《过程控制仪表》实验讲义

PAGE《过程控制仪表》实验讲义中国石油大学（华东）信息与控制工程学院自动化系2012年10月实验一可编程数字调节器一、实验目的1、理解可编程数字调节器组态的含义。2、掌握组态操作的基本概念和常用操作方法。二、实验设备1、可编程数字调节器DRC-97一台三、实验内容（一）基本操作练习按照DRC-97使用说明（见附录）进行基本操作练习。掌握调节器面板上各按键的使用方法，熟悉各个操作画面，理解常用参数的含义。（二）组态操作1、输入输出组态按下列参数对模拟输入AI1进行组态：类型：4~20mA量程：0~100单位：℃滤波：2S按下列参数对模拟输出AO1进行组态：类型：4~20mA内部信号：MV1按下列参数对模拟输出AO2进行组态：类型：4~20mA内部信号：MV22、控制组态按下列参数对PID1进行组态：作用方式：正作用给定方式：内给定SV:A1PV:A1MVH:90%MVL:10%AT:NP:100%I:2000SD:5S3、报警组态按下列参数对A1进行报警组态H.ALMY70DO1L.ALMY30DO2＋DEVY10DO3－DEVY10DO44、记录组态按下列参数对记录R1进行组态；内部信号：A1记录间隔：1S按下列参数对记录R2进行组态；内部信号：MV1记录间隔：1S（三）系统运行1、按下图接线。（将LOOP2的输出MV2接入LOOP1中，模拟LOOP1的PV信号）2、调整控制点。在LOOP1与LOOP2画面中进行操作，调整LOOP1的控制点，使得在自动状态下，MV稳定在20%左右。3、改变测量值。在手动状态下迅速增加LOOP2的输出值，在记录画面中观察并分析MV1的实时变化曲线。在手动状态下较大幅度的调整LOOP2的输出值，观察并分析报警状态的变化。（四）综合实验1、PI调节规律1）设置PB=100%，TI=5秒，TD=0。2）调整控制点：MV=6mA。3）当偏差如右图变化时，将输出变化曲线绘制出来。2、PD调节规律1）设置PB=100%，TI>1000秒，TD=10秒。2）调整控制点：MV=10mA。3）当偏差如上图变化时，定性绘制输出曲线，标出重要坐标。六、思考题什么是控制点？进行PI特性测试时，PB是否一定为100%？若将调节器的输出信号作为测量值反送给调节器，构成一闭环控制系统，则调节器的正反作用应如何选择，会发生什么现象？实际系统中PID参数的确定与哪些因素有关？实验二S7-200PLC基本操作练习一、实验目的1、熟悉S7-200PLC实验系统及外部接线方法。2、熟悉编程软件STEP7-Micro/WIN的程序开发环境。3、掌握基本指令的编程方法。二、实验设备1、智能仪表开发综合实验系统一套（包含PLC主机、各实验挂箱、各功能单元、PC机及连接导线若干）三、实验系统使用注意事项1、实验接线前必须先断开电源开关，严禁带电接线。接线完毕，检查无误后，方可上电。2、实验过程中，实验台上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。系统上电状态下，电源总开关下方L、N端子间有220VAC输出，实验中应特别注意！3、本实验系统上的各档直流电源设计时仅供实验使用，不得外接其它负载。4、实验完毕，应及时关闭各电源开关（置关端），并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置规定的位置。四、实验内容（一）熟悉S7-200PLC的接线方法S7-200PLC是西门子公司生产的小型可编程逻辑控制器，其CPU模块接线方法如下图所示：在实验中使用导线将主机挂箱与其它挂箱连接，（二）STEP7-Micro/WIN软件简介STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发PLC应用程序提供了良好的操作环境。在实验中应用梯形图语言进行编程。编程的基本规则如下：1、外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。2、梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。接点不能放在线圈的右边，在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而PLC的梯形图是不允许的。3、线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。4、同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免线圈重复使用。5、梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。6、在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制，可无限次地使用。7、两个或两个以上的线圈可以并联输出。以下通过一个实例简单介绍STEP7-Micro/WIN软件的使用，该实例实现的功能为由S21-2挂箱中的I0.0开关控制灯Q0.0与Q0.1的亮灭，当I0.0闭合时灯Q0.0亮，当I0.0断开时灯Q0.1亮。首先设计PlC输入输出端口分配方案（如下表所示）并按前文所述接线。输入输出PLCI0.0Q0.0Q0.1基本指令编程练习单元I0.0Q0.0Q0.1然后应用STEP7-Micro/WIN软件编写控制程序并下载程序。程序开发的具体过程如下：1、左键单击“开始”，选择“所有程序”—“Simatic”—“STET7_MicroWINV4.0.3.08”—“2、在程序编辑器中选择“主程序”标签。3、在指令树中选择相应指令并拖入网络1中，如下左图所示:

4、指令地址区域中键入所需的数值，以指定地址，如上右图所示:5、点击“PLC”菜单中“编译”项，编译程序。如编译错误，则修改程序重新编译直至编译正确，如编译正确，则进行下一步。6、点击“PLC”菜单中“STOP”项并确认，此时PLC进入停止状态。7、点击“文件”菜单中“下载”项，出现下载对话框，点击“下载”按钮下载程序。8、点击“PLC”菜单中“RUN”项并确认，此时PLC进入运行状态，程序描述的控制逻辑得以实现。（三）写简单程序并运行程序1、与或非功能的实现在同一程序中编程实现如下控制功能：a、当开关I0.0与I0.1均处于闭合状态时，灯Q0.0亮，否则灯灭。b、当开关I0.2与I0.3均处于断开状态时，灯Q0.1亮，否则灯灭，要求不使用取反指令实现c、当开关I0.4与I0.5中至少有一个处于闭合状态时灯Q0.2亮，否则灯灭。d、当开关I0.6与I0.7中至少有一个处于断开状态时灯Q0.3亮，否则灯灭，要求应用取反指令实现。2、定时器指令的应用定时器指令简介：S7-200PLC的定时器指令包含三种基本指令，分别为：接通延时定时器指令（TON），有记忆的接通延时定时器指令(TONR)以及断开延时定时器指令(TOF)。这里对接通延时定时器指令进行简单介绍，其详细说明以及其他两种定时器指令的使用说明可以查阅STEP-7Micro/WIN帮助文件。接通延时定时器指令的形式（以定时器T37，定时一秒为例）如下图所示：指令在IN输入接通时，开始计时。当前值（Txxx）大于或等于预设时间（PT）时，定时器位为"打开"。IN输入断开时，接通延时定时器当前值被清除。达到预设值后，定时器仍继续计时，达到最大值32767时，停止计时。TON定时器有三种分辨率，分辨率由定时器号码决定。每一个当前值都是时间分辨率的倍数。例如，10毫秒定时器中的计数50表示500毫秒。TON定时器号码与相应的时间基准如下所示：定时器类型分辨率最大值定时器号码TON1毫秒10毫秒100毫秒32.767秒327.67秒3276.7秒T32,T96T33-T36,T97-T100T37-T63,T101-T255在同一程序中编程实现如下控制功能：a、开关I0.0闭合3秒后灯Q0.0亮，I0.0断开，灯Q0.0灭。b、当开关I0.1闭合3秒后灯Q0.1亮，再过2秒钟后灯Q0.2亮，I0.1断开，灯Q0.1、Q0.2灭。3.计数器指令的应用计数器指令简介：S7-200PLC的计数器指令包含三种基本指令，分别为：增计数器指令（CTU），减计数器指令(CTD)以及增/减计数器指令(CTUD)。这里对增计数器指令进行简单介绍，其详细说明以及其他两种计数器指令的使用说明可以查阅STEP-7Micro/WIN帮助文件。增计数器指令的形式（以计数器C1，计数预置值为5为例）如下图所示：增计数器从当前计数值开始，从每一个(CU)输入状态从低到高时递增计数。当CXX当前值大于等于预置值PV时,计数器CXX置位，当复位端(R)接通或执行复位指令时，计数器复位。当达到最大值（32767）后，计数器停止计数。在同一程序中编程实现如下控制功能：a、当开关I0.6闭合3次后灯Q0.0亮，I1.0闭合，灯Q0.0灭。b、当开关I0.7闭合2次后灯Q0.1亮，I1.1闭合，灯Q0.1灭，当Q0.1第2次亮时灯Q0.2亮，I1.2闭合，灯Q0.2灭。实验三S7-200PLC控制程序开发一、实验目的1、熟练掌握S7-200PLC的应用方法。2、掌握应用PLC实现简单控制系统的方法。二、实验设备1、智能仪表开发综合实验系统一套（包含S7-200PLC主机、各实验挂箱、各功能单元、PC机及连接导线若干）三、实验系统使用注意事项1、实验接线前必须先断开电源开关，严禁带电接线。接线完毕，检查无误后，方可上电。2、实验过程中，实验台上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。系统上电状态下，电源总开关下方L、N端子间有220VAC输出，实验中应特别注意！3、本实验系统上的各档直流电源设计时仅供实验使用，不得外接其它负载。4、实验完毕，应及时关闭各电源开关（置关端），并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置规定的位置。四、实验内容（一）应用PLC实现水塔水位控制1、在实验中应用S21-3挂箱上的水塔水位控制单元模拟实际的控制对象，其中开关S1、S2、S3及S4模拟液位信号，灯M1、Y分别模拟水泵及进水阀的状态。S21-3挂箱面板如右图所示：2、控制要求：当水池水位低于水池低水位界限（S4为ON）时，阀Y打开进水（灯Y亮），当水池水位高于水池高水位界限（S3为ON）时，阀Y关闭（灯Y灭）。若阀Y打开5秒钟后水池水位仍然低于水池低水位界限，则灯Y闪烁。当S4为OFF，且水塔水位低于水塔低水位界限时（S2为ON），电机M1运转抽水（灯M1亮）。当水塔水位高于水塔高水位界限时（S1为ON）电机M1停止（灯M1灭）。（二）应用PLC实现十字路口交通灯控制1、在实验中应用S21-2挂箱中的十字路口交通灯控制单元模拟实际的控制对象，如右图所示。2、控制要求：信号灯受启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭；南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒；到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮,东西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。周而复始。实验四执行器一、实验目的了解气动执行机构的结构和工作原理，掌握调校方法。了解电/气阀门定位器的结构和工作原理。了解电动执行器的结构和工作原理。二、实验设备1、气动定值器一个2、标准压力表一块3、气动执行器一台配有电/气阀门定位器的气动执行器一台电动执行器一台直流信号源（0~20mA）一台直流电流表（0~20mA）一台24V交流电源一台500Ω电阻一支三、实验内容（一）观察结构1、观察气动执行器的外形和内部结构，了解各部件的作用。明确铭牌上各项指标的含义。2、观察电/气阀门定位器的外形和内部结构，了解其工作原理。3、观察电动执行器的结构，了解其构成及工作原理。（二）气动执行器的调校1、按下图接线2、调零：输入信号压力小于20KPa时，推杆应不动作，当输入压力略大于20KPa时，推杆应开始动作，否则可调整调节件的位置，来调整弹簧的预紧量。3、调量程：继续增大信号压力，在20~100KPa之间，阀杆应一直动作，当信号压力大于100KPa时，阀杆应停止动作，否则可调节阀杆，直到满足要求。注意：若在增压过程中发现推杆停止走动，应立即停止增加压力，这是由于阀心被阀座抵住，若一直增压，会将阀杆压弯。4、零点、量程反复调整，直到满足要求，调好后记录。注意：调零和调量程时须去掉输入信号。输入信号(MPa)行程（mm）额定行程（mm）行程误差（mm）始点0.02终点0.15、非线性误差：在全行程范围内均匀取5个点，分别测试各点压力信号与行程的关系，并记录下来。输入（MPa）理论行程（mm）实际行程（mm）上行下行变差（%）引用误差（%）（三）电/气阀门定位器的调整１、按下图接线2、调零：输入电流信号小于4mA时，推杆应不动作，当输入电流信号略大于4mA时，推杆应开始动作，否则可调节调零螺母。3、调量程：继续增大电流信号，在4~20mA之间，阀杆应一直动作，当电流信号大于20mA时，阀杆应停止动作，否则可调节行程调整螺母。4、零点、量程反复调整，直到满足要求。注意：调零和调量程时须去掉输入信号。5、调整电/气阀门定位器，使输入电流信号小于4mA时，推杆应不动作，当输入电流信号略大于4mA时，推杆应开始动作，继续增大电流信号，在4~12mA之间，阀杆一直动作，当电流信号大于12mA时，阀杆停止动作。6、调整电/气阀门定位器，使输入电流信号小于12mA时，推杆应不动作，当输入电流信号略大于12mA时，推杆应开始动作，继续增大电流信号，在12~20mA之间，阀杆一直动作，当电流信号大于20mA时，阀杆停止动作。（四）电动执行器1、按下图接线2、调整跳线位置，使电动执行器的输入信号为0~10VDC，执行机构作用方式为正作用。打开电源，改变直流信号源输入，观察执行器的动作。3、改变跳线位置，观察在不同的跳线配置下执行器的动作规律是否与配置规律相符。四、思考题1、分析气动执行器误差产生的原因？2、电/气阀门定位器的作用是什么？3、参照实验设备，说明改变一台气动执行器的正反作用，可以有多少种方法，分别如何进行？

附录DRC－97智能记录调节仪使用说明DRC－97所有的操作都可以通过调节器面板上的键盘完成（如下图所示）。翻页键左移键右移键增加键减小键回车键1、翻页键用于画面间的切换。2、左移键和右移键用于移动光标。3、增加和减小键用于当前光标位置内容的增减。在追记画面中，增加键表示向前（远离当前时间）追记，减小键表示向后（接近当前时间）追记。4、回车键在组态时用于：（1）确认选中项（2）修改量程等的小数点位置。在正常显示画面中，回车键扩来放大（缩小）回路一和回路二测量值。正常显示画面回路1显示画面：说明：该画面显示控制回路1的相关信息。CC（外给定）SC（内给定）控制状态用增加键或减小键进行切换。CC、SC作用与状态有关，当组态为内给定时，CC、SC状态不起作用。当组态为外给定时，CC状态可表示串级、比值或前馈控制。A或M符号代表现在处于自动（AUTO）还是手动（MAN）状态。该项选中后，可以用增加键或减小键修改，当选中M后，光标自动跳到MV（阀位）位置，用户可用增加键或减小键直接修改MV值。自整定AT状态：该项闪烁，表示正在进行自整定。如果AT不再闪烁，表示自整定已结束。无AT符号显示，表示自整定功能未组态。右上角上、下三角指示灯：用来表示三位PID输出时增大阀位开关和减小阀位开关状态，实心时表示该开关闭合，空心时表示该开关打开。棒图显示当前的阀位值，两个实心三角表示阀位的上下限。画面中央上排显示设定值SV，下排显示测量值PV。报警灯的显示含义如下表：手动状态时光标移到MV处，按增加键或减小键修改MV值，手动时不能修改SV值。自动状态时，光标移到给定值处，按增加键或减小键修改SV值，自动时不能修改MV值。＊在同一回路中，按回车键，PV值被放大显示，该画面只用于数显，不能进行控制参数的修改，用户可再按一下回车键返回前一画面进行SV、MV等的修改。回路二显示画面该画面显示控制回路二的相关信息。各项显示内容基本与控制回路一相同，只是因为控制回路二只能接受内给定信号，因此SC－CC开关不起作用。回路三显示画面（通道三）说明该画面显示AI3（AI3只能输入0－5VDC、1－5VDC信号）的实时值，∑＝后显示所组通道的积累量（与组态有关）。程控画面显示报警记录显示画面说明该画面显示最近发生的八次报警的发生时间，类型等情况，依次显示该报警发生的时间，通道号（1、2、3），报警类型（H、L、＋、－）等，H表示上限报警，L表示下限报警，＋表示正偏差报警，－表示负偏差报警。记录实时曲线画面说明：该画面上排显示记录通道号，日期和时间，下排显示一屏曲线所代表的时间间隔（时标）和当前值。增加键或减小键用于通道号（R1，R2）的修改。实时曲线能够根据本屏数据的波动范围自动缩放。记录追忆曲线画面说明：该画面上排显示通道号，日期和时间，下排显示一屏曲线所代表的时间间隔（时标）和当前值。用左移键或右移键选择追忆符号“＞＜”，然后用增加键或减小键可以按记录间隔向前、向后追忆数据。光标移到HIS处，按增加键追忆远离当前时间的一个报警点，按减小键追忆接近当前时间的一个报警点。追忆曲线与实时曲线相同，也会自动缩放。追忆的时标可以放大与缩小，通过组态还可以选择不同的记录间隔，即确定每隔几秒或几分钟记录一点，记录间隔越长，整屏显示的数据时间段也越大。另外，把光标移到右下角的时标位置，按增加键或减小键，可以随时缩小或放大时间标尺。对于每一种记录间隔有四种时间标尺（1，2，4，8倍）供用户选择。请注意，改变记录间隔或按时标键虽然都可以调整整屏显示曲线的时间长度，但二者是有区别的，记录间隔表示，每隔几秒或几分记录一点，而“时标”则是用于每隔几个记录点显示一点，以1秒记录间隔为例，系统每一秒钟记录一点数据，但显示可以分别设定为1、2、4、8秒显示一点。整条曲线可以显示128个点的数据。选用四种不同的时间标尺则可以分别显示2分钟、4分钟、8分钟、16分钟的数据曲线。组态操作进入组态说明：正常显示画面中，同时按住翻页键和回车键显示有关DRC－97设计、制造单位的画面，再按任一键，进入“组态”画面，选择是否（Y/N）修改密码，如果选择Y，则把光标移到密码处，先输入旧密码，按回车键后，再输入新密码。密码修改完毕后，按回车键进入组态主菜单。如果选择N，则可把光标直接移到密码处，先输入正确的密码，然后按回车键进入组态主菜单。组态参数说明上面五个逻辑图分别表明了本仪表五大功能模块的输入－输出逻辑关系，输入模块的逻辑关系是固定的，不可组态；控制模块能对A1、A2、A3三个信号进行控制，控制信号可组态为MV1、MV2，当然MV1和MV2不可重复使用；输出模块可对MV1、MV2进行输出组态，可组态为模拟输出和开关量输出，可对A1、A2、A3进行变量输出组态对应模拟量输出AO1和AO2；报警模块可对A1、A2、A3三个输入信号进行报警处理，报警输出可通过组态由DO1、DO2、DO3、DO4输出；记录模块可通过组态记录MV1、MV2、A1、A2、A3五种信号中的一路或两路。参数的定义如下表：AI1通道1的模拟量输入信号DO2继电器2输出AI2通道2的模拟量输入信号DO3继电器3输出AI3通道3的模拟量输入信号DO4继电器4输出A1由AI1处理得到的数字量NUL不对继电器进行操作A2由AI2处理得到的数字量MV1控制回路1的阀位A3由AI3处理得到的数字量MV2控制回路2的阀位AO1第一路模拟量输出R1第一笔记录AO2第二路模拟量输出R2第二笔记录DO1继电器1输出组态总画面说明：按左移键或右移键可移动光标，选中某项后，按回车键进入子菜单。选中退出将返回正常显示。＜1＞输入组态画面说明：这一组态画面主要用于设置各个通道的输入信号的类型、量程、滤波时间、开方与否、流量是否积累以及是否进行温压补偿。本表允许有13种类型的信号输入：六种热电偶（B、E、J、K、S、T），两种热电阻（Pt100、Cu50），标准信号（0－5VDC、1－5VDC、4－20mADC、0－20mADC、0－10mADC）。工程单位的设置：内设单位有℃、M/h、MPa等。＜2＞控制组态画面本仪表的控制功能可公成三大部分：单回路PID控制，复杂控制算法，程序控制。单回路PID控制可实现独立两个回路的PID控制（输入信号对应AI1，AI2）；复杂控制可实现串级控制、前馈控制、比值控制；程序控制可实现温度曲线控制，具有确保保温和事件发生功能。单回路PID控制组态（PID1和PID2）PID参数的组态回路一（LOOP1）显示画面固定对应显示组态PID1，PID1对应的控制输出固定为MV1；回路二（LOOP2）显示画面固定对应显示组态PID2，PID2对应的控制输出固定为MV2。PID参数取值范围：•比例度P：1.0%~799.9%•积分时间常数I：1S~7999S•微分时间常数D：0S~7999S•阀位上限MVH:0.0%~100.0%•阀位下限MVL：0.0%~100.0%•自整定标志AT：Y或N•PID正作用、PID反作用选择•PID1回路外给定、内给定选择（PID2