A3000过程控制装置

（华东）CH（NAUNIVERSITYOFPETROLEUMA3000过程控制装置综合实践报告班级姓名学号2011年1月9日一、实验目的1、 熟悉A3000实验装置的工艺流程。2、 熟悉使用浙大中控DCS系统，了解DCS系统的工作原理。3、 掌握使用DCS系统组态软件进行组态和设计控制系统基本过程。4、 在A3000实验装置上完成水箱液位自动控制系统的设计与分析。5、 深入理解控制器参数的调整原理。二、实验内容、熟悉工艺流程，绘制装置流程图。1、任务要求：熟悉系统的工艺流程，了解装置上的检测点和执行机构并进行记录。了解装置上各个手动阀和泵的作用。了解电磁阀的作用和工作原理。了解变频泵的作用和工作原理掌握如何开启、关闭系统。在前几步的基础上进行如下操作：.使用工频支路给上水箱上水。.使用变频支路给上水箱上水。.使用工频支路给下水箱上水。.使用变频支路给下水箱上水。.使用工频支路给锅炉上水，观察锅炉水位，当锅炉水位达到30%时，关闭上水泵。.使用变频支路给锅炉上水，当锅炉水位达到70%时，关闭上水泵，并放空锅炉内的水。绘制整个工艺过程的工艺流程图2、完成步骤、测试系统,在弄清系统的管路连接后手工绘制流程图。在流程图中标注A3000装置中的所有管道，锅炉，水槽，水泵，调节阀和传感器等元件。、完成主控卡和控制站的组态。其组态顺序为先组态主控制卡，然后组态I/O卡件,再组态I/O点,最后组态控制方案。(注：其各自组态地址如表1—表4所示。地址表中只列出了第四组装置用到的组态地址)。a、主控制卡组态。主控制卡的组态是总组态的第一步，完成这一步后就可以在主控制卡XP243上完成后续的组态。

表1主控制卡组态参数表注释IP周期类型型号通讯冗余网线冷端运行保持阀位设定值跟踪A3000控制站128.128.1.20.5米集站XP243UDP冗余就地实时否是b、数据转发卡组态表2数据转发卡参数表转发卡型号地址说明XP23300模拟量输入数据转发卡XP23302模拟量输出数据转发卡XP23304开关量数据转发卡c、I/O卡件组态说明：I/O卡件是和现场直接相连的设备，现场信号通过电缆到达I/O卡件，I/O卡件处理后将数据送给数据转发卡，数据转发卡再送到主控制站进行运算。而主控制卡就算出来的控制结果则通过数据转发卡到达I/O卡件，通过I/O卡件送到现场执行机构，每个I/O卡件必须隶属于某个数据转发卡，而每个数据转发卡可以转发多个I/O卡件的数据。表3四组数据转发卡说明卡件名称卡件地址备注XP313（I）（6路电流信号输入卡）064#装置信号输入XP313（I）（6路电流信号输入卡）074#装置信号输入XP322（4路模拟信号输出卡）084#装置控制信号XP3638路触点开入卡001~4号液位上下限报警信号XP3628路晶体管开出卡081~4号变频电泵及工频电泵电磁阀控制d、I/O点组态表4四组I/O点组态表位号注释I/O卡件地址I/O点地址参数车俞入模拟量地址的分配TI4001#4锅炉温度06000〜100°CTI4002#4滞后管温度010〜100CTI4003#4换热器热出温度020〜100CTI4004#4换热器冷出温度030〜100CTI4005#4储水槽温度040〜100CLI4001#4上水箱液位050〜100%LI4002#4中水箱液位07000〜100%LI4003#4下水箱液位010〜100%LI4004#4锅炉液位020〜100%PI4001#4工频电泵支路压力030〜150kPaFI4001#4变频电泵支路流量040〜2M3/hFI4002#4工频电泵支路流量050〜2M3/h输出模拟量地址的分配FV4002#4电动调节阀0800正输出III型TV4001#4调压模块01正输出III型FV4001#4变频器02正输出III型开关量的相关地址信息LSH4004#4上液位报警开关0006开关量输入LSL4004#4下液位报警开关07开关量输入XV4001#4变频电泵电磁阀0806开关量输出XV4002#4工频电泵电磁阀07开关量输出e、控制方案组态要求：1）针对工频支路，组态一个串级控制回路对装置下水箱液位进行控制。2）针对变频支路，组态一个控制回路对装置下水箱液位进行控制。由于在组态软件中已经包含了单回路和串级的控制方案组态，在使用时只需要添加控制器的输出和输入就可以。如果要连接手操器可以在设置的时候设置跟踪位号。单回路控制方案组态（LIC4003）：控制器的输入为下水箱的液位（LI4003）,输出到变频器（FV4001）来控制变频泵支路的流量。串级控制方案组态：串级方案以中水箱水位为副对象，下水箱水位为主对象。串级回路的组态包括副回路组态（LIC4001）和主回路组态（LIC4002）。LIC4001回路的输入为中水箱的水位（LI4002）,输出控制电动调节阀（FV4002）。LIC4002回路的输入为下水箱水位（LI4003）。f、操作小组设置设置操作小组的意义在于不同的操作小组可观察、设置、修改不同的标准画面、流程图、报表、自定义键等。所有这些操作站组态内容并不是每个操作站都需要查看，在组态时选定操作小组后，在各操作站组态画面中设定该操作站关心的内容，这些内容可以在不同的操作小组中重复选择。（3）、流程图组态流程图是一个控制系统的重要部分，操作员监控现场情况大多是通过流程图界面完成的，流程图要能够准确反映现场的工艺流程，所用符号符合工业规范。要有动态显示的数据和图形。在手工绘制流程图的基础上利用组态软件提供的平台绘制流程图。如图一所示为利用组态软件所绘制的流程图。在流程图中包括A3000装置的管路图和传感器测量位置以及其在相应位置上的显示。利用流程图中的控制回路可以在手动状态下调节电调阀和变频泵的开度，起到上位机手动控制的作用。（4）、趋势组态趋势画面组态用于完成实时监控趋势画面的设置，即哪些位号需要以曲线的方式实时显示。实习中添加中水箱和下水箱的液位，LIC4001.MV，LIC4002.MV，LIC4003.MV，LIC4001.SV，LIC4002.SV，LIC4003.SV等进行实时显示。图一流程图（5）组态检查及系统整合a、组态检查由于工程必须经过编译、下装到控制站后才能实际运行，而这个环节比较耗费时间，所以请各组对所组系统仔细检查，尽量保证所组系统的正确。检查中注意如下问题：（1） 主控卡参数选择是否正确。（2） 控制方案是否正确、完整。（3） 位号是否遵循命名规定，位号组态是否完整。（4） 流程图上的位号在显示是否完整，回路显示是否完整，需要操作的设备在流程图上是否设置等。b、系统整合由于本实验各组分别独立进行组态（共分为10组，所以有10个工程），而在DCS实际运行时只能有一个工程运行。所以，需要对10组的工程进行整合，将10个工程整合为一个工程，在整合过程中，各组在本组工程设计完毕、检查无误后，可以根据教师指导进行工程整合。（二）、对象特性测试要求：（1）、对被测对象进行机理分析，建立被测试对象的机理模型（2） 、调整系统处于正常工作状态附近（3） 、用阶跃响应法测试系统模型，注意阶跃输入不能超过10%（4） ）最后给出被测试对象的数学模型在系统处于稳定的情况下，利用单回路控制的手动控制来调节变频支路的流量大小，给定一个流量的阶跃信号，同时测得一阶对象（中水箱）和二阶对象（下水箱）的阶跃响应曲线。如图二所示的响应曲线为给定-4%的阶跃信号后，系统的响应曲线图。1、一阶对象的辨识G（s）= K对于中水箱一阶对象，可以利用一阶惯性环节的传递函数 TS71可以对系统进行辨识。系统的时间常数T为系统上升到稳态值的63.2%时对应的时间。k=yS）一y（°）。Au利用上述方法，在图二上取得一阶对象稳态值63.2%处的时间T=119s，再由K=y巳龙J可得K=8.3%=2.1。故系统的传递函数为：G（s）=21。给定阶跃 4% 119s+12、二阶对象的辨识对于下水箱，由于其响应曲线为中水箱和下水箱的串联后的响应曲线，故应该用二阶对象的辨识方法辨识。首先在响应曲线上求取上升到稳态值的40%和80%

处的时间t1和t2,利用下式可以求得系统的时间常数:T+T沁(t+1),2161221'TT'(T+T)2沁1.74tt-0.551212「2再利用G（s）=再利用G（s）=K(Ts+1)(Ts+1)12式可以求得系统的传递函数。利用上述方法,在图二上求取t1=211s和t2=464s故可计算得T=185.5s,T=127s。K的求法与一阶对象相12同，故K=7.5%=1.875。由计算结果可得系统的传递函数为：4%G(s)=G(s)=1.875(185.5s+l)(127s+l)（三）、单回路控制系统实验要求：（1）、调整系统处于正常工作状态附近（2） 、分别改变比例度、积分时间,记录测试曲线,分析不同参数对控制效果的影响（3） 、进行单回路控制系统PID参数整定（4） 、对所整定好的系统加入干扰,注意要记录加入的干扰量,分析控制回路克服干扰的过程。利用系统的变频支路组成下水箱的负反馈控制系统。其参数的整定按照4:1响应曲线法进行整定。4：1响应曲线法的PID计算公式如表5所示。表54:1响应曲线法参数整定表格整定参数调节规律 f、、、5T.iTdP5sPI1.25s0.5TsPID0.85s0.3Ts0.1Ts1、单回路纯比例控制的整定及4:1响应曲线的获取将控制器的积分和微分部分切除,即在纯比例的情况下进行如下实验。

a、调节比例度为100%时系统的响应曲线由图三可以计算得系统的上升时间Tr=432s，此时系统的响应基本无超调。b、比例度为50%时系统的响应曲线图四PB=50%时单回路响应曲线由图四可以计算得系统的上升时间Tr=159s,峰值时间Tp=265s，超调量为43%。相比较PB=100%时的响应曲线，可以发现系统的响应速度变快但是，此时系统有超调。c、4:1响应曲线的获取在纯比例的情况下，逐渐减小系统的比例度（相当于增大比例系数），当系统的响应曲线大体符合4:1响应曲线时即满足要求。经过多次测试，最终我们测得当比例度PB=15%时系统的响应曲线基本满足4:1衰减振荡。其响应曲线如图五所

此时系统的大体在两个振荡周期后趋于稳定，这正是工业上应用比较广泛的曲线。对比上两组纯比例响应曲线可以发现：当Kp值不断增大时系统的响应变快但是振荡加剧。为了利用表5计算PID参数，需在图五上求得两波峰间时间Ts为250s。故可得系统的整定参数如表6所示。表6单回路整定参数整定参数调节规律 7、、T.iTdP15PI182.05minPID121.25min25s2、单回路PI参数整定图六计算数据整定pi由图六的响应曲线可知系统的Tr=93s，Tp=159s，超调量=50%。此时系统的响应速度很快但是，系统经过了较长时间依旧不能达到稳定。故分析得此时应该降低积分作用，同时可以增加比例作用以保证快速性。b、取PB=15%，Ti=4min时系统的响应曲线图七PB=15%，Ti=4min时系统的响应曲线由图七可计算得Tr=89s，Tp=139s，超调量=42%。此时系统响应更快，超调量有一定减小。但是系统的稳定速度仍然不够理想。为了获取更理想的曲线，我们继续降低积分作用，增强比例作用。

c、取PB=13%,Ti=5min时系统的响应图八取PB=13%,Ti=5min时系统响应曲线由图八可计算得Tr=128s,Tp=182s,超调量=44%。此时系统的超调量略有增加，响应速度也有所减慢，但是系统在两个振荡周期后即趋于稳定，稳定速度较快，相对比较理想。d、单回路PID参数的整定PID参数整定是一个很麻烦的过程，但是微分作用对于液位控制系统还是非常有用的。在实习中仅是以计算的PID参数为模板，减弱微分作用后进行整定，其响应曲线如图九所示。分析图九响应曲线，其Tp=106s，Tr=66s，超调量=68%。此时系统的响应速度进一步加快，同时其稳定速度也比图六的稳定速度要快。由此可知，合适的微分有利于系统的控制。e、单回路抗扰测试a）在单回路参数为PB=13%，Ti=5min时对中水箱加4%扰动。图十单回路中水箱加扰动b）在单回路参数为PB=13%,Ti=5min时对中水箱加4%扰动。由图十和图十一分析可知，单回路控制系统对扰动具有一定的恢复能力，但是,其下水箱在抗扰过程的水位波动还是比较大的。（四）串级控制系统实验要求：（1）、调整系统处于正常工作状态附近（2） 、根据单回路控制系统参数整定的经验给出副控制器参数（3） 、进行主回路控制系统PID参数整定（4） ）分别对主副回路加入相同量的干扰，观察控制效果并分析串级控制系统在克服干扰方面的特点，同时分析与单回路系统克服干扰的区别。1、串级纯比例控制下的参数整定由图十二可计算得Tp=131s，Tr=89s，超调量=18%。此时系统响应较快同时稳定速度也比较快，但是，当副控制器取PB=50%时系统很难达到接近4:1的响应曲线，为了系统的整定方便，我减小了副控制器的比例度，从而能在主控制器取得较小Kp的情况下达到理想的振荡响应曲线。

图十三主控制器取PB=13%副控制器取PB=40%分析图十三曲线可得Tp=102s,Tr=60s,超调量=50%。此时的曲线基本满足4:1响应曲线要求，有一定的振荡特性，故我们根据此曲线进行整定。其Ts=179s。表7串级参数整定整定参数调节规律 、、、T.iTdP13PI15.61.49minPID10.40.9min17.9s2、串级PI整定图十四主控制器PB=15.6%，Ti=1.49min副控制器PB=40%分析图十四可知系统在927s后基本达到稳定。按照曲线整定的PI值并不太适合系统，为了加快系统的响应速度可以增强积分作用。b、串级主控制器PB=15.6%，Ti=1min副控制器PB=40%图十五主控制器PB=15.6%，Ti=1min副控制器PB=40%

分析图十五可得Tr=79s,Tp=119s,超调量=19%。系统大约经过463s后趋于稳定。此时系统的响应已经基本满足要求。3、串级PID参数整定图十六曲线在927秒后依旧没有完全达到稳态，有大约0.22%的误差，其响应是比较慢的。b、降低微分作用的参数整定图十七曲线在788秒后与稳态有大约0.293%的误差，但是，此时的响应速度比上一组要快一些。4、串级抗扰性测试在串级主控制器PB=15.6%，Ti=1min副控制器PB=40%的整定参数下对中水箱和下水箱分别加干扰。a、下水箱加扰动

b、中水箱加扰动b、中水箱加扰动图十九中水箱加扰动三、思考题、如何控制下水箱的水位(给出设计方案)。答：采用单回路负反馈控制或者串级控制。串级控制可以以管道流量为副对象也可以用中水箱水位为副对象。由于设备的限制实习中采用中水箱水位为副对象，控制方案可以采用串级控制也可以采用单回路控制。、什么是DCS?答：DCS是分布式控制系统的英文缩写，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。