A3000过程控制实验指导

第一章A3000高级过程控制实验系统概述

第一章A3000高级过程控制实验系统概述

本章介绍A3000高级过程控制实验系统整个测试平台的构成。A3000包括物理硬件

系统以及配置的软件系统。

第一节总体架构

A3000测试平台总体物理系统如图1.1所示，包括控制系统和现场系统，控制系统

可有30多种，现场系统可具有现场总线。总体逻辑结构如图1.2所示。

图1.1AU3000测试平台物理系统

图1.2总体逻辑结构

5

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第一章A3000高级过程控制实验系统概述

A3000现场系统特性：

A尺寸：1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度），全不锈钢框架;

a电力：三相接地四线制380V0%,单相三线制，220V10%；

A能耗：最大额定用电6kw/ho自来水120L,可重复使用；

A3000控制系统特性：

a尺寸：800（宽度）X60（深度）X1950（高度）。标准工业机柜；

»电力：单相三线制，220V10%；

A能耗：最大额定用目1kw/h；

第二节测试平台现场系统

物理受控系统包括了测试对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移

相调压器），从而组成为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。

下面使用示意图和流程图方式介绍现场系统的结沟、原理、操作和维护。

系统必须可靠接地，以防止因动力设备静电积累而造成触电或者设备损坏。

一现场系统结构示意图

现场系统结构示意图如图1.3所示。

Qme

Qvm

TC101X■卜X

LS1K

E101锅炉

LS101

QV1W

加办4

拄出CZ101

X-l

Qvn，

QX1I1I

moiI|

IQV1HP1101Hiw

I

QV1Q2

IEIt*

雪，Q躅

6

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第一章A3000高级过程控制实验系统概述

总体的测点清单如表1.1所示。

表1.1整体流程测点清单

位号或或

序号设备名称用途原始信号类型工程量

代号

1TE-101热电阻锅炉水温Pt100A，0-100oC

2TE-102热电阻锅炉回水温度Pt100-0-100oC

3TE-103热电阻换热器热水出口水温Pt100A-0-100oC

4TE-104热电阻换热器冷水出口水温Pt100A-0〜100oC

5TE-105热电阻储水箱水温Pt100Al0-100oC

6LSL-105液位开关锅炉液位极低连锁干接点DINC

7LSH-105液位开关锅炉液位极高连锁干接点DINC

8XV-101电磁阀一支路给水切断光电隔离DONC

9XV-102电磁阀二支路给水切断光电隔离DONC

10AL-101告警光电隔离DONC

11FT-101涡轮流量计一支路给水流量4-20mADCAl0〜3m3/h

12FT-102电磁流量计二支路给水流量4-20mADCAl0~3m3/h

13PT-101压力变送器给水压力4-20mADCAl150kPa

14LT-101液位变送器上水箱液位4-20mADCAl2.5kPa

15LT-102液位变送器中水箱液位4-20mADCAl2.5kPa

16LT-103液位变送器下水箱液位4-20mADCAl2.5kPa

17LT-104液位变送器锅炉/中水箱右液位4-20mADCAl0-5kPa

18FV-101电动调节阀阀位控制4-20mADCAO0-100%

19GZ-101调压模块锅炉水温控制4-20mADCAO0-100%

20U-101变频器频率控制4-20mADCAO0-100%

注：所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成为了4~20mA。普通两线制信号

在I0面板上已经连接了24V和GND,可以按照四线制方式使用。执行机构普通210V控制，

控制信号经过500欧姆采样电阻被转换成4-20亳安控制。

二工艺设备结构和操作

本节通过大量的示意图介绍各个工艺设备的结构和操作，其中包括各个水箱、锅炉、

换热系统以及管路。如图1.4所示

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第一章A3000高级过程控制要验系统概述

XV18时用随

V101上水鞘

TI10?1序我

LT1O1

上京籍漕位

E101M炉

V102中水箱

滞后半研LT102

双坛搜I」特中水箱冷位

IT12母炉，

pvtoiarw中右水箱渣位

帙热累缜

V103下水箱

XV1O1电期沟

LT103

FT1O1直・H下水箭溢位

PT1O1压力FT1023t■针

P101水茶P102比累

图1.4现场系统示意图

1）上水箱

上水箱位于框架右上方，摹拟一个工业上常见的卧式圆罐。水平方向的截面积在各

个高度不同，中间最大，两端最小，具有典型的非线性特性。上水箱透视图如图1.5所

TJxO

图1.5上水箱透视图

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2)中水箱

中水箱是一个结构复杂的容器。提供变容结构，以及水平多容结构。中水箱透视图

如图1.6所示、中水箱顶视图如图1.7所示。

调理出口5型出口

播微方向播读方的

两板南板

5ISK

防波板

到鱼

引反孔大出水・

图1.6中水箱透视图

引后孔

大出水管

出水同板

分隔闸板

图1.7中水箱顶视图

变容的实现过程：

(1)将分隔闸板提得很高，例如2厘米以上，则中水箱摆布两边容器合在一起，通过

出水闸板控制出口流量。总截面积=中水箱左容器+中水箱右容器。

(2)将出口闸板提得很高，例如2厘米以上，通过分隔闸板控制出口流量。总截面积二

中水箱左容器。

水平多容实现过程：

分隔闸板作为摆布两边容器的导通流量控制，出水闸板控制右边容器出口流量。

3)下水箱

下容器可以更换不同形状的出口闸板，从而改变系统特性，还可放入一个斜体，从

而摹拟倒锥形工业容器。下水箱透视图结构如图1.8所示，下水箱顶视图如图1.9所示。

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图1.8下水箱透视图

Q引压孔G大出水管

防渡板出水闸板

图1.9下水箱顶视图

4）常压锅炉

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5）换热系统

该换热港采用工业高效板式换热器。换热器具有一个冷水入口，一个冷水出口，

个热水入口，一个热水出口（热水和冷水的位置可以互换，但是出口和入口不能互换）。

如图1.11所示。

温度传感整

-电磁相

6）管路系统

管路系统如图1.12所示。通过该图可以了解各个阀门的位置，以及管道上的各个过

程设备。

QV110

XV102QV109

QV112QV108

OV106

5/105

n/ioi0V104

XV101

TE1O4

FTK2

QV1Q2

OV113PT101

OV114

QV115QV103PW2

图1.12现场对象系统管路

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第一章A3000高级过程控制实骁系统概述

过程和电气设备结构和操作

本节介绍仪器仪表以及执行器等产品的结构和操作方法。

1)温度检测设备

•温度传感器为PT100,采用三线制，如图1.13所示。

5100护套

航空插头

图1.13PT100温度传感器

•温度变送器为两线制，24V直流供电。如图1.14所示。

图1.14PT100温度变送器变线原理图

2）压力和液位检测设备

参考手册：《扩散硅压力/液位变送器使用说明书》

可以采用扩散硅压力/液位变送器，也可以选拦电容式或者应变电阻式。压力变送器

如图如5所示。

图1.15压力变送器

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压力/液位变送器包括一个表头，表头两侧都有盖子。打开盖子，一侧用于接线，另

•侧可以调节零点或者满量程，如图1.16所示。

图1.16压力/液位变送器量程调节示意图

3）流量检测设备

现场系统普通包括一个涡轮流量计和一个电磁流量计。

A、涡轮流量计

参考手册：《LWGY/LWGB/LWY型涡轮流量计使用说明书》。

涡轮流量计管道里有一个叶轮随着流动液体转动，通过霍尔效应产生脉冲，然后进

行F/I转换为4〜20mA信号。泯轮流量计如图1.17所示，其接线如图1.18所示。

图1.17涡轮流量计图1.18涡轮流量计接线图

涡轮流量计如果阻塞，则需要拆卸清洗，拆卸如图1.19所示。使用一个铁片拧下涡

轮两边的外丝，取出涡轮进行清洗。注意安装时不能太紧。

图1.19涡轮流量计拆卸操作

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B、电磁流量计

参考手册《中文电磁流量计转换器用户手册》、《中文电磁流量计传感器使用说明书》

电磁流量计利用法拉第电磁感应定律来测量流量。电磁流量计如图1-20所示。

图1.20电磁流量计

注意：不要在没有水的情况下给电磁流■计加电。加电几分钟后才干获得准确数值。

电磁流量计接线图如图1.21所示。

图1.20电磁流量计接线图

注意：只连接220V电源L和N线、信号“4-20毫安”输出以及“输出地”

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4）变频器接线和操作

变频器采用三菱的FS520s变频器，或者采用西门子的MM420变频器。变频器控

制水泵P101o由于变频器响应快速，所以控制时间会短一些。

A、三菱变频器

参考手册：《三菱变频器FR-S500使用手册（基本篇或者高级篇）》

三菱变频器如图1.22所示。

图1.22三菱变频密

即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可

能带有危（wei）险电压。因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完

毕，再开始安装、维护等工作。变频器拆卸如图1.23所示、变频器接线如图1.24所示。

在把STF启动拨动开关断开后，可以设置到面板控制模式，通过旋钮进行频率设定。面板

如图1.25所示。

•前叁桢的拆卸与安装

请技箭头方向拉出则可拆如下。

安装时,请将苴与机身正面峙合款®

直着安装上.FR-S520S4)2M7K-CHFR-S54QO4K.37K-CH

FR-S520S-15K-CH

•接线盖的拆卸与安装

向前拉出可方便的拆副下.

安装时，请与马板相吻合.

安装到机身上.

IS1.23变频器安装拆卸示意图

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效相220交流电莓喻入

NFBMC置模蠡

品相交流电源汆*~机

6#线jmaiiA-sTF司置:

^a^F^c]

_,x,6IRL•S![*6网叫'，

7MM线播点■入公共.

幢制回略■入值号SINK

（不允许•入电压）^-2

SOURCE

•1OC5V)

0-10闱入+1内线

0输入一~2#线

,5（公其谓）

64(DC420mA)

RS-485•!

接口

慢地

接地税尺寸；

•主回路端子。控却回珞坳入端子♦控刈回路哈出端子

图1.24三菱变频器接线图

操作面板

•不能从安■■上取下・作面板

RUN«^J----------RU/Exra示

京行酎点亮/内灭切接叫/外部发作搐式

PU■示

小飨作模式时点决RUNW

运行持令正蚪

JLED反・用0171设定

表示It率参欺序号号

WXTM¥~|--------STOP/RESETtf

升1M1作模式K点方进行运行的停止.报■的W位

设&周旋随SETW]

充更族率设定.

•定行设定

•微的设定值.

不能取下

MODEW

5模设定模式

图1.25变频器操作面板

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第一章A3000高级过程控制要验系统概述

变频器操作模式有多种：

今模式Pr79为模式0.切换PU操作或者外部操作。

今模式Pr79为模式1,只执行PU操作。

今模式Pr79为模式2,只执行外部操作。

今模式Pr79为模式3,用设定旋钮进行4-20mA频率设定，STF,STR启动。

今模式Pr79为模式4,外部端子信号（多段速，DC0~5V等），RUN键启动。

最常用的操作模式有两种：

模式0通过PU键切换到PU操作，然后通过旋钮设定频率，按RUN钮启动。

模式34-20亳安操作选择，通过启动开关启动，然后加入外部4-20亳安控制。

调试与操作步骤：

（1）面板操作

变频器上电，液晶屏显示：-:

断开STF和SD的连接（启动旋钮），按”键

设置PU操作模式，PU显示灯亮S

旋转。直到显示为希翼的频率值（设30）,约5秒闪灭。

在数值闪灭期间，按SET键，设定频率数值。比。C

_____工

闪烁3秒后，显示屏回到0.0显示状态，按RUN键运行。匕,q2。Z

按高键，变频器住手工作。颤］•二

（2）心20mA电流控制

首先断开STF和SD的连接（启动旋钮），按键，进入参数设定模式，拨动£）选

择参数Pr.79（操作模式选择），设定为3o输入一个4、20mA电流信号到变频器的4、

5号端子，启动旋钮设置到ON位置，水泵运转。改变输入的电流值，可以看到输

出的频率也改变了。调试完，将参数Pr.79设为0。

B、西门子变频器

参考手册：《MICROMASTER420通用型变频器操作说明书》、《MICROMASTER

PROFIBUSOptionalBoard））

现场系统上的西门子变频器普通包括三个部份：变频器主体、BOP面板、DP接口。

其中BOP面板和DP接口不是必须的。如图1.26所不。

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第一章A3000高级过程控制要验系统概述

图1.26西门子变频器

DP模块如图1.27所示。

DP通讯口.T本地24V

CHi由出松平

图1.27西门子变频器D=＞模块

西门子BOP面板如图1.28所示。

图1-28西门子变频器BDP面板

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西门子BOP面板包括一个液晶显示屏，8个按钮。其中左上角是运行启动按钮，左

下角是住手按钮。具体功能如下：

按钮功能功能说明

rOOOO状态显示LCD显示变频器当前的设定值

按此键起动变频器。缺当值运行时此键是被封锁的。

©起动变频器

I为了使此键的操作有效，应设定P0700=1

OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车。

I缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作应设定F0700=

回住手变频器1o

OFF2：按此键两次（或者一次，但时间较长）电动机将在惯性作

用下自由停车。此功能总是“使能”的。

按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号（一）

改变电动机的

表示或者用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁

转动方向

的，为了使此犍的操作有效，应设定P0700=1o

在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设

蜩电动机点动定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器/

电动机正在运行，按此键将不起作用。

变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不

动2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个

参数开始），

1.直流回路电压（用d表示-单位：V）

2,输出电流（A）

3.输出频率（Hz）

浏览辅助信息4.输出电压（用。表示-单位：V）

5由P0005选定的数值（如果P0005选择显示上述参数中的任

何一个（3,4,或者5）,这里将再也不显示）。连续多次按下此

键,将轮流显示以上参数。跳转功能在显示任何一个参数

（rXXXX或者PXXXX）时,短期按下此键将即将跳转到rOOOO,

如果需要，您可■以接着修改其它的参数。跳转到rOOOO后，

按此键将返回原来的显示点。

访问参数按此键即可访问参数

©©增加/减少数值按此键即可增加/减少面板上显示的参数数值。

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一些重要参数的含义：

P0010开始快速调试

今0准备运行

今1快速调试

今30工厂的缺省设置值

P0700选择接通/断开/反转(on/off/reverse)命令源

今0工厂设置值

今1基本操作面板(BOP)

今2摹拟量输入端子/数字量输入

今6来自总线命令。如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。注意要

P0917=0o

P1000选择目标频率设定值来源

今0无频率设定值

今1用BOP控制频率的升降

今2摹拟设定值

今6来自总线命令。如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。注意要

P0917=0o

P0004参数过滤器

今2变频器

今4Pl比例积分控制器

今10设定值通道和斜坡函数发生器

今20通讯

今22变频器PID控制参数

P0003参数访问级

变频器的参数有4个用户访问级，即标准访问级，扩展访问级，专家访问级和维

修级。访问的等级由参数P0003来选择。对于大多数应用对象，只要访问标准级(P0003

=1)和扩展级(P0003=2)参数就足够了。如果使用总线控制，可以使用P0003=3,具有更

高等级就可访问更多参数。

P0970复位到原厂默认值

常用操作模式有三种：

令BOP面板操作：普通先P0010=30,P970=1,把其他参数复位，然后设定P0010=0、

P0700=1.P1000=1o

令4-20毫安控制：普通先P0010=30,P970=1,把其他参数复位，然后P0010=0.

P0700=2.P1000=2o

令Profibus总线控制：普通先P0010=30,P970=1,把其他参数复位,然后P0010=0、

P0700=6>P1000=6o具体操作请参考多媒体系统。

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第一章A3000高级过程控制要验系统概述

在设定好之后，并不一定需要开启正转启动钮子开关，而是可以通过P0700的不同

设置来启动，例如面板，或者总线命令。

调试和操作步骤：

普试在基本7。。。。状态下，按网键进入参数设置状态。按静姮键，直到显

P0700(其值为1时才十肩愉10P面板控制)，理键，显示其参数值，龄或罩键

同以上操作，修改P0003和P0004参数值为2o

修改P0010参数值为1,进入快速调试模式。

设定P1000参数值为1,表示用BOP操作面板控制。

设定P1080和P1082参数值，分别为设置电动机频率的最小值(0Hz)、最大值(50Hz)。

以上几个参数设置顺序可颠倒，设置完后，应将P0010设为0,进入准备运行状态。

或口目键，直到显养000。，按启动噌，显示数值从0变化到5,此时变

频器已启动，按R工键，设/频率为30、50之间，可听到继电器变化，若将水泵插线

头接上，可以启动水泵。

我们使用Profibus面板进行控制，使用PPO1数据结构。这是最简单的控制方式。

具体操作请参考文件MM4_Profibus_Eng.pdfo

频率对应的数值，0-0Hz,16385-50.00HZ,可以提供如下转换公式：

AV：=REAL_TO_WORD(16385*IN/50)；IN是目标频率，AV为要输出的数值。

西门子变频器不需要增加任何硬件就可以进行BOP面板操作，可以进行4-20mA控

制，也可以使用PROFIBUS-DP总线控制。

西门子变频器单相电源接线方式如图1.29所示。特殊的是：

(1)本系统使用了变频器输出端子U、V、W中的U、V两相，电压为220Vo

(2)启动端使用了变频器的STF功能，其控制线接端子5和8。

(3)速度调节控制线接端子3和4,2-10V控制，并500欧姆电阻后为4-20mA控制。

(4)变频器的ProfibusDP模块采用外部24V直流电源供电。

即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可

能带有危(wei)险电压。因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完

毕，再开始安装工、维护等工作。

注意：变频器的控制电缆，电源电缆和与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离，

不要把它们放在同一个电缆线槽/电缆架上。信号电缆不要和变频器电缆并行过长。

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第一章A3000高级过程控制要验系统概述

图1.29MICROMASTER420变频器

面板拆卸示意如图1.30所示。按下卡子，把面板向外拉即可。

图1.30西门子面板拆卸操作

5）调节阀接线和操作

参考《调节阀使用说明书》

调节阀特性：单座阀，罗纹连接，线性流量。调节阀外观如图1.31所示，接线及内

部跳线请参照《调节阀使用说明书》u

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第一章A3000高级过程控制要验系统概述

图1.31电动调节阀

6）调压模块接线和操作

调压模块外观如图1.32所示。如果采用电压控制，则从4号端子的CON端输入

2-1OVo如果采用电流控制则从3号端子输入4-20mAo调压器到加热管采用380V三相

交流供电，用三角接法。

图1.32调压模块

四控制箱操作

现场电气控制箱面板如图1.33所示。

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第一章A3000高级过程控制要验系统概述

参A3O0现场电.气控耦®

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第三节基本控制系统

基本控制系统安装在一个或者两个标准控制机柜中，控制系统可能有智能仪表、

PCI多功能卡，ADAM4000控制系统、ADAM5510EKW/TP,西门子S7-300,罗克韦尔

PLC,三菱PLC等等。

-控制机柜和I。面板

A3000高级过程控制实验系统采用标准机柜安装控制系统，要求可靠接地。机柜尺

寸为800mm宽X600mm深X1900mm高。如果控制系统均为24V供电，则提供24V

10A开关电源供电；如果部份控制系统为220V供电，则提供24V5A开关电源供电。

机柜系统结构如图1-34所示。

船板

康璃门

对LW面板左侧是I/O面板，从上之下分别是电源开关、DC24V电压表、执行机构接

口、传感器测量信号接口、流量计接口以及数字接口等。I/。板如图1.35、1.36、1.37、

1.38所示。

图1.35是电源、执行器I/O面板，通过右上角的剩余电流保护器可以开启整个控制

系统电源。

图1.36是温度传感器，直流电源I/O面板，这里各个温度接线端子通过温度变送器

输出4~20mA信号。直流电源提供24V和GND接线端子。

图1.37是压力、液位和流量I/O面板，液位变送器可能有4个，中水箱右液位和锅

炉液位通过三通连接，可以进行切换，测量两个测点的液位。

图1.38是数字量接口和信号切换I/O面板，如果仪表具有现场总线信号，则仪表信

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第一章A3000高级过程控制要验系统概述

号切换将会把信号在现场总线信号和常规信号之间切换。

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