单容水箱液位过程控制工程实训s 2

湖南工程学院系统综合训练报告课题名称过程控制系统专业班级姓名学号指导教师2007年4月9日目录前言………1一.训练装置及内容介绍……………2训练装置………………2训练内容………………3二.系统各模块…………4控制对象…………………4检测装置……………………4执行装置……………………6控制器………7三.实验效果………………10程序清单…………………11工程训练心得…………15前言生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求的目标，在18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用以后，自动化技术时代开始了。随着工业技术的更新，特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、物位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”系统。过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且已成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。随着计算机控制装置在控制仪表基础上的发展，自动化控制手段也越来越丰富。其中有在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表控制系统、智能仪表加计算机组态软件控制系统、计算机DDC控制系统、PLC控制系统、DCS分布式集散控制系统、FCS现场总线控制系统等。在这次工程训练中，主要对单容水箱液位进行PID整定。单容水箱是个比较简单的控制系统，我们采用PID控制。控制一个液位的高度，整个过程为采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。并选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。通过训练熟悉整个控制系统的每一个环节及其原理。训练装置及内容介绍THJ-2型高级过程控制系统实验装置”由过程控制实验对象系统、智能仪表控制台及上位监控PC机(用户自备)三部分组成。训练装置1.1过程控制实验对象系统实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。系统动力系统有两套：一套由三相（380V交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计等组成;另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计等组成。整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板，甚至小到每一颗紧固螺钉。1.2对象系统中的各类检测变送及执行装置(1)

扩散硅压力变送器三只：分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位；(2)

涡轮流量计三只：分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量；(3)Pt100热电阻温度传感器六只：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温；(4)控制模块：包含三相可控硅移相调压装置、电磁阀、电动调节阀、三菱变频器各一个；(5)接触器位式控制装置、三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵。1.3上位监控PC机“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”配置一台上位监控PC机，PC机上安装有工控组态软件(MCGS、组态王可选)，通过RS232/485转换器、仪表控制台侧面的RS485总线接口与所有的仪表进行通讯。我们可对下位仪表各参数进行设定、修改PID控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值，各实验都设有动态变化棒图显示和实验指导。训练内容在此次训练中，我们针对单容水箱液位进行恒高度控制。单容水箱是个比较简单的控制系统，我们采用PID控制。控制一个液位的高度，整个过程为采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。并选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。单容水箱液位PID整定的系统方框图如下。控制器控制器检测变送器单容水箱电动调节阀给定扰动D/A转换器A/D转换器控制系统的简图：二.系统各模块一个完整的系统一定包括：控制对象、检测装置、执行装置、控制器等。控制对象：圆筒形有机玻璃上水箱（Ф200×330mm）的水箱液位。检测装置：扩散硅压力液位变送器工作原理：当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输V/A电压、电流转换器，转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4~20mA标准电流输出信号。压力液位传感器接线图接线说明：传感器为二线制接法，它的端子位于中继管内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接红线，白线/蓝线接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接24V-。传感器输出4~20mA电流信号，通过负载电阻250/50Ω转换成电压信号。当负载电阻接250Ω时信号电压为1~5V，当负载电阻切换成50Ω时信号电压为0.2~1V。水箱液位传感器的校准水箱液位传感器测量范围：0~10Kpa；24VDC电源供电，4~20mA电流输出，两线制接法。校准前先打开电源总开关，接通24V开关电源，检查直流电压是否为24V，用万用表在接线口测量确认。确认后可以开始校准。校准方法：零位校准（1~5V对应液位0~1000mm）打开阀L01（R01），排空上水箱中的水后，关闭阀L01（R01）。用万用表20V直流电压档测量I/O信号面板上的上水箱液位的电压值，此时上水箱液位为零，调节上水箱液位传感器的Z（zero）电位器，使测量的电压值为1.00V。增益校准打开单相水泵的220V供电电源开关，上水箱开始进水。当上水箱液位达到溢流口时，关闭单相水泵电源开关，从水箱刻度尺上读出测量值。看万用表20V直流电压档测量的上水箱液位的电压值，测量值=（电压值-1）×250mm，若不是，调节上水箱液位传感器的R（增益）电位器，使电压值经过换算后和测量值吻合。重复步骤1)、2)，复调零位和增益。直到液位为零时电压显示为1V，最大值时电压与实际测量值吻合。注：调好以后就不再调。注：液位传感器的校准一般在出厂前已完成。执行装置：电动调节阀QSTP-16K智能电动单座调节阀主要技术参数：执行机构型式：智能型直行程执行机构输入信号：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC输入阻抗：250Ω/500Ω输出信号：4~20mADC输出最大负载：<500Ω信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值电源：220V±10%/50Hz控制器：单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上小水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，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δ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δ，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4-2中的曲线①、②、③所示。图P、PI和PID调节的阶跃响应曲线根据要求此系统要通过MCGS监控软件来控制水箱的液位。大致可以分成以下几个部分：1）计算机系统使用MCGS工程组态软件创建液位控制系统。并利用计算机对其进行液位控制以及数据和曲线的读取。2）传感器检测单元对水箱底部进行压力检测，通过通讯线将所测的模拟量输送的实验台的压力变送器。3）ICP-7017远程数据采集模拟量输入模块将压力变送器的模拟信号进行模/数转换变成数字信号，然后通过通讯线将数字信号传给计算机。8通道模拟量输入模块。表1为ICP-7017的技术指标。型号功能I-7107模拟量输入分辨率16bit输入通道8路差动采样率10Hz电压输入+/-150mV+/-500mV+/-1mV+/-5V+/-10V电流输入+/-20mA表1ICP-7017模块24V供电，面板上提供了4通道的输入端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持485通讯。4）ICP-7024远程数据采集模拟量输出模块将计算机传送过来的数字信号转换成模拟信号，并控制水箱液位控制系统的电动调节阀。4通道模拟量输出模块。表2为ICP-7017的技术指标。ICP-7024模块24V供电，提供了4通道的输出端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持485通讯。型号功能I-7024模拟量输出分辨率14bit输出通道4路差动电压输出+/-10V+/-5V0～10V0～5V电流输出0～20mA4～20mA表2三.实验效果：系统采用的PID控制器是由DDC数字控制器实现的。在模拟过程控制中，数字PID控制算式为：式中：T——采样周期e（k）——系统第k次采样时刻的偏差值e（k-1）——系统第（k-1）次采样时刻的偏差值u（k）——第k时刻的控制输出k为采样序号，k=0，1，2…。程序清单：启动脚本程序：!setdevice(7024,1,"")!setdevice(7017,1,"")Qp=0Qi=0Qd=0OPA=0sv=0pvx=0run=0!SetWindow(实时曲线,2)退出脚本程序：!setdevice(7024,2,"")!setdevice(7017,2,"")Qp=0Qi=0Qd=0OPA=0sv=0pvx=0run=0!SetWindow(实时曲线,3)循环脚本程序：水箱PV=(pv1-1000)*0.02if水箱PV>38then水箱PV=38endif水箱SV=svAOch0=(OPA+25)/6.25ifrun=0thenQp=0Qi=0Qd=0pvx=0endififrun=1thenei=sv-(pv1-1000)*0.02ifk=0andTi=0andTd=0thenQp=0Qi=0Qd=0endififk<>0andTi<>0thenQp=k*eimx=k*0.2*ei/TiQd=k*Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2endififk=0thenQp=0mx=0.2*ei/TiQd=Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2endififTi=0thenQp=k*eiQi=0mx=0Qd=k*Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2endififmx>5thenmx=5endififmx<-5thenmx=-5endififei>0andOPA>=100thenQi=QielseQi=Qi+mxendififei<0andOPA<=0thenQi=QielseQi=Qi+mxendifpvx=pv1OPA=Qp+Qi+QdifOPA<0thenOPA=0endififOPA>100thenOPA=100endifendif安装调试：THJ-2对象连线：将三相电源输出端U、V、W对应连接到三相磁力泵（～380V）的U、V、W端，把电动调节阀～220V的输入端L、N接至单相电源Ⅲ的3L、3N端，流量计电源24V+、COM-对应接到24V开关电源的+、-端，并将FT1电动调节阀支路流量钮子开关拨到“ON”的位置。远程数据采集控制台的连线：将FT1电动阀支路流量的+、-端相应接到7017模拟输入模块第一通道A/I0的+、-端，7024模块第一输出通道A/O0的正端接到24V开关电源的正端，将7024模块第一输出通道A/O0的负端接到电动调节阀4～20mA输入正端，电动调节阀4～20mA输入负端接到24V开关电源的负端。用通讯电缆线连接到7033、7024的485通讯接口，再通过485/232转换器连接到计算机COM2口上。操作步骤：按上述要求连接系统。用电缆线将对象和远程数据采集控制台连接起来。合上远程数据采集控制台的电源，并给7017、7024模块加上24V电源。打开MCGS上位机组态软件，并进入相应的界面。启动对象的总电源，并合上相关的电源（三相电源、单相Ⅲ、24V电源）。手动操作调节器的输出阶跃，并根据所得的响应曲线求得了K、T和τ值，据此查表确定了PI调节器的参数δ和TI，并整定之。设置好流量的给定值为10.0，先把调节器输出设为手动，通过电动调节阀给水箱打水,待管道流量趋于给定值且不变后，把手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察系统的输出响应曲线。待系统进入稳态后，适量打开电动阀两端的旁路阀，观察在阶跃扰动作用下管道流量的响应过程。通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。实训得到的曲线图如下：工