。拔掉A/I0通道的线。把控制台上的线插在A/I1通道上，再调试运行

30、，通讯标志显示通讯成功。电动阀上的参数和组态图上的输出值参数不符合，经过仔细观察，发现原来是中水箱的阀门打开了，关上电源，合上相应的阀门，把水箱中的水放干净。重新开启电源，打开电动阀，观察实训装置上电动阀上的参数，发现和组态图上的输出值参数基本吻合。 第7章 心得与体会 两周的自动化综合技术训练结束了，在这次的实训中我完成水箱液位控制系统的设计。同时学习了使用MCGS组态软件组态工程，我相信这对我以后的工作和学习会有很大的帮助。通过实训，我学习到了一些新知识。在实训刚开始的时候，老师给我们介绍了MCGS组态软件。我在网上查询了组态软件的相关资料，接下来经过实际操作让我对组态软件有了进一步的了解。在实训的过程中由于不熟悉PID调节，在调节比例系数和积分时间时花费很长时间。最后才使测量值接近了设定值。同时我明白了团队合作的重要性，一个人的力量毕竟是有限的，经过大家一起讨论和老师的细心指导，有些看起来很难理解的问题一下子就迎刃而解了