基于智能仪表控制系统的A3000实验和测试培训

基于智能仪表控制系统A3000实验和测试培训北京华晟高科教学仪器2006-3前言?基于智能仪表控制系统A3000实验和测试培训?是根据A3000过程控制实验系统的相关内容编写的，包括了如下内容：1、百特智能仪表介绍。2、百特智能仪表设置。3、百特智能仪表和组态软件的连接。不介绍具体的A3000现场系统和组态软件。有关这些内容将在独立的培训指导书中介绍。本指导书缺点和错误在所难免，敬请各位专家、院校师生和广阔读者批评指正。申明：本培训书内容只适合华晟高科A3000教学实验。范例和文档内容只用于提供信息，对本书不承当任何保证。目录第一章 福光百特1控制系统概述11.1.1 功能特点11.2 控制系统设置31.2.1 显示说明31.2.2 操作说明31.3 常见错误及其解决方法81.4 控制器信号连接和操作81.4.1 面板接线8第二章 组态软件的监控11单容液位调节阀PID单回路控制112.2 范例的组态软件编程122.2.1 组态王对控制器的设备组态122.2.2 组态王定义数据变量152.2.3 MCGS对控制器的设备组态172.2.4 MCGS定义设备通道数据变量192.3 范例的操作过程和调试252.4 范例测试结果及记录26第一章 福光百特下面简单介绍百特仪表的使用。如果操作比拟复杂，那么请参看设备资料。AS3010子系统包括福光百特一台内给定智能调节仪，和一台外给定智能调节仪。该系统由24V直流供电，可以通过RS485-RS232转换器连接到计算机，或者通过RS485-到以太网转换，连接到上位机。内给定智能调节仪，地址设定为1，波特率9600bps。外给定智能调节仪，地址设定为2，波特率9600bps。在组态软件中名称分别是baite0、baite1，或者baite1、baite2。A3000智能仪表控制系统采用了福建百特公司的两个智能PID调节仪表。一个内给定，一个外给定。具有智能PID控制算法，可以实现自整定功能。具有以下功能特点1适用范围 适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套。2技术与工艺采用单片计算机技术设计，可保证全量程不超差，长期运行无时漂、零漂。严格按ISO9002认证的工艺生产，可保证长期无故障运行，平均可利用率达99.98%。信号输入、控制操作，全部采用软件调校。输入分度号、操作参数、控制算法按键可设定。3万能输入信号只需做相应的按键设置和硬件跳线设置(翻开盖子跳线)，即可在以下所有输入信号之间任意切换，即设即用。热电阻：Pt100、Cu50、Cu100、Pt10。热电偶：K、E、S、B、T、R、N。标准信号：0-10mA、4-20mA、0-5V、1-5V。霍尔传感器：mV输入信号，0-5V以内任意信号按键即设即用。远传压力表：30-350W，信号误差现场按键修正。其它用户特殊订制输入信号。4多种给定方式内给定智能调节仪具有本机给定的功能(LSP)：可通过面板上的增减键直接修改给定值也可加密码锁定不允许修改。时间程序给定(TSP)。每段程序最长6000分钟。曲线最多可设16段。RS485通讯给定。注意：外给定调节仪只具有外部模拟给定的功能。10mA/4-20mA/0-5V/1-5V通用，不能任意选择它的输入信号。5多种控制操作方式可选择10mA、4-20mA、0-5V、1-5V控制操作选购时指定。时间比例控制继电器操作(1A/220VAC阻性负载)。时间比例控制5-30VSSR控制信号操作。时间比例控制双向可控硅操作(3A，600V)。单相2路可控硅过零或移相触发控制操作(独创电路可触发3-1000A可控硅)。三相6路可控硅过零或移相触发控制操作(独创电路可触发3-1000A可控硅)。外挂三相SCR触发器。其中AS3010系统选择了4-20mA控制操作。6专家自整定算法独特的PID参数专家自整定算法，将先进的控制理论和丰富的工程经验相结合，使得PID调节器可适应各种现场，对一阶惯性负载，二阶惯性负载，三阶惯性负载，一阶惯性加纯滞后负载，二阶惯性加纯滞后负载，三阶惯性加纯滞后负载，这六种有代表性的典型负载的全参数测试说明，PID参数专家自整定的成功率达95%以上。7其他特点可带RS485 /RS232/Modem隔离通讯接口或串行标准打印接口。单片机智能化设计。满度自动跟踪，长期运行无漂移，全部参数按键可设定。1.2 控制系统设置 显示说明1主显示窗(PV) 上电复位时第一屏显示表型“(XMA调节器 ) 正常工作时，显示操作值PV。 参数设定时，显示被设定参数名，或被设定参数当前值。 信号断线时，显示“。 信号超量程时，显示“或“。2附显示屏 上电复位时第一屏显示“(福光百特)。 自开工作态下，显示控制操作值MV。用增、减值键调整给定值SP时，显示SP值。当停止增减SP值操作2秒后，恢复显示控制操作值MV。 手开工作态下，显示控制操作值。 参数设定操作时，显示被设定参数名。 启动时间程序给定后，在自动态下显示SP值，手动态下显示MV值。 自整定期间，交替显示“和操作值MV。3LED指示灯： HIGH：报警2(上限)动作时，灯亮。 LOW： 报警1(下限)动作时，灯亮。 MAN： 自开工作态：灯灭，手开工作态：灯亮。 OUT： 时间比例操作ON时，灯亮。 操作说明1按键说明 SET键： 自动或手开工作态下，按SET键进入参数设定态。参数设定态下，按SET键确认参数设定操作。D键和键： 自开工作态下，按D键或键可修改给定值(SP),在附显示窗显示。 手开工作态下，按D键或键可修改控制操作值(MV)。 参数设定时，D键和键用于参数设定菜单项选择择和参数值设定。A/M键： 手开工作态和自开工作态的切换键。2. 给定值设置 单设定点(本机设定点)的SP设定操作在自开工作态下，按D、键可修改SP设定值，在附显示屏显示。上电复位后将调出停电前的SP值作为上电后的初始SP值。上电复位时，具有SP跟踪PV功能，即从时间程序曲线中最接近当前PV值的点开始程序运行。手动操作。不管本机单值给定工作态，还是时间程序给定工作态，按A/M键均进入手开工作态，可通过D、键直接修改MV值，在附屏显示。在手开工作态下，按A/M键将回到自开工作态。手动/自动状态的切换是控制操作MV双向无扰动的。本机单值给定时，手动转自动时具有SP自动跟踪PV功能。即置SP=当前PV值。给定时，手动转自动时同样具有SP自动跟踪PV功能，即从时间程序曲线中最接近PV的点开始运行。PID自整定程序的启动按操作说明“D操作，可启动PID自整定程序。启动后，假设误差(SP-PV)/FS小于5%那么继续维持常规PID运行，还不进PID参数自整定。假设偏差大于5%，那么作两个周期全开全关位式控制，算出系统适宜的PID参数，按此参数进行常规PID控制。自整定期间，附屏交替显示特定字符和MV值。3. 参数设定操作说明图例说明如表1.2.1所示。表1 按键图例说明图 符说 明图 符说 明xxxxyyyyS按SET键主屏显示xxxx附屏显示yyyyD、按D键或键A/M按A/M键参数设定操作总框图如图1.2.1所示。 百特表操作总图由于在仪表出厂设置当中，已将输入零点满度校正、室温校正、输出零点满度校正这三个参数以下被称为非常规参数各参数项锁定，所以当在工作态时，按下Set 键后仪表显示的是界面，如果再按Set键就进入PID参数设置项，或者按、键，选择进入其它的常规参数设置项。如果用户需要用到上述被锁定的参数项时，需要先找到参数上锁这一项，选择ALL，输入密码18，将这些常规参数全部锁定常规参数的锁定和解锁的密码均为18，然后再回到状态，按Set键，再按、键输入密码2892非常规参数的解锁密码为2892，再按Set键确认，这时再按、键就可以找到所有参数项，进而可以对非常规参数进行参数设置及校正，当修改结束后，再用密码18将所有参数锁定后，再用密码18解锁，那么这些非常规参数就又被锁定了，而常规参数仍可通过、键找到。建议老师，在常态下要把非常规参数锁定，以免学生乱改，防止出现测量不准、控制效果不佳等问题。注意：当要对输入零点满度、输出零点满度进行校准时，需要使用标准信号源。本系统是电流型系统，所以在校准时要使用标准电流源，具体步骤如下：1、按Set、及键，找到，选择ALL，输入密码18将所有参数锁定。2、再次找到，输入密码2892解锁。3、对输入零点满度进行校准：首先将标准的零点信号接到输入端子上，然后找到，按Set、及键，找到，再按Set，等候60s以后，再按Set,然后将信号换为标准的满度信号，再等候60s，按Set确认，取下信号线。那么输入的零点、满度已经校准。4、将标准的信号源接到输出端子，然后采用同样的方法校准输出的零点和满度。5、校准后，用密码18将所有参数锁定，再用密码18解锁。6、用输入标准信号来检测表的输入端子的零点和满度，用万用表检测输出信号的零点和满度，如果误差仍然很大校准时等待时间不够长等外部原因，那么需重复以上各步，直至满足误差要求。 初始化仪表1、仪表地址与通讯波特率两块表分别按图3接好线，用RS485-232模块连接仪表和计算机，然后给百特表通电，给仪表设置地址和通讯参数。首先设置内给定调节仪，按Set键和键，找到主屏为的一项，按Set键进入其内部，此时主屏显示，附屏显示，此项为地址设置项，百特表的地址范围是1254,可以按、键来设置地址，因为这是我们所采用的第一块表，所以在此就将其设置为1。再按Set键，进入传输波特率设置项，此时主屏显示，附屏显示，根据所需要的传输速率，按、键来选择，由于我们是与计算机进行通讯，所以设为9600bps。同样的操作过程，把第二块表的地址设为2，传输速率设为9600bps。2、设置量程范围按Set键和键，找到主屏为的一项，按Set键进入其内部，设置范围和标定分度。4-20毫安，最小值0，最大值100，1位或两位小数点。1.3 常见错误及其解决方法通电后，百特表没有任何显示检查电源线的正负极是否接反，以及连接线的通断通讯不上a检查仪表地址和通讯波特率的设置b检查仪表RS 485通讯端子接线c检查上位机通讯串口的参数设置d检测RS 485232模块主屏显示“检查是否有输入信号输入输出信号不对，检查表的输入输出接线输出输入信号不准，用标准信号源进行校准。1.4 控制器信号连接和操作控制器的信号直接连接到面板上，通过插孔和锁紧连结线连接到现场系统的IO上。计算机和ADAM5510EKW/TP通过以太网联接。如果使用了交换机那么使用直连线，如果和计算机直接连接，那么使用交叉线。AS3010系统的内给定智能调节仪连接如图1.所示：图1 XMA5000(9696mm)系列方表接线图AS3010系统的接线如图1.所示，对应面板的标号。图1. XMA5000方表系列远程外给定接线图备注：AS3010系统的一般只支持4-20毫安输入和输出。第二章 控制实现的详细过程本章通过一个范例，详细地介绍编程、组态和调试过程。由于智能仪表不能进行串级以外的复杂控制，也不需要编程，所以本局部比拟简单。.1所示。.1 单容下水箱液位调节阀PID单回路控制.1所示。表2.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量1FV101电动调节阀阀位控制210VDCAO01002LT103压力变送器下水箱液位420mADCAI备注：为自动评分，以及系统监控方便，最终信号全部为2-10V信号。水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。2.2 范例的组态软件编程百特是智能PID控制器，根本所有的参数都可以通过计算机的组态软件进行控制。智能仪表控制系统包括两个，一个内给定仪表，一个外给定仪表。两个仪表的组态稍有区别。在硬件上我们设置百特仪表地址分别是内给定仪表为1和外给定仪表为2。速率9600BPS。在这里仅介绍各个组态王软件和它通讯的内容，有关组态软件的其他局部请参考组态王、MCGS、WINCC、Intouch等组态软件参考书。 组态王对控制器的设备组态本设计是实现组态软件与百特仪表通迅。百特仪表具体为XM类仪表两个，名称baite1和baite2地址分别为1和2。通讯参数为：采用串口通迅，端口号COM1，波特率为9600bps，数据位8，无校验位，停止位2，通讯超时3000ms，采集频率1000ms。新建工程工程。然后选择设备，COM1。然后再工作区选择“新建。如下图2.2.1。图2.2.1 新建设备双击，在设备配置向导生产厂家、设备名称、通讯方式窗口中，如下图2.2.2，选择智能仪表。图2.2.2 选择智能仪表找到百特，XM类仪表，选择串口，如下图2.2.3。图2.2.3 选择最终的设备选择下一步，然后设置逻辑名称baite1，如下图2.2.4。图2.2.4 设备逻辑名选择“下一步。然后设置串口号，依据计算机的通讯端口来选择。这个端口可以以后按照同样的步骤来更改。如下图2.2.5。图2.2.5 设置串口单击“下一步，然后设置地址，首先设置内给定仪表，所以设定地址1。如下图2.2.6。图2.2.6 设备地址设置指南如果单击“地址帮助按钮，那么可以看到详细的有关百特仪表的地址设置，以及数据定义的帮助过程。如下图2.2.7。图2.2.7 帮助系统单击“下一步，设置通讯参数，不需要改变任何参数，如下图2.2.8。图2.2.8 通讯参数设置单击完成，就可以看到整个设置的参数。重复上面的过程，但是地址设置为2，逻辑名baite2。最后如下图2.2.9。图2.2.9 最后设置的硬件最后设置串口通讯参数，双击左边窗口中的“设备“COM1。设置如下图2.2.10。图2.2.10 串口设置2.2.2 组态王数据变量定义数据库是“组态王软件的核心局部，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在组态软件中所有的变量定义如表2.2.1所示。除了PV值只读之外，其他为读写属性。读写参数号参考仪表的通讯协议。表2.2.1 组态软件中所有的变量定义序号参数名意义设备参数号数据类型1PID0_PV过程值Baite1REAL1I/O实数2PID1_PV过程值Baite2REAL1I/O实数3PID0_MV操作值Baite1I/O实数4PID1_MV操作值Baite2I/O实数5PID0_SP设定值Baite1I/O实数6PID1_SP设定值Baite2I/O实数7PID0_P比例带Baite1I/O实数8PID0_I积分时间Baite1I/O实数9PID0_D微分时间Baite1I/O实数10PID0_AM手自动切换Baite1I/O实数11PID1_P比例带Baite2I/O实数12PID1_I积分时间Baite2I/O实数13PID1_D微分时间Baite2I/O实数14PID1_AM手自动切换Baite2I/O实数下面以PID0_PV为例，介绍IO变量的定义过程。选择工程浏览器左边窗口的“数据词典，如下图2.2.11。可以见到已经有很多变量了，以“$作为前缀，表示为系统内存变量。图2.2.11 数据词典定义双击“新建，出现“定义变量窗口，设置如下图2.2.12。图2.2.12 定义变量PID0_PV输入的IO数据在进入组态软件之前，可以进行工程量转换，例如如果过程值是液位，那么可以设置最大值25，单位厘米。线性转换公式：输出=原始输入-原始最小值*最大值-最小值/原始最大值-原始最小值+最小值。如果原始输入超过最大原始值，那么等于最大原始值；如果少于最小原始值，那么等于最小原始值。如果要进行报警，那么可以设置报警条件。如果要进行操作权限管理和历史趋势记录，那么设置“记录和平安区。其它变量的设置类似，不详细介绍，注意读写属性。 MCGS对控制器的设备组态百特XM系列仪表是利用RS23C/RS485和上位机进行通讯的人工智能工业调节器，MCGS设备构件支持百特XM系列仪表的各种型号。用于MCGS操作和通过串行口读写仪表的数据。使用MCGS本构件前，请先阅读相应仪表的技术说明书，根据实际应用的需要来正确设置仪表的各项参数，也可通过MCGS本构件的设备命令设置仪表的局部参数。1、设备定义翻开设备组态窗口，然后翻开“设备工具箱，单击按钮“设备管理。找到“通用串口父设备，如下图3。如果没有这个设备，那么需要重新安装驱动程序。图3 设备管理窗口选择“通用串口父设备，单击“安装按钮，就可以在“设备工具箱看到这个设备。再选择智能仪表的“百特仪表百特- XM系列百特- XM系列仪表。单击“确定按钮关闭设备管理窗口。在“设备工具箱上的“通用串口父设备双击，就可以在“设备组态窗口增加这个父设备，然后在“设备工具箱上的“百特- XM系列仪表双击，增加这个设备。再次双击“百特- XM系列仪表，再增加一个仪表。如下图4。图4 设备组态窗口增加了设备在设备窗口双击“通用串口父设备0-通用串口父设备，从而设置通讯属性。包括端口，波特率等等。如下图5。图5 设置串口设备属性在设备窗口双击“设备0-百特- XMA5000，从而设置通讯属性。包括采样周期，地址等等。如下图6设备属性设置。图6 设备属性设置(1).设备名称：可根据需要来对设备进行重新命名，但不能和设备窗口中已有的其它设备构件同名。这里修改为baite1。(2).采集周期：为运行时，MCGS对设备进行操作的时间周期，单位为毫秒，一般在静态测量时设为1000ms。(3)初始工作状态：用于设置设备的起始工作状态，设置为启动时，在进入MCGS运行环境时，MCGS即自动开始对设备进行操作，设置为停止时，MCGS不对设备进行操作，但可以用MCGS的设备操作函数和策略在MCGS运行环境中启动或停止设备。(4)设备地址：设置仪表的地址，1，这里需要在手动初始化时设定。在设备窗口双击“设备2-百特- XMA5000，从而设置通讯属性。包括采样周期，地址等等。如下图7设备属性设置。图7 baite2设备属性设置由于MCGS没有提供内部属性，所以不用对设备存放器进行对应通道设置。2、实时数据库定义进入工作台-实时数据库窗口，通过新增对象建立变量，变量名称、限值、报警等属性可以通过对象属性来修改。在工作台窗口，翻开“实时数据库页面。如下图。图 定义实时数据库单击“新增对象按钮，那么在窗口增加一行。双击该增加的变量。如下图。图 数据对象属性设置对象名称可以在“实时数据库页面修改，这里不能改动。可以设置对象初值，最小值，最大值。继续定义其他数据变量。最后的数据库定义如上一节表2.2.1所示。3、通道连接对于关联硬件的变量进行通道连接。在设备窗口双击“baite1-百特XM系列仪表，首先设置内部属性，在“根本属性页面选中内部属性。单击右边的按钮。如下图。图 百特XM系列仪表设置单击“增加按钮，如下图。图 增加通道根据表2.2.1的参数号进行设置，而通道号只是1。通过同样的方法，增加所有的通道。包括PID的比例带，积分时间，微分时间，操作值，手动自动切换。注意过程值就是瞬时值，并具有只读属性。最后完成的通道定义如下图。图 baite1的所有内部属性从而设置通道连接，如下图5。图5 baite1通道连接直接在窗口“对应数据对象列中把实时数据库定义的变量名写在这里。对baite2进行同样的设置，如下图。图 baite2通道连接4、数据处理由于百特仪表自身可以进行工程量转换，所以MCGS中不再提供。完成以上步骤之后，就可以开始画面组态，关联这些变量了。2.3 范例的操作过程和调试1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，和控制器联合调试完毕。这些步骤不详细介绍。2、在现场系统上，翻开手阀QV102、QV105，调节下水箱闸板QV116开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。3、在控制系统上，将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到AO0。4、翻开设备电源。启动右边水泵P102和调节阀。5、启动计算机组态软件，进入测试工程界面。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。6、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数根本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试。7、待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的根底上加扰动，一般可通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰)。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。8、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。10、选择适宜的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。11、在比例调节实验的根底上，参加积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。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。12、固定I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，据此列表记录不同值Ti下的超调量p。13、选择适宜的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。14、在PI调节器控制实验的根底上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，。15、选择适宜的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突变10%左右来实现。2.4 范例测试结果及记录下闸板顶到槽顶距离(开度)5-6mm。比例控制器控制曲线如图2.所示。多个P值比例带的控制曲线绘制在同一个图上。图2. 比例控制器控制曲线从图可见P=16时，有振荡趋势，P=24比拟好。残差大约是8%。PI控制器控制曲线如图2.所示。选择P=24，然后把I从1800逐步减少。图2.4.2 PI控制器控制曲线如图2.所示，在这里I的大小对控制速度影响已经不大。从I=5时出现振荡，并且难以稳定了。I的选择很大，8-100都具有比拟好的控制特性，这里依据临界条件，选择I=8到20之间。PID控制器控制曲线如图2.所示：图2.4.5 PID控制器控制曲线P=24,I=20,D=2或4都具有比拟好的效果。从控制量来看，P=24,I=8,D=2比拟好。