试验装置说明-广东工业大学

过程控制与检测仪表课程设计指引书杜玉晓 广东工业大学 自动化学院二六年十月实验项目名称：题目一 单容水箱液位定值控制系统实验项目性质：综合性所属课程名称：过程控制系统、组态软件技术、PLC与电器控技术实验筹划学时：1周一实验目的使学生针对典型的工业控制对象，实现单容水箱液位的定值控制。单容液位控制系统设计涉及系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生初步掌握工业控制系统的设计和实现措施。理解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用，理解单容液位定值控制系统的构造与构成，掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运措施。二、预习与参照自动控制原理、过程控制系统、MCGS、西门子200、300PLC编程。三实验规定和设计指标按照实验规定，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完毕单容液位控制系统的综合与设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。掌握自动控制系统的综合与设计措施，熟悉控制器的构造、类型及其校正作用。（1） 根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；（2） 拟定控制系统控制算法以及实现措施；（3） 智能控制仪表控制设定；或者西门子PLC程序设计；（4） MCGS监控界面。四.实验（设计）仪器设备和材料清单实验对象及控制屏、SA-11挂件一种、计算机一台、万用表一种；SA-12挂件一种、RS485/232转换器一种、通讯线一根；SA-44挂件一种、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。五调试及成果测试根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。六.考核形式实验完毕后，交实验报告一份，涉及计算与系统设计阐明。实验考核措施：随堂考核实验操作能力；评分原则：含各项目成绩、参照平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。七.实验报告规定每位同窗根据自己的实验数据和成果，根据给定的格式，独立完毕实验报告。八思考题1、智能控制仪表PID控制设定；西门子PLC PID控制实现措施；2、P，PI，PID调节器的作用，及其对动态与稳态的协调控制；3、用响应曲线法拟定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？4、如果采用中水箱做实验，其响应曲线与下水箱的曲线有什么异同？并分析差别因素。实验项目名称：题目二 双容水箱液位定值控制系统实验项目性质：综合性所属课程名称：过程控制系统、组态软件技术、PLC与电器控技术实验筹划学时：1周一实验目的使学生针对典型的工业控制对象，实现双容水箱液位的定值控制。双容液位控制系统设计涉及系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生初步掌握工业控制系统的设计和实现措施，掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运措施，掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、预习与参照自动控制原理、过程控制系统、西门子PLC选型及应用技术、MCGS编程技术。三实验规定和设计指标按照实验规定，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完毕双容水箱液位定值控制系统的综合与设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。掌握自动控制系统的综合与设计措施，熟悉控制器的构造、类型及其校正作用。（1） 根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；（2） 拟定控制系统控制算法以及实现措施；（3） 编写底层PLC控制程序；（4） MCGS通信配备、MCGS实时监测界面设计。四.实验（设计）仪器设备和材料清单实验对象及控制屏、SA-11挂件一种、计算机一台、万用表一种；SA-12挂件一种、RS485/232转换器一种、通讯线一根；SA-44挂件一种、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根，带有Profibus Dp扩展模块的西门子200系列PLC一套。五调试及成果测试根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。六.考核形式实验完毕后，交实验报告一份，涉及计算与系统设计阐明。实验考核措施：随堂考核实验操作能力；评分原则：含各项目成绩、参照平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。七.实验报告规定每位同窗根据自己的实验数据和成果，根据给定的格式，独立完毕实验报告。八思考题1、西门子PLC PID控制实现措施；2、MCGS网络配备措施，涉及数字量I/O口，模拟量输入输出；3、用响应曲线法拟定对象的数学模型时，其精度与那些因素有关？4、引起双容对象滞后的因素重要有哪些？实验项目名称：题目三 水箱液位串级控制系统实验项目性质：综合性所属课程名称：工业数据通信与控制网络、过程控制系统、组态软件技术、PLC与电器控技术实验筹划学时：1周一实验目的使学生针对典型的工业控制对象，实现水箱液位的串级控制。水箱液位串级控制系统设计涉及系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生理解水箱液位串级控制系统构成原理，初步掌握工业控制系统的设计和实现措施，掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运措施，掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。二、预习与参照自动控制原理、过程控制系统、MCGS、西门子200、300PLC编程。三实验规定和设计指标按照实验规定，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完毕水箱液位串级控制系统的综合与设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。掌握自动控制系统的综合与设计措施，熟悉控制器的构造、类型及其校正作用。（1） 根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；（2） 拟定控制系统控制算法以及实现措施；（3） 智能控制仪表控制设定；或者西门子PLC程序设计；（4） MCGS监控界面。四.实验（设计）仪器设备和材料清单实验对象及控制屏、SA-11挂件一种、计算机一台、万用表一种；SA-12挂件一种、RS485/232转换器一种、通讯线一根；SA-44挂件一种、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。五调试及成果测试根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。六.考核形式实验完毕后，交实验报告一份，涉及计算与系统设计阐明。实验考核措施：随堂考核实验操作能力；评分原则：含各项目成绩、参照平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。七.实验报告规定每位同窗根据自己的实验数据和成果，根据给定的格式，独立完毕实验报告。八思考题1串级控制原理，不同PID参数对系统动态和静态性能的影响；2、当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改善？3、变化副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响，试从理论上予以阐明；4评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的因素？实验项目名称：题目四 单闭环流量比值控制系统实验项目性质：综合性所属课程名称：过程控制系统、组态软件技术、PLC与电器控技术实验筹划学时：1周一实验目的使学生针对典型的工业控制对象，实现单闭环流量比值控制。单闭环流量比值控制系统设计涉及系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生理解单闭环比值控制系统的原理与构造构成，初步掌握工业控制系统的设计和实现措施，掌握比值系数的计算措施，掌握比值控制系统的参数整定与投运措施。二、预习与参照自动控制原理、过程控制系统、西门子PLC选型及应用技术、MCGS编程技术。三实验规定和设计指标按照实验规定，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完毕单闭环流量比值控制系统的综合与设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。掌握自动控制系统的综合与设计措施，熟悉控制器的构造、类型及其校正作用。（1） 根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；（2） 拟定控制系统控制算法以及实现措施；（3） 编写底层PLC控制程序；（4） MCGS通信配备、MCGS实时监测界面设计。四.实验（设计）仪器设备和材料清单实验对象及控制屏、SA-11挂件一种、计算机一台、万用表一种；SA-12挂件一种、RS485/232转换器一种、通讯线一根；SA-44挂件一种、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根，带有Profibus Dp扩展模块的西门子200系列PLC一套。五调试及成果测试根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。六.考核形式实验完毕后，交实验报告一份，涉及计算与系统设计阐明。实验考核措施：随堂考核实验操作能力；评分原则：含各项目成绩、参照平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。七.实验报告规定每位同窗根据自己的实验数据和成果，根据给定的格式，独立完毕实验报告。八思考题1单闭环比值控制系统的原理与构造构成；2MCGS网络配备措施，涉及数字量I/O口，模拟量输入输出；3、如果Q1（t）是一斜坡信号，试问在这种状况下Q1与Q2能否保持原比值关系？4、试根据工程比值系数拟定仪表比值系数。实验项目名称：题目五 锅炉内胆静（动）态水温定值控制系统实验项目性质：综合性所属课程名称：过程控制系统、组态软件技术、PLC与电器控技术实验筹划学时：1周一实验目的使学生针对典型的工业控制对象，实现锅炉内胆静（动）态水温定值控制。锅炉内胆静（动）态水温定值控制系统设计涉及系统的设备选型、控制器设计（智能控制仪表/PLC）和监控界面设计，使学生理解单回路温度控制系统的构成与工作原理，理解PID参数自整定的措施及其参数整定措施，初步掌握工业控制系统的设计和实现措施，研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。 二、预习与参照自动控制原理、过程控制系统、MCGS、西门子200、300PLC编程。三实验规定和设计指标按照实验规定，综合运用所学理论知识，通过查阅手册和文献资料，完毕锅炉内胆静（动）态水温定值控制系统的综合与设计，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。掌握自动控制系统的综合与设计措施，熟悉控制器的构造、类型及其校正作用。（1） 根据选定的典型系统类型、选择合适的控制器型号；（2） 拟定控制系统控制算法以及实现措施；（3） 智能控制仪表控制设定；或者西门子PLC程序设计；（4） MCGS监控界面。四.实验（设计）仪器设备和材料清单实验对象及控制屏、SA-11挂件一种、计算机一台、万用表一种；SA-12挂件一种、RS485/232转换器一种、通讯线一根；SA-44挂件一种、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。五调试及成果测试根据题目指标，实验教师对每个指标进行现场验收。六.考核形式实验完毕后，交实验报告一份，涉及计算与系统设计阐明。实验考核措施：随堂考核实验操作能力；评分原则：含各项目成绩、参照平时成绩和实验报告成绩，分为优、良、中、及格、不及格五级打分。七.实验报告规定每位同窗根据自己的实验数据和成果，根据给定的格式，独立完毕实验报告。八思考题1智能控制仪表PID控制设定；西门子PLC PID控制实现措施；2P，PI，PID调节器的作用，及其对动态与稳态的协调控制；3在温度控制系统中，为什么用PD和PID控制，系统的性能并不比用PI控制时有明显地改善？4为什么内胆动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定，动态性能更好？ 附录 “THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”实验装置阐明1 系统概述“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分构成。本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统涉及流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据顾客的需要设计构成AI智能仪表，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一种物理模拟对象和实验平台。 学生通过本实验装置进行综合实验后可掌握如下内容：（1）传感器特性的结识和零点迁移；（2）自动化仪表的初步使用；（3）变频器的基本原理和初步使用；（4）电动调节阀的调节特性和原理；（5）测定被控对象特性的措施；（6）单回路控制系统的参数整定；（7）串级控制系统的参数整定；（8）复杂控制回路系统的参数整定；（9）控制参数对控制系统的品质指标的规定；（10）控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养；（11）多种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制措施。2 THSA-1型过控综合自动化控制系统对象实验对象总貌图如图1-1所示：本实验装置对象重要由水箱、锅炉和盘管三大部分构成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀构成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀构成。（一）被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等构成。 （1）水箱：涉及上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，便于学生直接观测液位的变化和记录成果。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，能满足上、中、下水箱的实验供水需要。（2）模拟锅炉：是运用电加热管加热的常压锅炉，涉及加热层（锅炉内胆）图1-1 实验对象总貌图和冷却层（锅炉夹套），可运用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量迅速散发，使加热层的温度迅速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完毕温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。（3）盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以通过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完毕温度的滞后和流量纯滞后控制实验。（4）管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的也许性。（二）检测装置（1）压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。输出：420mADC。（2）温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。通过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成420mA直流电流信号。（3）流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。输出：420mADC。（三）执行机构（1）电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号。（2）水泵：本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。（3）电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。（4）三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温。3 THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”重要由控制屏组件、智能仪表控制组件、PLC控制组件等几部分构成。（一）控制屏组件（1）SA-01电源控制屏面板图1-2为电源控制屏示意图。合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均批示380V左右，定期器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相、单相、单相空气开关即可提供相应电源输出，作为其她设备的供电电源。（2）SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。（3）三相移相SCR调压装置、位式控制接触器采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA原则电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的持续控制。（二）智能仪表控制组件（1）AI智能调节仪表挂件采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，仪表为PID控制型，输出为420mADC信号；仪表通过RS485串口通信合同与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。（2）PLC控制组件本装置采用了S7-200、S7-300PLC两套控制系统。方案一、S7-200PLC控制系统：S7-200是一种叠装式构造的小型PLC。本实验系统涉及一种CPU224主机模块和一种EM235模拟量I/O模块，以及一根图1-2 电源控制屏示意图PC/PPI连接线。其中CPU224模块带有14点开关量输入和10点开关量输出，EM235模拟量扩展模块带有4路模拟量输入和1路模拟量输出。图1-7所示为S7-200PLC控制系统构造图。 图1-7 S7-200PLC控制系统框图 图1-8 S7-300PLC控制系统框图方案二、S7-300PLC控制系统：S7-300是采用模块化构造的中小型PLC，涉及一种CPU315-2DP主机模块、一种SM331模拟量输入模块和一种SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模拟量输入模块， SM332为4路模拟量输出模块。图1-8所示为S7-300PLC控制系统构造图。4 软件简介 （一）MCGS组态软件本装置中智能仪表控制方案、S7-200PLC控制方案均采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于迅速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运营于Microsoft Windows95/98/NT/等操作系统。MCGS 5.1为顾客提供理解决实际工程问题的完整方案和开发平台，可以完毕现场数据采集、实时和历史数据解决、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及公司监控网络等功能。有关MCGS软件的使用请参照配套的手册及光盘。（二）MACS系统软件本装置中DCS控制方案采用了北京和利时公司的MACS 系统。MACS系统给顾客提供了一种通用的系统组态和运营控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一种能完毕特定规定的应用系统。系统组态后将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。MACS系统具有功能：数据采集、控制运算、闭环控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据解决和显示、历史数据管理、日记记录、事件顺序记录、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高档计算、组态、调试、打印、下装、诊断。有关MACS系统的使用请参照配套光盘。（三）西门子S7系列PLC编程软件本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-200和S7-300PLC，其中西门子S7-200PLC采用的是Step 7-MicroWIN 32编程软件，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7编程软件。运用这两个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。有关软件使用请参照光盘中相应的内容。（四）西门子WinCC监控组态软件S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。作为一种国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA系统，WinCC提供了合用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、迅速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为顾客解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为也许。有关WinCC软件的使用请参照配套光盘中的电子文档。5 实验规定及安全操作规程（一）实验前的准备实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指引书，理解实验目的、项目、措施与环节，明的确验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。实验前应理解实验装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置。以便于在实验中对它们进行操作和观测。熟悉实验装置面板图，规定做到：由面板上的图形、文字符号能精确找到该设备的实际位置。熟悉工艺管道构造、每个手动阀门的位置及其作用。（二）实验安全操作规程（1）实验之前保证所有电源开关均处在“关”的位置。（2）接线或拆线必须在切断电源的状况下进行，接线时要注意电源极性。 完毕接线后，正式投入运营之前，应严格检查安装、接线与否对的，并请指引教师确认无误后，方能通电。（3）在投运之前，请先检查管道及阀门与否已按实验指引书的规定打开，储水箱中与否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中布满水，磁力驱动泵无水空转易导致水泵损坏。（4）在进行温度实验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位批示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易导致电加热管烧坏。（5）小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。