过程控制试验指导书

本文格式为Word版，下载可任意编辑——过程控制试验指导书试验系统认知

A3000高级过程控制试验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了试验对象单元、供电系统、传感器、执行器(包括电动调理阀、变频器及调压器)、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。

1、A3000特点

(1)现场系统通过一个现场控制机柜，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有试验功能。从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。

(2)现场控制机柜内有工业标准接线端子。这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统便利连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。

(3)现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。(4)现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更安全、具有更大的扩展性。

A3000-FS现场及系统结构原理图如图2-1，图2-2所示。

图2-1A3000现场实物图

图2-2A3000现场系统结构图

现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统，一个硬件联锁保护系统。传感器和执行器系统包括5个温度、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮番量计，1个电动调理阀，两个电磁阀，2个液位开关。

2、现场系统机柜面板

?电源：220VAC单相总电源空开，380VAC三相总电源空开。

?开关：两个两位自锁旋钮开关，分别是加热器电源开关和变频器电源开关。四个三位自锁旋钮开关，分别是1#、2#电磁阀手自动以及关闭开关。变频器手自动启动信号以及关闭开关，2#水泵手自动运行以及关闭开关。

?电压表：显示24VDC开关电源的电压值。

?变频器：对于A3000FBS系统，则具有ProfibusDP控制端子。

?指示灯：安装有8个指示灯和滞后管系统的两手动调理阀。分别为单相电，三相电通电指示。以及两个水泵、两个电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。当锅炉内水位低于低限液位开关时，液位开关断开，联锁控制的低限液位指示灯点亮，说明锅炉内液位很低或无液位。提醒阻止对锅炉加热。往锅炉内注水等到当锅炉内水位达到或超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制的低限液位指示灯灭，可以开始对锅炉加热。当锅炉内水位超过高限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制的高限液位指示灯点亮，说明锅炉内液位很高或超过高位限制，应及时把锅炉内液体排出一部分。

3、支路分析

现场系统包含两个支路。支路1有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路2有2#水泵，压力变送器，电动调理阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。

(1)支路1分析

支路1包括左边水泵，1#流量计，电磁阀等组成，可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，电磁阀可能没有。

由于支路1可以与锅炉形成循环水，可以做温度控制试验。为了保证加热均匀，应当使用动态水，本系统设计了一个水循环回路来达到此目的。即开启JV304、

JV106、XV101，关闭其它阀门(注意JV104)，开启1#水泵，则锅炉内的水通过1#水泵循环起来。

锅炉内有高、低限两个液位开关，可以进行联锁保护。当锅炉内液位低于低限液位开关时，液位开关开启，使移相调压模块断电，加热器无法开启。当液位超过它时，液位开关合上，加热器信号连通，因此可以防止加热器干烧。

高限液位开关有两个作用：第一，当锅炉内水温超过温度上限时，通过联锁控制，开启2#电磁阀，注入冷水，使锅炉内温度快速下降；其次，当锅炉内水量超过液位上限时，高限液位开关闭合，通过联锁控制，关闭2#电磁阀，不再注入冷水。

支路1上有一个工业用板式换热器，其冷、热水出口各有一个温度传感器，可以做热量转换试验。

锅炉底部连接有滞后管系统。开启JV501、JV502，关闭JV503，锅炉内的水只流过第一段滞后管，进入储水箱。开启JV503，关闭JV502，水流过两段滞后管，即增加了滞后时间。在滞后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后试验。

(2)支路2分析

支路2包括右边的水泵，2#流量计，压力变送器，电动调理阀。可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，也可以使用电动调理阀，对于小流量使用调理阀比较确凿，对于要求快速控制的，则使用变频器比较便利。

支路2有一个电动调理阀，协同三个水箱(各装一个压力变送器)，可以做单容、双容、三容试验，以及液位串级试验、换热器温度串级试验，以及换热器解耦控制试验。水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。

对于流量控制试验，我们可以选择支路2，用电动调理阀作为执行器。同时启动两个支路的水泵，可以做比值控制试验：将支路1流量固定(用涡轮番量计测量流量值)，设定一个比值系数，用PID控制支路2的流量与支路1成比例。

对于较繁杂的前馈-反馈控制试验，设计使用两个支路的多个设备来完成。以换热器温度－流量前馈反馈试验为例，设备包括：锅炉、换热器、两个水泵、调理阀、涡轮番量计、电磁流量计。前馈控制部分，通过测量换热器热水入口温度

及流量，控制调理阀开度，实现冷水流量控制；反馈控制部分，通过测量换热器热水出口温度，控制调理阀开度，实现冷水流量控制。

9、增大P重复步骤6，观测过渡过程曲线，并记录余差大小。

10、选择适合的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值(如设定值由50％变为60％)，同样可以得到一条过渡过程曲线。

注意：每当做完一次试验后，必需待系统稳定后再做另一次试验。

11、在比例调理测试的基础上，参与积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。固定比例P值（中等大小），改变PI调理器的积分时间常数值Ti，然后观测加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。

12、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观测加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。

13、选择适合的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。

14、在PI调理器控制测试的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调理时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。

15、选择适合的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从突变10%左右来实现）。

2.5试验结果

整理试验趋势曲线，记录适合的PID值，写试验报告。

2.6试验思考

变频器有几种工作模式，在相应模式下如何操作。

试验三锅炉动态水温度PID单回路控制

3.1试验目的

了解温度控制原理，熟悉上位机组态王的组态及通讯。通过试验，把握PID参数的整定。

3.2试验要求

1、试验前需熟悉试验的设备装置以及管路构成。2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。

3、用响应曲线法求取PID参数，以4:1标准衰减振荡作为指标，整定出最正确的比例度、积分时间和微分时间。

3.3试验设备及系统组成

1、试验设备：A3000对象系统（1）泵

（2）调压模块：工作电源220VAC，控制信号2-10VDC，输出电压：0-220VAC。（3）温度传感器：量程为0-100度,输出信号4-20mA。2、系统组成

锅炉水温PID单回路控制流程图如图10-1所示

图10-1锅炉水温PID单回路控制

3、测点清单

测点清单如表10-1所示：

序号12位号或GZ101TE101设备名称调压模块温度变送器用途加热棒电压控制锅炉温度原始信号类型4～20mAAO4～20mAAI工程量0～50Hz0～3m3/h表10-1锅炉水温PID单回路控制测点清单

水介质由泵P101（变频器U101驱动）从水箱V104中加压获得压头，当锅炉内的水量达到测试需要的高度后，关闭手阀QV115，开启手阀QV114，从而使锅炉、水泵P101构成一个循环回路；其中，锅炉的温度由TE101测得。本例为定值自动调理系统，可控硅GZ101功率为操纵变量，TE101为被控变量，采用PID调理来完成。

为了加热均匀，我们使用动态循环水，把锅炉的水搅动起来。另外电加热管功率为4.5KW，加热过程相对较快，散热过程相对较慢。

试验前手阀开启关闭状况：

需要开启的手阀：QV115、QV111、QV112；需要关闭的手阀：QV103、QV113、QV114；

3.4操作步骤和调试

1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。2、依照试验内容，选择适合水流管路。

3、控制柜上电，启动变频器和水泵P101（变频器使用面板操作模式，全部为50Hz）。4、将锅炉的水装至中间高度。一定要超过最低液位，例如联锁保护灯亮起。然后关闭水泵P2。5、开启阀QV114，关闭阀QV115。

6、在控制系统上，将IO面板上锅炉温度(TE101)连到控制器AI0，调压器（GZ101）控制端连到控制器AO0。

注意：具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依靠于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必需依照已经接线的通道来编程。

7、启动变频器和水泵P101，变频器频率设定到面板操作，全部为50Hz。8、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。9、启动计算机，启动组态软件，进入试验界面。

10、投入现场系统三相电源。系统投入运行以后，锅炉的水处于循环状态11、启动调理器，把调理器切换到自动控制。

12、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。

3.5试验结果

整理试验趋势曲线，记录适合的PID值，写试验报告。

3.6试验思考

温度PID控制在实际应用中有哪些领域。

试验四流量比值控制试验

4.1试验目的

了解流量比值的工作原理，熟悉上位机组态王的组态及通讯。通过试验，把握比值算法。

4.2试验要求

1、试验前需熟悉试验的设备装置以及管路构成。2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。

4.3试验设备及系统组成

1、试验设备：A3000对象系统（1）泵

（2）电动调理阀：工作电源24VAC，控制信号2-10VDC；（3）涡轮番量计：量程为0-3m3/h,输出信号4-20mA；

(4)变频器：工作电源220VAC，控制信号4-20mA，输出电源220VAC。2、系统组成

流量比值控制流程图如图12-1所示

图12-1流量比值控制

3、测点清单

测点清单如表12-1所示：

序号123位号或FV101FT101FT102设备名称电动调理阀涡轮番量计涡轮番量计用途阀位控制管道流量管道流量原始信号类型4～20mA4～20mA4～20mAAOAIAI工程量0～50Hz0～3m3/h0～3m3/h表12-1流量比值控制测点清单

水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经流量变送器、调理阀FV101或XV101后进入水箱V103，通过手阀QV116回流至水箱V104而形成水循环；水介质由泵P101从水箱V104中加压获得压头，经流量变送器后进入水箱V103，通过手阀QV116回流至水箱V104而形成水循环；其中，泵的转速影响管路液体流量FT101的大小,电动调理阀开度影响FT102的大小。本例为定值自动调理系统，FV101为操纵变量，FT102为被控变量，采用PID调理来完成.

需要全开启的手阀：QV115、QV111、