化工仪表及自动化实验指导书.doc

化工仪表及自动化实验指导书电气工程学院安全注意事项安全注意事项：在安装、操作、维护或检查本系统之前，一定仔细阅读以下安全注意事项。在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注意事项以后使用。 防止触电尽管系统经过多层保护，还是请用户注意以下安全事项。1. 当通电或正在运行时，请不要进行任何维护、维修操作，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板，否则会发生触电的危险。2. 即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要接触任何具有超过安全电压的裸露端子，否则接触各种充电回路可能造成触电事故。3. 请不要用湿手操作设定各种旋钮及按键，以防止触电。4. 对于电缆，请不要损伤它，不要对它加过重的应力，使它承载重物或对它钳压。 否则可能会导致触电。5. 包括布线或检查在内的工作都应由专业技术人员进行。在开始布线或维修之前，请断开电源，经过10分钟以后，用万用表等检测剩余电压后进行。 防止烫伤1. 不要接触热水管道，避免高温烫伤。在热水没有冷却时，不要打开锅炉，不要进行任何维修维护工作。2. 请尽量控制水温在70度以下，以免高温烫伤，提高产品寿命。 防止损坏1. 在水泵运行状态，绝对禁止进行水泵切换控制操作，否则可能损坏变频器。2. 在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，否则可能损坏加热器。该系统增加了硬件的连锁保护，但是也要在操作时注意。3. 系统应远离可燃物体。系统发生故障时，请断开电源。否则系统可能因电流过大导致火灾。4. 各个端子上加的电压只能是使用手册上所规定的电压，以防止爆裂、损坏等等。5. 确认电缆与正确的端子相连接，否则，可能会发生爆裂、损坏等等事故。6. 始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。目录实验一 实验系统认知3实验二 单容水箱液位数学模型的测定实验6实验三 单容水箱液位定值控制实验8实验四 单闭环流量控制实验11实验一 实验系统认知一、实验目的1、了解实验装置结构和组成。2、熟悉现场温度，液位，流量和压力仪表3、了解信号的传输方式和路径。4、掌握实验装置的基本操作和控制系统的使用。二、实验设备A3000-FS常规现场系统三、实验原理A3000高级过程控制实验系统独创现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器(包括电动调节阀、变频器及调压器)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箱，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实验功能。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)现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。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系统方便连接，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。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个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。2、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，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。四、实验内容与步骤1、现场系统的观察(1)观察 A3000-FS现场系统实验对象单元和各类传感变送单元。(2) 观察控制回路。2、控制系统硬件连线(1) 水箱液位控制系统的组成和连接。(2) 通讯系统。(3) 组态监控系统。3、启动实验装置的步骤(1) 将实验装置电源插头接到单相交流电源。(2) 打开现场系统电源漏电保护空气开关。此时1#电磁阀已经动作。否则检查线路。(3) 打开控制机柜电源漏电保护空气开关，指示灯亮起。(4) 打开智能仪表控制子系统电源，指示灯亮起。4、打开水泵，看整个液位实验回路工作是否正常，演示一个液位测量过程。5、在组态软件中观察系统实时运行情况。6、演示结束，关闭设备电源。六、思考问题如果要通过智能仪表控制液位，请描述开关那些阀门，启动那些信号。如果进行流量控制呢？计算机组态软件如何实现现场设备控制的？七、实验结果提交1、记录观察到的仪表信息及特性参数。2、绘制一个带控制点的水箱液位控制工艺流程图。实验二 单容水箱液位数学模型的测定实验一、实验目的1、熟练掌握液位测量原理。2、了解调节阀流量调节特性。3、掌握通过实验法获得单容水箱液位数学模型。二、实验设备A3000-FS/FBS常规现场系统，任选控制系统。三、实验原理与介绍1、实验结构介绍水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水位H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流) 原理如图2-1所示。调整水箱出口到一定的开度。突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。LT103给定值图2-1单容水箱液位数学模型的测定实验QohQiFV101通过物料平衡推导出的公式：那么 ，其中，F是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成。公式等价于一个RC电路的响应函数，C=F就是水容，就是水阻。如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下S函数表示：相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的过程控制，金以慧编著。2、控制系统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用PLC端口使用ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0调节阀FV101AO0AO0四、实验要求1、要求使用不同的给定值获得不同的曲线。2、给出数学模型。五、实验内容与步骤1、在现场系统A3000-FS上，将手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。2、在控制系统A3000-CS上，将下水箱液位(LT103)连到内给定调节仪输入端，调节仪输出端连到电动调节阀(FV101)控制信号端。3、打开A3000-CS电源，调节阀通电。打开A3000-FS电源。4、在A3000-FS上，启动右边水泵(P102)，给下水箱注水。5、调节内给定调节仪设定值，从而改变输出到调节阀(FV101)的电流，然后调节JV303开度，使得在低水位时达到平衡。6、改变设定值，记录水位随时间的曲线。7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题依据。分析如何测量系统的流出系数。分析，如果提供一个下水箱出口流量计，你能增加怎样的实验。七、实验结果提交1、通过抓图方法，提交获得的曲线。2、根据曲线，计算数学模型。实验三 单容水箱液位定值控制实验一、实验目的1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备A3000现场系统，智能仪表控制系统，万用表三、实验原理1、控制系统结构单容水箱液位定值控制实验，定性分析P, PI，PD控制器特性。控制逻辑如图3-1所示：LT103图3-1 单容下水箱液位定值控制实验QohQiLIC101FV101给定值干扰水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。使用P,PI , PID控制，看控制效果，进行比较。控制策略使用PI、PD、PID调节。 2、控制系统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口下水箱液位LT103AI0调节阀FV101AO0四、实验要求1、使用比例控制进行单溶液位进行控制，要求能够得到稳定曲线，以及震荡曲线。2、使用比例积分控制进行液位控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。3、使用比例积分微分控制进行液位控制，要求能够得到稳定曲线。设定不同的积分参数，进行比较。五、实验内容与步骤1、系统连接(1) 在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。(2) 在A3000-CS上，将下水箱液位输出连接到AI0，AO0输出连到电动调节阀上。(3) 打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。(4) 启动计算机组态软件，打开组态王Kingview，选择百特作为当前工程，在工具栏选择运行进入组态王监控界面。进入实验系统选择相应的实验。选择单回路水箱液位调节按钮，进入单回路水箱液位监控界面。启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。2、比例调节控制。(1) 设置P参数，I参数设置到最大，D=0。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。(2) 待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。(3) 减小P重复步骤1，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。(4) 增大P重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。(5) 选择合适的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，必须待系统稳定后再做另一次试验。观察并记录控制曲线。3、比例积分调节器(PI)控制(1) 在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即把“I”(积分器)由最大处设定到中间某一个值，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。(2) 固定比例P值(中等大小)，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察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p。如表1 所示：表1 不同Ti时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p(3) 固定Ti于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同P值下的超调量p。如表2所示： 表2不同值下的p比例P大中小超调量p(4) 选择合适的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。4、比例积分微分调节(PID)控制(1) 在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把在仪表上设置D参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。(2) 选择合适的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50%突变至60%来实现)。(3)对过渡过程曲线进行记录。实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。六、思考问题分析积分量I与被控系统的响应时间有什么关系。如果减少单容系统的容积，那么对控制系统的I是应该增大还是减少。七、实验结果提交1、通过抓图方法，提交获得的曲线。2、根据曲线，分析P，PI，PID控制大致具有哪些趋势特征。3、给出各个控制条件下的超调量p，残差，以及控制稳定所需要的时间。4、根据这些数据，分析比例带、积分时间、微分时间参数对控制系统的影响。实验四 单闭环流量控制实验本实验进行控制系统PID控制器参数整定，即PID参数的调整，选择合适的参数才能得到较好的控制效果。一、实验目的1、掌握通过调节阀控制流量的原理和操作。2、掌握单回路控制器参数整定方法。3、掌握PID控制特点，以及对控制效果的评价。二、实验设备A3000现场系统，智能仪表控制系统。三、实验原理与介绍1、单回路流量控制调节阀流量控制实验逻辑关系如图3-1所示。该控制逻辑是一个经典的单回路流量控制系统。FIC指用于流量的调节器，这个调节器可能是智能仪表，也可以是计算机上的PID调节器，也可以是PLC中的PID调节器。本实验中使用智能仪表作为PID调节器。图3-1 流量计流量定值控制实验FT102定值FIC101FV101这是一个闭环反馈型单回路流量控制，采用PID控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分(PI)调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图3-2中的曲线、所示。图3-2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线2、控制系统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口流量FT102AI0调节阀FV101AO03、实验方案被调量为调节阀开度，控制目标是水流量，通过测量水流量，控制器与给定值进行比较，然后输出控制值到调节阀。首先进行比例控制，看控制效果，进行比较。最后在比例控制中加入积分控制，看控制效