全仿真过程控制系统实训PID 参数整定实训.pdf

76 第三篇 全仿真过程控制系统实训 （pid 参数整定实训） 实习平台： 北京化工大学 mpce-1000 过程控制系统设计仿真系统 77 第一部分 测试基本操作单元 第一部分 测试基本操作单元 本测试基本操作单元是用于自动化系统工程师资格认定（automation system engineer accreditation，以下简称 asea）控制技能测试的专用设备。控制技能测试基本操作单元是 一种多功能过程与控制仿真实验系统， 该系统以模块化方式运行， 能够任意组合多种控制方 法和控制方案，并针对多种不同动态特性的过程对象进行操作与控制实验。本测试系统，通 过将小型半实物过程系统、 微机控制系统与全数字仿真技术结合， 实现了集多种实验功能于 一身、真实感强、一机多用、既可以进行初级与中等复杂程度的过程与控制实验、也可以进 行高级复杂的过程与控制实验,达到了使用方便、维修简单、节能、安全、环保等理想实验 系统的要求，被誉为“绿色实验系统” 。 本测试基本操作单元主要面向过程控制，即从事过程工业自动化领域工程师的技能测 试。过程工业（process industry）又称流程工业，过程工业覆盖的工业领域很广,例如, 石油炼制、石油化工、天然气加工、化学工业、煤气工业、冶金焦化、污水处理、火力发电、 核动力发电、造纸工业、建材水泥、化纤工业、食品加工、制药与生物化工等。过程工业在 国民经济中占有极其重要的地位。 过程工业的著特点是由一系列定型单元操作设备通过管道而组合成复杂系统，原料经 一定工艺流程输出最终产品，它们具有连续运行的特征和工艺、设备、控制、操作、管理等 多方面的共同规律，也是易燃、易爆、有毒和易发生事故的工业系统。常见的单元操作有： 离心泵、蒸汽轮机、透平压缩机、往复压缩机、储罐、热交换器、加热炉、间歇反应器、连 续反应器、过滤器、蒸发器、干燥器、精馏塔、吸收塔等。常见的过程控制系统部件有：控 制阀、变送器、检测单元、可编程序控制器（plc）或集散型控制系统（dcs）等。 随着过程工业的大型化、现代化水平的提高，对自动化系统工程师的专业技术水平的 要求也越来越高， 工程师所作的设计或所负责运行的整个生产过程控制系统， 必须是安全的、 稳定的；同时应当使得操作状态达到和保持生产成本最低、利润最大等最优工况；此外还应 考虑节能和环境保护等要求。 asea 实践技能测试环节，主要是考核工程师的基本技能是否达到。过程控制的基本 技能包括如下方面。 （1） 在熟悉流程、熟悉操作规程的前提下，能够较准确地识别过程系统的动态特性，主 要是识别流量、物位（液位） 、压力、温度和成分五种变量的动态特性。动态特性以 测定时间常数、获取阶跃响应曲线、分析响应曲线为主。 （2） 在了解系统特性的基础上，能够快速掌握 dcs 模式组态方法，采用控制系统软件组 态技术，设计合理的控制系统，判明正确的控制规律。控制方法以简单控制、常用 复杂控制为主。 （3） 在具有对控制系统和过程系统综合仿真功能的装置上（由于不可能也不允许在真实 工厂试验）正确地调试和投运所设计的控制系统。控制系统调试以常用 pid 参数整 定方法为主。 （4） 能够用简明的方法验证控制方案的可行性和有效性。 第一单元第一单元 控制技能测试系统控制技能测试系统 asea 控制技能测试专用实验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系 统监控软件及过程模型软件四部分组成。 四部分通过小型实时数据库、 实时数字通信协调运 行，完成复杂的过程与控制模拟实验。 78 一、小型流程设备盘台 一、小型流程设备盘台 见图 1-1 所示，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。主设 备包括：一台卧式储罐、两台高位计量罐、一台带搅拌器的釜式反应器、一台列管式热交换 器、三台离心泵、十个手动/自动双效阀门和若干管路系统。在垂直的仪表盘面上分布有压 力（p） 、流量（f） 、温度（t） 、物位（l） 、功率（n） 、组成（a）和阀位（v）等传感器（变 送器）插孔和数字式软仪表。本盘台是直接操作和运行过程系统的环境。本环境给操作员以 全真实的空间位置感觉、 全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。 由于真实过程 装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因 此，本系统和真实系统的观测界面完全一致。 图 1-1 控制技能测试系统小型流程盘台外观 1. 盘台检测点、操作点与控制点 盘台检测点、操作点与控制点 见图 1-2 所示，小型流程盘台上可以变化组合的检测点、操作点与控制点统计如下： （1） 电子阀： 10 个 （v1v10，既能定义为手动阀门，也能定义为控制阀） （2） 电子开关： 4 个 （s2、s4、s5、s8） （3） 开关阀： 4 个 （s1、s3、s6、s7，用于快开特性阀门的操作） （4） 流量检测点：10 个 （f1f10） （5） 液位检测点： 4 个 （l1l4） （6） 压力检测点： 7 个 （p1p7） （7） 温度检测点： 6 个 （t1t6） （8） 功率检测点： 1 个 （n） （9） 组份检测点： 1 个 （a） （10） 指示灯： 2 个 （d1、d2） 79 图 1-2 控制实验系统流程 2.彩色液晶显示器 2.彩色液晶显示器 是一台大尺寸(17 吋)高分辨率彩色液晶显示器，安装在盘台左上方（见图 1-1 所示） 。 液晶显示器上自动显示十五个任意选定的指示仪表。其中最上排设有五个“棒图”显示仪。 当用两端有插头的黑色软线将流程中的变量传感器测量点连接到液晶显示器下方的上数第 一排 15 号黑色插孔时，被检测变量即被指定到对应的五个“棒图”显示仪中的某一个，包 括变量位号、上下限指示都自动被指定并立即显示。上数第二排和第三排 615 号黑色插孔 对应十个“数字”显示仪，直接进行变量数值显示。这种显示方式具有很大地灵活性，使用 者可以通过黑色软线将盘台上的任一个变量连接到任一个指示仪表上读取数据。 33 标准模拟量输出和输入接口 标准模拟量输出和输入接口 本测试系统可以通过直流 420 ma 国际标准 a/d、d/a 信号与集散型控制系统 dcs、可编 程序控制器 plc、 基于 pc 的控制系统等连接。 启用本功能必须在组态时定义为 “外控方式” 。 在外控方式下， 液晶显示器上十五个任意选定的指示仪表， 不但与液晶显示器下面 115 号黑色插孔有一一对应关系，而且还与盘台左侧面小窗口内的接线端子排有一一对应关系。 对应关系见图 1-3。当外接控制系统需要通过 420 ma 国际标准信号获取盘台上的某一个指 定变量数据时，应先将该变量用黑色软线连接到对应的 115 号黑色插孔中的某一个，然后 从接线端子排对应排号用导线连接到外接控制器。 在外控方式下，液晶显示器下面 15 号红色插孔（见图 1-2 所示）被启用。目的是将外 接控制器的控制输出信号接收过来， 并连接到指定的控制阀。 连接方法是用两端有插头的红 色软线将指定的控制阀上的红色插孔与 15 号红色插孔中的某一个相连。 15 号红色插孔与 盘台左侧面小窗口内的接线端子排也有一一对应关系。对应关系见图 1-3。 80 图 1-3标准模拟量输出和输入接口端子排编号 二、动态数学模型软件 二、动态数学模型软件 本测试系统采用动态定量数学模型模拟真实工艺流程， 并提供各变量随时间变化的瞬态 值。具体分为以下五种流程的动态仿真模型： （1） 离心泵及三级液位动态仿真模型 （2） 压力系统动态仿真模型 （3） 热交换器过程动态仿真模型 （4） 连续反应（cstr）动态仿真模型 （5） 间歇反应动态仿真模型 为了高逼真地进行过程的开、停车、正常运行和故障状态的操作及控制，本系统的数学 模型考虑了如下几个重要方面。 （1）动态模型应能反映被仿真装置的实际尺寸，包括设备尺寸、管道尺寸、阀门尺寸等， 能反映系统物料和能量的变化与传递的定量关系。 （2）动态模型能反映被仿真系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特性、气液平衡 特性、这些特性常常是非线性的。 （3）动态模型能反映被仿真系统的动态时间常数、惯性、时间滞后、多容和高阶特性。 （4）动态模型的求解速度达到实时要求、求解精度满足实验要求。 为了进行复杂的控制实验，除了过程模型外还特别开发了常用控制算法模块库，例如， pid 控制器，传递函数、外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、继电器特性、随机信 号器等，可以方便地通过“软连接”构造多种多样的控制系统。配合小型专用实时数据库及 高速模型计算技术， 本实验系统中的动态数学模型软件能够在监控软件的控制下完成过程系 统的实时仿真计算。 81 三、控制系统图形组态软件 三、控制系统图形组态软件 为了灵活地设计组合多种多样的控制方案， 本实验系统提供自行开发的、 专用的控制系 统图形组态软件。能够在计算机“桌面”上通过图形软连接、在“菜单”提示下填写参数和 数据等方法完成控制系统组态。这种组态方法与集散型控制系统（dcs）组态完全相同，并 进一步增加了控制算法的组态设计功能。也就是说集成了 dcs 和 matlab 的双重功能， 并且更直观、更简明、更符合控制技能测试的要求。控制系统图形组态软件提供以下具体功 能。 （1） 提供常见的 pid 控制算法，允许配置参数。 （2） 控制方案的组态设计功能，允许自行设计控制方案，包括控制与被控制变量的选择、 算法的选择以及复杂控制实验等。 （3） 控制算法的组态设计功能，提供两种方式的控制算法组态：提供图形化控制算法组 态工具，可以对通道模型、非线性环节、逻辑算法及传递函数等进行自定义；提供 标准 dll 工程，将其它计算机语言所写的控制算法动态链接到当前控制回路中。 （4） 信号发生器组态。提供常用的信号发生器，对当前的现场信号进行叠加。 （5） 信号输出组态。提供信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以便进行信 号后处理。 （6） 提供响应曲线图形分析的辅助功能，例如作水平和切线辅助线、曲线的二维任意放 大缩小、任意移动位置、任意读取时间和参数坐标值等，大大方便了测试分析工作。 （7） 通过组态定义可以实现狭义对象特性测试和广义对象特性测试。这是其它实验系统 所无法实现的功能。 为了方便使用， 控制系统图形组态软件具有错误组态方案的自诊断功能。 当组态的方案 不合理时，软件能给出提示。此外，还具有智能化自动排序功能。本软件采用深层知识“专 家系统”推理方法，对组态生成的控制系统计算顺序进行优化排序，能够保证计算结果的准 确性。 四、实验系统监控软件 四、实验系统监控软件 盘台上的所有操作点和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，称其为状 态“全恢复”功能。本功能是测试实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故 障状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。 测试实验系统监控软件对每一项实验提供工程管理， 便于选择不 同的实验，以及对当前的实验进行管理。具体分为以下功能。 （1）实验开始、暂停、恢复及自检验功能； （2）实验项目切换； （3）实验项目当前状态（又称为“快照” ）存储； （4）运行时参数的随机或动态改变； （5）多画面切换。 五、测试系统硬件功能 五、测试系统硬件功能 1 传感器（即变送器）信号（420ma）输出及控制阀信号（420ma）输入。可以外接 dcs 控制系统、plc 控制器、或其他具有 420ma 标准工业信号的控制设备。 2 硬件组态功能。在液晶显示器上彩色显示 15 个数据单元（5 个棒图显示和 10 个数码显 82 示） ， 每个显示单元都有一个数据输入黑色插孔。 另外在设备和管道上布置了 29 个数据 输出插孔。 通过导线连接数据输入插孔和数据输出插孔， 则完成了对显示单元显示数据 内容的硬件组态。当“外控方式”时，5 个自动阀控制输出红色插孔，可以连接任意的 阀门控制输入插孔。连接后该阀门设定为自动阀（此时手动操作不能改变阀位） 。 3 测试和操作单元的自摘除功能。在本系统上可以完成规模不同的试验，每次进行试验的 过程中投入使用的设备种类和数量可以通过组态软件定义。 没有通过组态软件定义的数 据采集点不能进行数据采集， 该设备在试验进行的过程中不投入使用。 同时也不能输出 模拟信号。没有通过组态软件定义的阀门不投入使用。 4 自动可定义的双效阀门。所有投入使用的阀门如果没有组态为控制阀，则自动设定为手 动阀门。 5 硬件单元通过地址开关设定地址。同类型的硬件单元可以互换。 6 现场“全恢复”功能。现场的全部硬件设备可以通过软件快速设定为任意的工作状态。 第二单元 离心泵与三级液位过程 第二单元 离心泵与三级液位过程 一、流程说明 一、流程说明 见图 1-4，第一级液位系统为卧式储罐，其上游设双效阀 v1，入口流量 f1，储罐液 位 l1，储罐下部出口快开阀 s1（开关） ，离心泵，离心泵入口压力 p2，离心泵出口压力 p3， 离心泵出口流量 f2，离心泵高点排气阀 s3（开关） ，排气完成指示灯 d1，离心泵出口双效 阀 v2。第一级液位系统和离心泵另设独立的实验项目，系统结构及所有内容与三级液位的 第一级完全相同。 离心泵一般由电动机带动。 启动前须在离心泵的壳体内充满被输送的液体。 当电机通过 联轴结带动叶轮高速旋转时，液体受到叶片的推力同时旋转，由于离心力的作用，液体从叶 轮中心被甩向叶轮外沿，以高速流入泵壳，当液体到达蜗形通道后，由于截面积逐渐扩大， 大部分动能变成静压能， 于是液体以较高的压力送至所需的地方。 当叶轮中心的流体被甩出 后，泵壳吸入口形成了一定的真空，在压差的作用下，液体经吸入管吸入泵壳内，填补了被 排出液体的位置。 离心泵若在启动前未充满液体，则离心泵壳内极易存在空气，由于空气密度很小，所产 生的离心力就很小。 此时在吸入口处形成的真空不足以将液体吸入离心泵内， 因而不能输送 液体，这种现象为“气缚” 。所以离心泵在开动前必须首先将被输送的液体充满泵体，并进 行高点排气。 第二级液位系统，高位非线性计量罐，该罐的上部是直圆桶型，下部为圆锥型，液位 l3，罐出口流量 f5，出口双效阀 v5； 第三级液位系统，釜式反应器，反应器液位 l4，出口流量 f9，出口双效阀 v9。 在三级液位实验中，三个储水罐都通大气，即都为敞口设备。设备尺寸和阀门选型如 下： 1 卧式储罐，直径1000 mm，长度1000 mm，体积0.785 m3 2 卧式储罐上游自来水管公称直径 dg100 mm （1084无缝钢管） 3 调节阀v1，选吴忠仪表厂hts单座调节阀，公称通径dg100 mm，阀座直径65 mm，高精 度流量特性阀芯，流通能力 kv= 58.3（cv= 68） 4 卧式储罐出口到离心泵入口水管长度 2 m，公称直径 dg80 mm （893.5无缝钢管） 5 离心式水泵，型号2b31，流量30m3/h，扬程24 m，功率3.07 kw，电机 4.0 kw，允许吸 入高度 5.7 m，叶轮直径162 mm（离心式水泵特性可直接在本实验系统测得） 83 6 离心泵出口至高位非线性计量罐水管长度 8 m，公称直径 dg50 mm （572.5无缝 钢管） 7 调节阀v2，选吴忠仪表厂hts单座调节阀，公称通径dg50 mm，阀座直径50 mm，高精度 流量特性阀芯，流通能力 kv= 37.7（cv= 44） 8 高位非线性计量罐（第二级液位） ，直径600 mm，圆筒型部分高度1000 mm，圆锥型部 分高度520 mm，体积0.33 m3 9 釜式反应器（第三级液位） ，直径1000 mm，高度1600 mm，体积1.26 m3 图1-4 离心泵与三级液位流程图 10 高位非线性计量罐至釜式反应器顶部高差1000 mm，连接水管长度 2 m，公称直径 dg100 mm （1084无缝钢管） 11 调节阀v5，选吴忠仪表厂hts单座调节阀，公称通径dg100 mm，阀座直径100 mm， 高精度流量特性阀芯，流通能力 kv= 150（cv= 175） 12 釜式反应器底部排水管向大气排水， 高差500 mm， 水管长度 2 m， 公称直径 dg100 mm （1084无缝钢管） 13 调节阀v9，选吴忠仪表厂hts单座调节阀，公称通径dg100 mm，阀座直径100 mm， 高精度流量特性阀芯，流通能力 kv= 150（cv= 175） 二、变量说明 二、变量说明 1检测变量 1检测变量 f1 罐上游入口流量 kg/s l1 储罐液位（第一级） % p2 离心泵入口压力 mpa p3 离心泵出口压力 mpa f2 离心泵出口流量 kg/s n 离心泵电机功率 kw d1 排气完成指示灯 l3 高位非线性计量罐液位（第二级）m (01.52m) f5 高位非线性计量罐出口流量 kg/s 84 l4 釜式反应器液位（第三级） m (01.60m) f9 釜式反应器出口流量 kg/s 2操作变量操作变量 v1 卧式储罐上游入口阀 v2 离心泵出口阀 v5 高位非线性计量罐出口阀 v9 釜式反应器出口阀 s1 储罐下部出口快开阀（开关） s2 离心泵电机开关（开关） s3 离心泵高点排气阀（开关） 三、系统特性三、系统特性 1 第一级液位系统，圆形卧式储罐液位变化为非线性特性，当液位处于50%时，储罐水平 截面积最大，时间常数也最大。当液位从50%向高或低端变化时，储罐水平截面积越来 越小，时间常数也变小。由于储罐出口设有离心泵，强制排水，第一级液位系统是非自 衡系统。 2 第二级液位系统，高位非线性计量罐的上部是直圆筒型，其液位变化为线性特性，下部 为圆锥型，其液位变化为非线性特性，从锥低至锥顶时间常数越来越大，上下两段可用 不同的控制方法。在本系统中，液位的高度是出口流量的推动力，在一定的条件下第二 级液位系统是自衡系统，即当入口流量出现阶跃变化，会导致液位变化，而液位的变化 正好使出口流量与入口流量相等（虽然出口阀位维持不变） ，液位将稳定于新的高度上。 反之改变出口流量也有相同的现象。 3 第三级液位系统，釜式反应器为立式直圆筒型，除了底部外，液位变化为线性特性。在 一定的条件下第三级液位系统也是自衡系统。由于釜式反应器容积是高位非线性计量罐 的3.8倍，其液位变化时间常数较大，惯性较大。 4 本三级液位系统，上游的干扰能够向下游传播，具有多容动态特性。然而，下游的干扰 无法向上游传播，因此，本系统是单向关联的。下游对上游而言是隔离的。 四、系统开车及正常运行四、系统开车及正常运行 1 完成第一级液位 l1 控制系统 lic-01 组态，控制阀选 v2。第二级液位 l3 和第三级液位 l4 不设自控，由手动调整。 2 检查各开关、手动阀门是否处于关闭状态。为了防止液位 l3、l4 超限，可将 v5、v9 全开。 3 将液位 l1 控制器 lic-01 置手动，置控制器输出为零。 3进行离心泵充水和排气操作。开阀门 v1，使液位 l1 上升到 30%，开离心泵入口快开阀 s1，开离心泵高点排气阀 s3，直至排气完成指示灯 d1 亮，指示气完成。关阀门 s3。 5为了防止离心泵开动后贮水槽液位上升过高，手动操作 lic-01 的输出使液位上升到 50% 左右时投自动。或先将 lic-01 投自动，待离心泵启动后再将 lic-01 给定值提升至 50% 左右。注意此时第一储罐只有流入的流量，没有流出的流量，l1 是不可控的。 6在泵出口阀 v2 关闭的前提下，开离心泵电机开关 s2，低负荷起动离心泵电动机。 7开离心泵出口阀 v2。手动调整 v2，使流量逐渐上升至 6 kg/s 左右且稳定不变。 8全关阀门 v5，使液位 l3 上升到 1.0 m 左右。调整 v5 使 l3 大致稳定在 1.0 m 左右。 9全关阀门 v9，使液位 l4 上升到 1.0 m 左右。调整 v9 使 l4 大致稳定在 1.0 m 左右。 85 10如果此时改变 v2 的开度，应调整 v5 和 v9，才能维持 l3 和 l4 不变。 五、思考题五、思考题 1何为离心泵气缚现象？如何克服？ 2为什么离心泵开车前必须充液、排气？否则会出现什么后果？ 3为什么离心泵开动和停止时都要在出口阀关闭的条件下进行？ 4简述三级液位系统的开车步骤。 5手动调整使液位 l3 和 l4 基本稳定不变的要领是什么？ 第三单元 列管式热交换器传热过程 第三单元 列管式热交换器传热过程 一、流程说明一、流程说明 图 1-5 为列管式热交换器传热系统。本实验流程包括：列管式热交换器，管程入口流量 f9，冷却水泵电机开关 s5，管程入口阀 v9，管程入口温度 t2，管程出口温度 t3，壳程入 口流量 f10，壳程入口阀 v10，壳程入口温度 t4，壳程出口温度 t5，壳程高点排气阀 s7 （开关） ，排气指示灯 d2。 本热交换器为列管式结构，起冷却作用，管程走冷却水（冷流） 。含量 30的磷酸钾溶 液走壳程（热流） 。工艺要求：流量为 18441 kg/h 的冷却水，从 20上升到 30.8,将 65 流量为 8849 kg/h 的磷酸钾溶液冷却到 32。 列管式热交换器设备基本数据： 壳内径 d=250 mm 管长 l=5.0 m 折流板间距 b=0.1 m 列管外径 do=19 mm 列管内径 di=15 mm 列管根数 n=52 根 总传热系数 k=924.8 kcal/ (m2h) 壳程压降 ps=0.024 mpa 二、变量说明 二、变量说明 1检测变量 1检测变量 f9 管程冷却水入口流量 kg/h ( 0-25000 ) t2 管程入口温度 t3 管程出口温度 f10 磷酸钾溶液壳程入口流量 kg/h ( 0-15000 ) t4 壳程入口温度 t5 壳程出口温度 d2 壳程高点排气指示灯 86 图 1-5 列管式热交换器传热系统 2操作变量操作变量 v9 管程入口阀 v10 壳程入口阀 s5 冷却水泵电机开关（开关） s7 壳程高点排气阀（开关） 三、系统特性三、系统特性 1 热交换器热流和冷流出口温度变化惯性较大，对扰动呈现高阶响应特性。例如，冷流出 现阶跃变化，热流出口温度开始几乎看不出变化，相当于一段时间的纯滞后，才出现温 度变化。这是因为传热需要一个过程。 2 热交换器出口温度变化的时间常数，大约等于流体在热交换器中的停留时间。由于冷、 热流分别在管程与壳程中互不接触，各自的流量不一定不同，管程与壳程的容积也不一 定相同，停留时间也不一定相同。 3 流体在热交换器中的停留时间随流量不同而变化（容积是固定的） ，因此，热交换器温 度的时间常数也随流量而变化，是反比关系。 四、系统开车及正常运行四、系统开车及正常运行 1 启动上位机控制系统组态软件，以热流出口温度 t5 为被控变量，以冷却水流量 f9 为控 制变量，构成单回路温度控制系统 tic-01，控制器出连接到控制阀 v9。完成对应的流 程盘台连线。将上位机软件置运行状态。 2 开车前设备检验。冷却器试压，特别要检验壳程和管程是否有内漏现象，各阀门、管路、 泵是否好用，大检修后盲板是否拆除，法兰连接处是否耐压不漏，是否完成吹扫等项工 作（本项内容不包括在本实验系统中） 。 87 3检查各相关开关、阀门是否处于关闭状态。控制器应处于手动且输出为零。 4开冷却水泵开关 s5。 5将温度控制器 tic-01 手动输出逐渐开大至 50%。 6开热流磷酸钾溶液手动阀门 v10，开度约 10%。 7进行壳程高点排气。开排气阀 s7，直到阀出口指示灯 d2 亮，表示排气完成，关阀 s7。 8手动调整冷却水量。当壳程出口温度 t5 手动调节至 320.5且稳定不变后打自动。 9缓慢提升负荷。逐渐手动将磷酸钾溶液的流量增加至 8800 kg/h 左右。开车达正常工况 设计值见流程说明。 五、思考题 五、思考题 1简述列管式热交换器由哪些部件组成。 2什么是管程？什么是壳程？ 3对于热交换器而言，影响传热速率的因素有哪些？ 4热交换器开车前为什么必须进行高点排气？ 5热交换器停车后为什么必须进行低点管程、壳程排液？ 第四单元第四单元 测试组态软件的使用测试组态软件的使用 模块（一） 启动测试软件 模块（一） 启动测试软件 软件启动后，初始画面如图 4-1 所示。 图 4-1 模块（二） 新建实验工程 模块（二） 新建实验工程 88 在工具栏中点击新建工程按钮“” ，或在工程菜单下点选“新建工程” ，或按下快捷 键+，将弹出图 4-2 所示的“实验模板”选择窗口。 页签内显示当前版本软件所支持的实验项目。选择某一实验项目（图中为液位系统） ， 下方的对话框中将显示对该系统实验的简介。 在实验名称下的文本框中输入新实验的名称，如图 4-3 所示，为“myproject” 。 图 4-2 图 4-3 点击保存目录下文本框右面的按钮 “” ， 选择一个新建的工程将要保存的目录后点击 【确定】按钮，如图 4-4 所示。 89 图 4-4 然后，在实验模板对话框中点击【确定】按钮。系统在指定的目录下以 myproject 为名， 新建一个工程目录，生成实验所需的所有文档，最后打开工程。用户将看到如图 4-5 所示界 面。 图 4-5 ：您可以使用打开按钮“：您可以使用打开按钮“” ，打开已存在的实验工程。当打开新的实验工程时，系统当前运行的 工程将被关闭。 ” ，打开已存在的实验工程。当打开新的实验工程时，系统当前运行的 工程将被关闭。 90 模块（三） 查看数据点定义 模块（三） 查看数据点定义 点击工具栏上“”按钮，切换到数据点定义视图，如图 4-6 所示。 图 4-6 在该视图内， 用户可以进行数据点 （tag） 的定义、 编辑和删除操作。 由于数据点是 dcs 等工业系统中的基本数据单元， 所以数据点定义往往是工业组态的第一步。 为了节省实验时 间，测试软件中大部分实验项目，已经将需要使用的数据点做了定义，用户可以根据需要自 己添加、修改或删除这些点定义。数据点定义的任何修改，将马上在其它窗口中更新。 ：在大部分实验项目中，只是使用整个流程盘台中的一部分。因此，在数据点定义时，也只需对该 部分内的过程变量进行组态定义。只有进行数据点定义后的过程变量，在运行时才能访问。用户才可以通 过黑线在实时数据显示屏上显示数据。未经数据点定义的过程变量，在运行时处于未激活状态，盘台显示 屏上将显示“未投用”字样。 ：在大部分实验项目中，只是使用整个流程盘台中的一部分。因此，在数据点定义时，也只需对该 部分内的过程变量进行组态定义。只有进行数据点定义后的过程变量，在运行时才能访问。用户才可以通 过黑线在实时数据显示屏上显示数据。未经数据点定义的过程变量，在运行时处于未激活状态，盘台显示 屏上将显示“未投用”字样。 选中某一数据点，然后点击当前窗口中工具栏的属性按钮“” ，即弹出图 4-7 所示的 点定义属性对话框，用户可以在该对话框内修改当前的数据点定义。 在数据点定义中，关键是要指明位号和 i/o 通道。 如上图为卧式储罐液位 l1 的数据点， 其位号为 li-01。i/o 通道在组态软件中，指得是输入或输出的硬件通道号。在测试软件中， 指定 i/o 通道（或数据源）被简化为指定流程盘台上的哪一个过程变量。这样，通过数据点 定义，将过程变量与 dcs 中的位号联系起来。而测试软件中所有的模块，其数据引用与操 作都是以位号来进行，即以数据点为最基本的数据单元管理。 在数据点的报警限设置一栏中， 如果需要对当前检测的变量进行实时报警， 可以指定高 低限和高高/低低限。凡是设置了报警限的数据点，在报警窗口中，就会自动生成一个报 警单元，实时监测该数据点。一旦有越限，即发出报警。 91 图 4-7 查看数据点定义中的每一个数据点，确认是否满足实验的需要。 ：可以使用新建数据点按钮“：可以使用新建数据点按钮“” ，增加一个新的数据点。” ，增加一个新的数据点。 ：数据点定义窗口在运行时，每一个数据点将实时刷新各个变量数值。因此，用户也可以在数据点 窗口中看到当前实验项目中，所有相关的过程变量数值。 ：数据点定义窗口在运行时，每一个数据点将实时刷新各个变量数值。因此，用户也可以在数据点 窗口中看到当前实验项目中，所有相关的过程变量数值。 ：建议用户轻易不要删除系统已经设置完成的数据点“：建议用户轻易不要删除系统已经设置完成的数据点“” 。删除数据点后，在系统运行时，其对 应的过程变量在流程盘台上将不能激活。 ” 。删除数据点后，在系统运行时，其对 应的过程变量在流程盘台上将不能激活。 模块（四） 查看流程图 模块（四） 查看流程图 点击测试软件主工具栏中 “” 按钮，切换当前窗口至流程窗口。如图 4-8 所示。 流程窗口显示了当前实验内容中所涉及的工艺流程。 由于大部分实验只是使用流程盘台 上的部分流程。因此，流程窗口中只显示当前实验所涉及的部分。用图形化的方式，将现场 工艺流程在软件内绘制出来， 并能在运行时实时观察各个数据点的实时数据， 是工业组态软 件的一项重要功能。为了缩短实验时间，简化准备工作，在新建实验工程时，测试软件已经 自动构建了与本实验相关的全流程图。当然，用户也可以空白工程开始进行工艺流程组态。 92 图 4-8 一、 文本标签 一、 文本标签 工艺流程窗口中，除了管道、阀门、泵等工艺设备之外，还可以加入数据点显示标签。 在实验运行时，该标签将显示实时过程数据，实现现场监测功能。具体操作如下： 在流程窗口工具栏中，点击文本标签按钮“” ，然后在窗口中需要显示数据的位置，按 下鼠标左键不放，拖动一定的距离后放开。流程图将在指定位置生成一个新的文本标签，如 图 4-9 中红圈处所示： 图 9-9 用鼠标在文字标签上点右键，在图示的弹出菜单中，选择“属性”项，将弹出“文本指示配 置”对话框，如图 4-10 所示。 图 4-10 在数据源下拉框中，选择所要显示的数据点（通过位号进行选择） ，图 4-10 中为位号为 fi-01 的数据。在前缀与单位文本框中填入相应的显示内容后，点击确定。流程图中的文本 标签已经完成更新，并显示当前 fi-01 的实时数据。如图 4-11 所示。 93 图 4-11 为了节省实验时间，测试软件在大部分项目中，已经将相关的文本标签组态完毕。 二、 阀门特性 二、 阀门特性 在流程图中，用户可以对阀门的特性进行设置。在流程窗口中，选中某一阀门。点击右 键，在弹出菜单中选择“属性” ，将弹出图 4-12 所示的“阀门调整”对话框。 在阀门类型选项中，您可以选择线性阀、快开阀、等百分比阀、抛物线阀或开关阀（只 有开与关两种状态） 。阀门开度为只读属性，显示阀门的当前开度。设备号是软件系统内部 用于模块挂接使用， 为了指明当前阀门对应流程盘台上具体哪一个阀， 请按照实际流程来选 择。cv 值是代表阀门流通能力的常数，数值根据不同的实验项目而改变，用户不要对其进 行修改。参数调整完毕后，按【确定】按钮提交修改。 图 4-12 模块（五） 控制系统组态 模块（五） 控制系统组态 控制系统组态窗口， 主要完成控制方案与控制器的配置。 用户主要在该窗口中通过模块 对象的可视化图形搭接，构建控制系统。 94 在工具栏中点击“”按钮，将当前窗口切换到控制系统组态窗口。如图 4-13 所示。 图 4-13 测试软件提供了大量的控制模块供用户使用， 这些模块都由控制模块库统一管理。 点击 测试软件主工具栏上 “” 按钮，弹出如图 4-14 所示的工具箱。 图 4-14 在工具箱左边树形窗口中， 所有的控制模块以目录方式排列。 请点击目录图标左边的十 字按钮，打开各个目录下的模块，熟悉测试软件模块的种类与名称。 下面， 我们将构建一个简单的液位控制来演示如何进行反馈控制回路的构建。 控制对象 为圆形卧罐的液位 l1，目标为 50，执行器选择卧罐入口阀 v1。 一、设置数据采集点 一、设置数据采集点 构建控制回路的第一步，需要采集流程中的实时数据作为控制器的输入。因此，需要在 控制组态窗口中引入“变送器”模块。该模块模拟现场变送器从盘台上获得工艺流程中的现 场数据，以便送入控制器作为 pv 值。 在模块库左侧树形列表中，打开“信号源”目录，双击“信号源”图标，在工具箱右边 95 将加载“信号源”模块页，如图 4-15 所示。 用鼠标左键点中“变送器采集点”不放，拖动至控制组态窗口中放开，即在控制组态窗 口中生成了一个“变送器”模块，如图 4-16 所示。 双击该模块符号，弹出图 4-17 所示“数据采集点配置”对话框。 在“选择位号”下拉框中，选择 li-01，即表示当前“变送器”模块将从现场获取 li-01 位号对应的实时数据（在本实验中为卧式储罐的液位数据） 。点击【确定】按钮，窗口中“变 送器”模块的图标将变为如图 4-18 所示。 图 4-15 图 4-16 96 图 4-17 li-01 变送器 图 4-18 二、控制器组态 二、控制器组态 测试软件提供了大量的基础控制算法模块。 用户可以利用这些模块可视化地构建出各类 复杂控制、先进控制等控制系统。但是，对于常见的控制问题，可以直接使用系统提供的常 规 pid 控制器，实施从单回路控制到复杂控制的各种方案。 在模块库工具箱的左侧树形列表中，打开“运算模块”目录，双击“控制器”图标，右 边将加载“控制器”模块页，如图 4-19 所示。 图 4-19 同样，选中 pid 控制器图标，并将它拖放至控制组态窗口，生成如图 4-20 所示的 pid 控制器图标。 97 p i d pv sp op 图 4-20 图标底部小字“pid”代表当前控制器为常规 pid 控制器，每一字母处都允许外部输入 比例系数、积分时间和微分时间。左侧小字“pv”代表该处接受现场检测信号，右侧 op 代表该处往其它模块送出控制器的输出值。顶部 sp 代表可以从该处接受外部输入的设定值 （如串级控制系统） 。双击该图标，弹出“pid 控制器配置”对话框，如图 4-21 所示。 图 4-21 在基本设置栏中，将控制器取名为 lic-01，填入位号框中。在控制器投用之前，先将 控制状态投为手动。由于在示例中将采用入口阀 v1 来控制罐的液位，因此选择控制器为反 作用。 在 pid 参数设置栏中，kc 代表比例系数，ti 代表积分时间（单位为秒） ，td 代表微分 时间（单位为秒） 。对于工业现场的液位控制，一般采用纯比例控制器，即将 kc 作为控制 手段即可。在本例中，为了演示积分控制手段消除余差的作用，加入积分控制，组成 pi 控 制器。由于不采用微分环节，所以在微分项中保持缺省值为 0。 ：注意，积分控制的效果与积分时间成反比。因此，当采用纯比例控制器时，为了消除积分作用， 应当在该项中填入一个很大的数，比如 ：注意，积分控制的效果与积分时间成反比。因此，当采用纯比例控制器时，为了消除积分作用， 应当在该项中填入一个很大的数，比如 99999 或或 1e20 秒，即秒，即 11020秒。秒。 按照图 4-21 所示填写 kc、ti 及 td 三个参数。 在测量范围栏中，由于检测的变量为液位，因此填入 pv 上下限从 0-100%。 设定值栏中，将设定值 sp 设为 50，即需要将液位控制在 50。当控制器的 sp 由外部给出 时（如串级中副控制器） ，需要指定 sp 的单位。一般情况下，串级时由于副控制器的 sp 值 接受自主控制器的 op 值（对应 0-100） ，是一个相对量，所以此处单位设为“” 。在比 值控制中，则 sp 值接受外部乘法器或除法器的输出，其数值为绝对值，所以应选择“绝对 量” 。控制器的输出可以指定为“绝对量 op”输出与“增量 op”输出两种方式。缺省使用 “绝对量 op”方式，此时控制器的输出值即为控制阀的期望开度。当使用“增量 op”方 式时，控制器的输出为op，即输出的是对应前一时刻的改变值。 ：注意，当设置为增量 op 方式时，在控制器输出点的设置中，也必须设置为增量方式。见下一节“设 ：注意，当设置为增量 op 方式时，在控制器输出点的设置中，也必须设置为增量方式。见下一节“设 98 置执行单元” 。 置执行单元” 。 配置完成后，点击【确定】按钮。当前 pid 控制器的图标将更新为图 4-22 所示。 lic-01 p i d pv sp op 图 4-22 三、设置执行单元 三、设置执行单元 为了让控制器的输出信号，能够送给执行机构（如控制阀） ，需要在控制组态窗口中引 入“带定位器的控制阀”模块。该模块负责接收控制器的 op 输出，并将该输出信号送至流 程盘台上的某一个控制阀以控制其开度，达到对流程实施控制的目的。 在模块库的左侧树形目录中，打开“信号输出”目录，双击“信号输出”图标，右侧将加载 “信号输出”模块页。如图 4-23 所示。 图 4-23 选中“带定位器的控制阀”图标，并将该图标拖动至控制组态窗口中，生成一个新的“带定 位器的控制阀”模块，如图 4-24 所示。 带定位器控制阀 图 4-24 双击该图标，或者单击工具栏中属性按钮“” ，弹出“数据输出点配置”对话框， 如图 4-25 所示。 在该对话框的位号下拉框中，选择要输出的控制阀位号，图 4-25 中为 v-01。数值范围 栏中的上、下限框自动根据数据点定义中 v-01 的仪表上下限进行填写。 在数据输出类型栏中，需要设置接收控制器 op 输出的数据类型为绝对量还是增量。缺 省情况下，模块使用绝对量，即代表接收控制器的 op 输出值，即为控制阀的目标开度 mv。 99 图 4-25 ：注意，当控制器 op 输出设置为增量 op 方式时，则此处的数据输出类型必须设置为增量方式。见 上一节“控制器组态” 。 ：注意，当控制器 op 输出设置为增量 op 方式时，则此处的数据输出类型必须设置为增量方式。见 上一节“控制器组态” 。 四、信号连接 四、信号连接 完成上述步骤后，控制组态窗口如 9-26 图所示。 图 4-26 为了将“变送器”模块检测到的实时数据能输入“pid 控制器”模块，并将控制器模块 的输出通过“带定位器的控制阀”模块调节流程盘台上的 v-01 控制阀开度，需要在图 4-26 中添加信号线，以连接三个模块。 点击控制组态窗口工具栏中信号线按钮“” ，将鼠标移至数据采集点中央黑色实心 小圆孔处，待鼠标变为手形时单击。然后将鼠标移到 pid 控制器图形的左侧小字“pv”处 的空心圆点处， 待鼠标变为手状时再次单击， 系统将生成一条从 “变送器 li-01” 模块至 “pid 控制器 lic-01”模块的信号连接线，表示从变送器获得的现场 l1 液位的 实时数据，将 作为 pv 值被送入 lic-01 控制器。 用相似的办法，建立从“lic-01 控制器”模块的 op 处至“带定位器的控制阀 v-01” 模块的信号连接，表示 pid 控制器的输出 op 值，将被送入“带定位器的控制阀 v-01”模 块所对应的控制阀（此处已通过位号定义为 v1 阀） ，作为该控制阀的目标开度。连接后图 形所图 4-27 所示。 100 图 4-27 至此，针对液位 l1 的单回路 pid 控制系统组态完成。 ：在的控制系统组态画面中，约定模块图标上实心的圆点代表信号由此处向外输出，即信号的输出 点。而空心的黑色圆点代表此处接受外部的信号输入，即信号输入点。只允许将信号连接线从输出点连到 输入点，而不能反方向连接。一个输出点可以与多个输入点构成信号连接，即同一信号可以输出至多个模 块。而一个输入点只能接收最多一个输入信号，因为多路信号直接往一个输入点中输送，其物理意义不明 确。如果需要将多路信号进行叠加后送入某一模块，可以借助数学模块页中加法器来完成。 ：在的控制系统组态画面中，约定模块图标上实心的圆点代表信号由此处向外输出，即信号的输出 点。而空心的黑色圆点代表此处接受外部的信号输入，即信号输入点。只允许将信号连接线从输出点连到 输入点，而不能反方向连接。一个输出点可以与多个输入点构成信号连接，即同一信号可以输出至多个模 块。而一个输入点只能接收最多一个输入信号，因为多路信号直接往一个输入点中输送，其物理意义不明 确。如果需要将多路信号进行叠加后送入某一模块，可以借助数学模块页中加法器来完成。 五、添加趋势画面 五、添加趋势画面 1控制组态窗口中的记录仪控制组态窗口中的记录仪 在控制组态窗口中， 由于各个模块间进行信号的传递。 对于这些中间信号数值与趋势的 观察，有助于用户判断系统的控制效果。为此，需要使用记录仪模块来完成这项功能。 在控制模块工具箱中，选择“信号输出”模块页。 如图 4-28 所示，选中“记录仪”图标，并将它拖动到控制组态画面中。系统将在控制 组态画面中生成一个新的“记录仪”图标，如图 4-29 所示。 该图标左侧有三个空心连接点， 代表它可以接受三路信号的输入， 其信号名称从上至下 依次为“line1” 、 “line2” 、 “line3” 。 101 图 4-28 记录仪1 图 4-29 点击控制组态窗口工具栏中信号连接按钮“” ，将“变送器 li-01”模块的信号输出 连至“记录仪 1”的 2 号连接点，将“pid 控制器 lic-01”模块的输出值连接至“记录仪 1” 模块的 1 号连接点，形成如图 4-30 所示的连接。 图 4-30 上图的连接，表示在运行时“变送器 li-01”采集到的卧罐液位 l1 的实时数据，将被 送入“记录仪 1”的 1 号通道中， “pid 控制器 lic-01”的输出则将送到“记录仪 1”的 2 号通道中。 为了能够使这两路信号以趋势画面的方式显示，选中“记录仪 1” ，并单击控制组态窗 口工具栏中操作面板按钮“” ，或者按住键后鼠标双击“记录仪 1”图标，将弹出 图 4-31 所示的趋势画面窗口。注意下方红圈处的曲线显示为 line1，line2，分别代表两路 信号。 102 图 4-31 在趋势画面中，x 轴（横轴）为系统运行时间，单位为秒。y 轴（竖轴）为数据轴。每 一条曲线拥有各自独立的数据轴，并以相同的颜色显示。 点击趋势画面工具栏中属性“”按钮，在弹出的属性对话框中选择“曲线”页，如 图 4-32 所示。 图 4-32 同样，我们可以看到列表中显示两条曲线。选中 line1，点击右边的修改按钮。可以看 到弹出的“曲线属性”对话框如图 4-33。 图 4-33 由于当前曲线记录的是控制组态窗口中的模块间传递的中间变量， 所以无法选择数据位 103 号。在显示标题文本框中，将“line1”修改为更易理解的“li