過(guò)程控制試驗(yàn)指導(dǎo)書

本文格式為Word版，下載可任意編輯——過(guò)程控制試驗(yàn)指導(dǎo)書試驗(yàn)系統(tǒng)認(rèn)知

A3000高級(jí)過(guò)程控制試驗(yàn)系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)概念，而不是對(duì)象系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)包括了試驗(yàn)對(duì)象單元、供電系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行器(包括電動(dòng)調(diào)理閥、變頻器及調(diào)壓器)、以及半模擬屏，從而組成了一個(gè)只需接受外部標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)的完整、獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

1、A3000特點(diǎn)

(1)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)柜，集成供電系統(tǒng)、變頻器、移相調(diào)壓器、以及現(xiàn)場(chǎng)繼電器，所有驅(qū)動(dòng)電力由現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)提供。它僅需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接線端子接收標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)即能完成所有試驗(yàn)功能。從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)完全獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)柜內(nèi)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接線端子。這種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接口可以使現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)與用戶自行選定的DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、DDC系統(tǒng)便利連接，甚至用戶自己用單片機(jī)組成的系統(tǒng)都可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

(3)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)另外的優(yōu)勢(shì)是保證動(dòng)力線與控制線的電磁干擾隔離。(4)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保證了控制系統(tǒng)只需要直流低壓就可以了，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更模塊化，更安全、具有更大的擴(kuò)展性。

A3000-FS現(xiàn)場(chǎng)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-1，圖2-2所示。

圖2-1A3000現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

圖2-2A3000現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)包括三個(gè)水箱，一個(gè)大儲(chǔ)水箱，一個(gè)鍋爐，一個(gè)工業(yè)用板式換熱器，兩個(gè)水泵，大功率加熱管，滯后時(shí)間可以調(diào)整的滯后系統(tǒng)，一個(gè)硬件聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)包括5個(gè)溫度、3個(gè)液位、1個(gè)壓力，1個(gè)電磁流量計(jì)，1個(gè)渦輪番量計(jì)，1個(gè)電動(dòng)調(diào)理閥，兩個(gè)電磁閥，2個(gè)液位開(kāi)關(guān)。

2、現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)機(jī)柜面板

?電源：220VAC單相總電源空開(kāi)，380VAC三相總電源空開(kāi)。

?開(kāi)關(guān)：兩個(gè)兩位自鎖旋鈕開(kāi)關(guān)，分別是加熱器電源開(kāi)關(guān)和變頻器電源開(kāi)關(guān)。四個(gè)三位自鎖旋鈕開(kāi)關(guān)，分別是1#、2#電磁閥手自動(dòng)以及關(guān)閉開(kāi)關(guān)。變頻器手自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)以及關(guān)閉開(kāi)關(guān)，2#水泵手自動(dòng)運(yùn)行以及關(guān)閉開(kāi)關(guān)。

?電壓表：顯示24VDC開(kāi)關(guān)電源的電壓值。

?變頻器：對(duì)于A3000FBS系統(tǒng)，則具有ProfibusDP控制端子。

?指示燈：安裝有8個(gè)指示燈和滯后管系統(tǒng)的兩手動(dòng)調(diào)理閥。分別為單相電，三相電通電指示。以及兩個(gè)水泵、兩個(gè)電磁閥開(kāi)啟時(shí)，其狀態(tài)指示燈分別點(diǎn)亮。當(dāng)鍋爐內(nèi)水位低于低限液位開(kāi)關(guān)時(shí)，液位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，聯(lián)鎖控制的低限液位指示燈點(diǎn)亮，說(shuō)明鍋爐內(nèi)液位很低或無(wú)液位。提醒阻止對(duì)鍋爐加熱。往鍋爐內(nèi)注水等到當(dāng)鍋爐內(nèi)水位達(dá)到或超過(guò)低限液位開(kāi)關(guān)時(shí)，液位開(kāi)關(guān)閉合，聯(lián)鎖控制的低限液位指示燈滅，可以開(kāi)始對(duì)鍋爐加熱。當(dāng)鍋爐內(nèi)水位超過(guò)高限液位開(kāi)關(guān)時(shí)，液位開(kāi)關(guān)閉合，聯(lián)鎖控制的高限液位指示燈點(diǎn)亮，說(shuō)明鍋爐內(nèi)液位很高或超過(guò)高位限制，應(yīng)及時(shí)把鍋爐內(nèi)液體排出一部分。

3、支路分析

現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)包含兩個(gè)支路。支路1有1#水泵，換熱器，鍋爐，還可以直接注水到三個(gè)水箱以及鍋爐。支路2有2#水泵，壓力變送器，電動(dòng)調(diào)理閥，三個(gè)水箱，還有一路流入換熱器進(jìn)行冷卻。

(1)支路1分析

支路1包括左邊水泵，1#流量計(jì)，電磁閥等組成，可以到達(dá)任何一個(gè)容器，鍋爐以及換熱器。水泵可以使用變頻器控制流量，電磁閥可能沒(méi)有。

由于支路1可以與鍋爐形成循環(huán)水，可以做溫度控制試驗(yàn)。為了保證加熱均勻，應(yīng)當(dāng)使用動(dòng)態(tài)水，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)水循環(huán)回路來(lái)達(dá)到此目的。即開(kāi)啟JV304、

JV106、XV101，關(guān)閉其它閥門(注意JV104)，開(kāi)啟1#水泵，則鍋爐內(nèi)的水通過(guò)1#水泵循環(huán)起來(lái)。

鍋爐內(nèi)有高、低限兩個(gè)液位開(kāi)關(guān)，可以進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。當(dāng)鍋爐內(nèi)液位低于低限液位開(kāi)關(guān)時(shí)，液位開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，使移相調(diào)壓模塊斷電，加熱器無(wú)法開(kāi)啟。當(dāng)液位超過(guò)它時(shí)，液位開(kāi)關(guān)合上，加熱器信號(hào)連通，因此可以防止加熱器干燒。

高限液位開(kāi)關(guān)有兩個(gè)作用：第一，當(dāng)鍋爐內(nèi)水溫超過(guò)溫度上限時(shí)，通過(guò)聯(lián)鎖控制，開(kāi)啟2#電磁閥，注入冷水，使鍋爐內(nèi)溫度快速下降；其次，當(dāng)鍋爐內(nèi)水量超過(guò)液位上限時(shí)，高限液位開(kāi)關(guān)閉合，通過(guò)聯(lián)鎖控制，關(guān)閉2#電磁閥，不再注入冷水。

支路1上有一個(gè)工業(yè)用板式換熱器，其冷、熱水出口各有一個(gè)溫度傳感器，可以做熱量轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。

鍋爐底部連接有滯后管系統(tǒng)。開(kāi)啟JV501、JV502，關(guān)閉JV503，鍋爐內(nèi)的水只流過(guò)第一段滯后管，進(jìn)入儲(chǔ)水箱。開(kāi)啟JV503，關(guān)閉JV502，水流過(guò)兩段滯后管，即增加了滯后時(shí)間。在滯后管出口裝有一個(gè)溫度傳感器，可以做溫度滯后試驗(yàn)。

(2)支路2分析

支路2包括右邊的水泵，2#流量計(jì)，壓力變送器，電動(dòng)調(diào)理閥。可以到達(dá)任何一個(gè)容器，鍋爐以及換熱器。水泵可以使用變頻器控制流量，也可以使用電動(dòng)調(diào)理閥，對(duì)于小流量使用調(diào)理閥比較確鑿，對(duì)于要求快速控制的，則使用變頻器比較便利。

支路2有一個(gè)電動(dòng)調(diào)理閥，協(xié)同三個(gè)水箱(各裝一個(gè)壓力變送器)，可以做單容、雙容、三容試驗(yàn)，以及液位串級(jí)試驗(yàn)、換熱器溫度串級(jí)試驗(yàn)，以及換熱器解耦控制試驗(yàn)。水箱裝有壓力變送器，測(cè)得水箱的壓力信號(hào)，之后轉(zhuǎn)換為液位信號(hào)。

對(duì)于流量控制試驗(yàn)，我們可以選擇支路2，用電動(dòng)調(diào)理閥作為執(zhí)行器。同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)支路的水泵，可以做比值控制試驗(yàn)：將支路1流量固定(用渦輪番量計(jì)測(cè)量流量值)，設(shè)定一個(gè)比值系數(shù)，用PID控制支路2的流量與支路1成比例。

對(duì)于較繁雜的前饋-反饋控制試驗(yàn)，設(shè)計(jì)使用兩個(gè)支路的多個(gè)設(shè)備來(lái)完成。以換熱器溫度－流量前饋反饋試驗(yàn)為例，設(shè)備包括：鍋爐、換熱器、兩個(gè)水泵、調(diào)理閥、渦輪番量計(jì)、電磁流量計(jì)。前饋控制部分，通過(guò)測(cè)量換熱器熱水入口溫度

及流量，控制調(diào)理閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)冷水流量控制；反饋控制部分，通過(guò)測(cè)量換熱器熱水出口溫度，控制調(diào)理閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)冷水流量控制。

9、增大P重復(fù)步驟6，觀測(cè)過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。

10、選擇適合的P，可以得到較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。改變?cè)O(shè)定值(如設(shè)定值由50％變?yōu)?0％)，同樣可以得到一條過(guò)渡過(guò)程曲線。

注意：每當(dāng)做完一次試驗(yàn)后，必需待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗(yàn)。

11、在比例調(diào)理測(cè)試的基礎(chǔ)上，參與積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不是特別大的數(shù)。固定比例P值（中等大小），改變PI調(diào)理器的積分時(shí)間常數(shù)值Ti，然后觀測(cè)加階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時(shí)的超調(diào)量σp。

12、固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀測(cè)加擾動(dòng)后被調(diào)量輸出的動(dòng)態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值Ti下的超調(diào)量σp。

13、選擇適合的P和Ti值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。此曲線可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來(lái)獲得。

14、在PI調(diào)理器控制測(cè)試的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后加上與前面調(diào)理時(shí)幅值完全相等的擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線。

15、選擇適合的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線（階躍輸入可由給定值從突變10%左右來(lái)實(shí)現(xiàn)）。

2.5試驗(yàn)結(jié)果

整理試驗(yàn)趨勢(shì)曲線，記錄適合的PID值，寫試驗(yàn)報(bào)告。

2.6試驗(yàn)思考

變頻器有幾種工作模式，在相應(yīng)模式下如何操作。

試驗(yàn)三鍋爐動(dòng)態(tài)水溫度PID單回路控制

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解溫度控制原理，熟悉上位機(jī)組態(tài)王的組態(tài)及通訊。通過(guò)試驗(yàn)，把握PID參數(shù)的整定。

3.2試驗(yàn)要求

1、試驗(yàn)前需熟悉試驗(yàn)的設(shè)備裝置以及管路構(gòu)成。2、熟悉儀表裝置，如檢測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元等。

3、用響應(yīng)曲線法求取PID參數(shù)，以4:1標(biāo)準(zhǔn)衰減振蕩作為指標(biāo)，整定出最正確的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。

3.3試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)組成

1、試驗(yàn)設(shè)備：A3000對(duì)象系統(tǒng)（1）泵

（2）調(diào)壓模塊：工作電源220VAC，控制信號(hào)2-10VDC，輸出電壓：0-220VAC。（3）溫度傳感器：量程為0-100度,輸出信號(hào)4-20mA。2、系統(tǒng)組成

鍋爐水溫PID單回路控制流程圖如圖10-1所示

圖10-1鍋爐水溫PID單回路控制

3、測(cè)點(diǎn)清單

測(cè)點(diǎn)清單如表10-1所示：

序號(hào)12位號(hào)或GZ101TE101設(shè)備名稱調(diào)壓模塊溫度變送器用途加熱棒電壓控制鍋爐溫度原始信號(hào)類型4～20mAAO4～20mAAI工程量0～50Hz0～3m3/h表10-1鍋爐水溫PID單回路控制測(cè)點(diǎn)清單

水介質(zhì)由泵P101（變頻器U101驅(qū)動(dòng)）從水箱V104中加壓獲得壓頭，當(dāng)鍋爐內(nèi)的水量達(dá)到測(cè)試需要的高度后，關(guān)閉手閥QV115，開(kāi)啟手閥QV114，從而使鍋爐、水泵P101構(gòu)成一個(gè)循環(huán)回路；其中，鍋爐的溫度由TE101測(cè)得。本例為定值自動(dòng)調(diào)理系統(tǒng)，可控硅GZ101功率為操縱變量，TE101為被控變量，采用PID調(diào)理來(lái)完成。

為了加熱均勻，我們使用動(dòng)態(tài)循環(huán)水，把鍋爐的水?dāng)噭?dòng)起來(lái)。另外電加熱管功率為4.5KW，加熱過(guò)程相對(duì)較快，散熱過(guò)程相對(duì)較慢。

試驗(yàn)前手閥開(kāi)啟關(guān)閉狀況：

需要開(kāi)啟的手閥：QV115、QV111、QV112；需要關(guān)閉的手閥：QV103、QV113、QV114；

3.4操作步驟和調(diào)試

1、編寫控制器算法程序，下裝調(diào)試；編寫測(cè)試組態(tài)工程，連接控制器，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。2、依照試驗(yàn)內(nèi)容，選擇適合水流管路。

3、控制柜上電，啟動(dòng)變頻器和水泵P101（變頻器使用面板操作模式，全部為50Hz）。4、將鍋爐的水裝至中間高度。一定要超過(guò)最低液位，例如聯(lián)鎖保護(hù)燈亮起。然后關(guān)閉水泵P2。5、開(kāi)啟閥QV114，關(guān)閉閥QV115。

6、在控制系統(tǒng)上，將IO面板上鍋爐溫度(TE101)連到控制器AI0，調(diào)壓器（GZ101）控制端連到控制器AO0。

注意：具體哪個(gè)通道連接指定的傳感器和執(zhí)行器依靠于控制器編程。對(duì)于全連好線的系統(tǒng)，例如DCS，則必需依照已經(jīng)接線的通道來(lái)編程。

7、啟動(dòng)變頻器和水泵P101，變頻器頻率設(shè)定到面板操作，全部為50Hz。8、連接好控制系統(tǒng)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的通訊電纜，啟動(dòng)控制系統(tǒng)。9、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)組態(tài)軟件，進(jìn)入試驗(yàn)界面。

10、投入現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)三相電源。系統(tǒng)投入運(yùn)行以后，鍋爐的水處于循環(huán)狀態(tài)11、啟動(dòng)調(diào)理器，把調(diào)理器切換到自動(dòng)控制。

12、設(shè)置PID控制器參數(shù)，可以使用各種經(jīng)驗(yàn)法來(lái)整定參數(shù)。

3.5試驗(yàn)結(jié)果

整理試驗(yàn)趨勢(shì)曲線，記錄適合的PID值，寫試驗(yàn)報(bào)告。

3.6試驗(yàn)思考

溫度PID控制在實(shí)際應(yīng)用中有哪些領(lǐng)域。

試驗(yàn)四流量比值控制試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解流量比值的工作原理，熟悉上位機(jī)組態(tài)王的組態(tài)及通訊。通過(guò)試驗(yàn)，把握比值算法。

4.2試驗(yàn)要求

1、試驗(yàn)前需熟悉試驗(yàn)的設(shè)備裝置以及管路構(gòu)成。2、熟悉儀表裝置，如檢測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元等。

4.3試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)組成

1、試驗(yàn)設(shè)備：A3000對(duì)象系統(tǒng)（1）泵

（2）電動(dòng)調(diào)理閥：工作電源24VAC，控制信號(hào)2-10VDC；（3）渦輪番量計(jì)：量程為0-3m3/h,輸出信號(hào)4-20mA；

(4)變頻器：工作電源220VAC，控制信號(hào)4-20mA，輸出電源220VAC。2、系統(tǒng)組成

流量比值控制流程圖如圖12-1所示

圖12-1流量比值控制

3、測(cè)點(diǎn)清單

測(cè)點(diǎn)清單如表12-1所示：

序號(hào)123位號(hào)或FV101FT101FT102設(shè)備名稱電動(dòng)調(diào)理閥渦輪番量計(jì)渦輪番量計(jì)用途閥位控制管道流量管道流量原始信號(hào)類型4～20mA4～20mA4～20mAAOAIAI工程量0～50Hz0～3m3/h0～3m3/h表12-1流量比值控制測(cè)點(diǎn)清單

水介質(zhì)由泵P102從水箱V104中加壓獲得壓頭，經(jīng)流量變送器、調(diào)理閥FV101或XV101后進(jìn)入水箱V103，通過(guò)手閥QV116回流至水箱V104而形成水循環(huán)；水介質(zhì)由泵P101從水箱V104中加壓獲得壓頭，經(jīng)流量變送器后進(jìn)入水箱V103，通過(guò)手閥QV116回流至水箱V104而形成水循環(huán)；其中，泵的轉(zhuǎn)速影響管路液體流量FT101的大小,電動(dòng)調(diào)理閥開(kāi)度影響FT102的大小。本例為定值自動(dòng)調(diào)理系統(tǒng)，F(xiàn)V101為操縱變量，F(xiàn)T102為被控變量，采用PID調(diào)理來(lái)完成.

需要全開(kāi)啟的手閥：QV115、QV111、