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1、过程控制实验指导书李忠明北京邮电大学 机电工程实验教学中心2015一、实验系统软硬件介绍A1000 小型过程控制实验系统完全符合国家对自动化专业工程培训的要求，非常适 合学习组态软件、控制系统调节以及控制器编程，也非常适合于进行算法研究。控制系 统和对象是一体，连通手阀采用金属球阀（长 80mm）A1000 小型过程控制系统流程如图 1.1 所示。A1000 小型过程控制系统可以放到台面上，从而节省了实验A室1空00间0小。型如过图程1.控2 所制示实。验系统工艺流程图20QV112 QV113QV123QV122溢出管 溢出管流量 QV114QV124FT101V101 V102 V103
2、流量压力P101液位LT101QV115QV125液位LT102液P-46 位LT103FT102压力溢出管 QV121P101 P102U101V104U102QV111QV116 QV131 QV126P102图 1.1 A1000 小型过程控制系统流程图1.1 基本技术指标图 1.2 小型过程控制系统 A1000 实物图尺寸：611mm(长度)*400mm（宽度）*600mm（高度） 重量：18 公斤左右（无水时）,38 公斤左右（装满水）。 供电：24V，3A。供水：纯净水 20 公斤。1.2 对象系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力，流量和液位实验，还可 以一路用于
3、提供水流，一路用于提供干扰。QV111 和 QV121 提供泄漏干扰。 主体结构包括：（1）储水箱主体。提供了整个系统的支撑。（2）三容水箱。 左边水箱有一个入水口和四个出水口。右边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。右边中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。右边下出水口用于和中水箱形 成水平两容和水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液 位测量。中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。前面的入水口是两个水路的 入水。左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢流。左边中出水用于和左边水箱形成垂 直多容系统。左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平三容。右边
4、下出水口 用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有 一个开口用于提供液位测量。中间有根管道，如果水过多则从此管道溢流。右边水箱有一个入水口，四个出水口。左边上出水用于溢流，如果水过多则从中水 箱溢流。左边下出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水 回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。（3）测控点压力测点 2 个，用于测量泵出口的压力（0100Kpa；420mA）。 流量测点 2 个，用于测量注水流量（00.6m3/h）。液位测点 3 个，用于测量各实验水柱的水位（05 Kpa；420mA）。（4）循环泵潜水直流离心泵 2 台，
5、提供水系统的循环动力。通过调速器控制水泵的出口流量， 作为控制系统的执行器。安全注意事项在安装、操作、维护或检查本系统之前一定仔细阅读以下安全注意事项。在熟悉 设备的知识、安全信息及全部有关注童事项以后使用。在本使用说明书中，将安全注意 事项等级分为“危险”和“注意”。！危险：不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。！注意：不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬 件损坏。注意：根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能造成严重后果。请遵循两个等 级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。1 防止触电！危险： 当通电或正在运行时，请不要接触插头，我们采用了
6、笔记本一样的电源，非常安全，但是不要接触供电插头。不要单手插插头。 请不要用湿手操作开关，以防止触电。2 防止损坏！注意由于系统用 24V 供电，操作时要正确使用电压。系统应远离可燃物体。系统发生故障时，请断开电源。否则可能因电流过大导致火 灾。始终应保证正负极性的正确，以防止爆裂、损坏等。3 其他注意事项！注意 当搬运产品时，请使用正确的升降工具以防止损伤，不要过分颠簸，绝对禁止倾斜，甚至倾倒。环境周围环境温度0-+50 (不结冰)周围环境湿度.90RH以下(不凝露)储存温度-20+50环境室内(无腐蚀性气体，可燃性气体，油雾和尘埃等等)振动59ms以下(JIS C 0040标准)1.4 仪
7、器仪表与控制系统系统包括 7 个检测仪表，2 个控制单元。（1）压力和液位变送器型号：HY133 或 FB0803X。照片如图 1.3 所示。 量程：0150KPa（管道压力）、05KPa（水箱液位） 输出信号：420mA供电电源：24VDC技术参数：图 1.3 压力传感器参数数值过载压力150精度（包括线型、重复值、迟滞）0.25零点温度漂移0.0005F.S/满量程温度漂移0.0005F.S/抗电磁/射频干扰30V/m，10kHz 至 500MHz抗冲击/振动100g，10ms/10g，10200Hz工作温度-2085工作介质纯净气体和液体（无固体杂质）外壳材料1Cr18Ni9Ti螺纹连接
8、口M20*1.5（2）涡轮流量计 涡轮流量计如图 1.4 所示。图 1.4 涡轮流量计 被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。此时，叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周期性的变化，因而在检出线圈两端就感应出频率与流量 成正比的电脉冲信号，经放大器放大后远传输出。在测量范围内，传感器的流量脉冲频率与体积流量成正比，这个比值为仪表系数， 用 K 表示。K = 3600 f QK = N或 V式中：f流量信号频率（Hz） 一般 1600 转/升Q-体积流量（ m3 /h 或 L/h）N脉冲数V体积总量（ m3 或 L）1、基本参数：2、介质温度：-20-+120C3、环境温度：-
9、20-+50C4、供电电源：电压：24V10%,电流：10Ma5、输出经过变送器，为两线制 4-20 毫安。（3）微型潜水泵 微型潜水泵如图 1.5 所示。名称：微型屏蔽式离心泵 型号：PX1A/DC24V 扬程：5 米流量：10L/M 额定电流：1A 输入信号：0-24VDC 尺寸：80*45*50（毫米）图 1.5 微型潜水泵特点：采用全塑料外形结构，直流无刷电机驱动，独特的屏蔽套设计，保证了泵的 轴端永无渗漏。调速模块采用 PWM 控制，输入电压 0-DC24V。最大电流 1A。 控制水泵时，调整系统零点和满足，控制电压到 3V 左右开始出水，9V 左右达到最大值。由于制造的差异，可能参
10、数有所不同。 在水盖过水泵的情况下，测试过连续运行 24 小时，温升在容许的范围内。（4）西门子 S7-200 PLCS7-200PLC是一种小型PLC，其结构紧凑，功能强大，适用于各行各业，各种场合 中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量 I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC。本实验系统中采 用CPU224，集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。具有PID控制器，16K字节程序和数据存储空间。1个RS485通讯/编程口，具有PPI
11、通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。S7-200PLC控制器硬件系统由四部分组成：CPU模块、扩展模块及PC/PPI电缆，还 有计算机。系统连接如图1.7所示。图 1.7 系统连接1.5 软件操作介绍本实验系统使用的是组态王软件。双击桌面“组态王”图标，进入如下 界面：双击后进入下面的界面：进入实验界面，本课程涉及的具体实验名目分别在“特性测试与单回路 PID”与“复杂 控制”菜单下。二、 实验项目实验一、单容过程的数学模型建立与控制本次实验完成单容过程的液位控制，对应软件菜单中的“单容液位 PID 控制” 。本 次实验分为两个实验。首先用实验法建立单容过程的数学模型，然后用 PID
12、进行控制。实验参数设置时需要注意的一点是：组态软件采用所有的工程量都是 0-100。如液位 的实际最高高度为 28cm，液位参数设置时取 20%，50%等类似的百分比。a) 单容水箱液位数学模型1 实验目的与要求了解液位容积特性，熟悉实验法建模的具体方法。1、实验前需熟悉实验的设备装置以及管路构成。2、熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。2 实验系统组成液位容积（含水泵调速器）特性测量流程图如图 2.1.1 所示。QV112调速器液位LT101V101QV111QV116P101V104图 2.1.1 单容液位特性测量流程图 阀门的开度，以及调速器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以测量的数据可能不同。把系统作为一阶系统，传递函数 G(S)=K/(TcS+1)。对于单容水箱，如果考虑进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系 G(s) = Ke -ts /(Ts + 1) 。由 于纯延迟相对系统时间比较少，本次实验不考虑纯延迟。直接在调速器上加定值电流，从而使得水泵具有固定的流量。调整水箱 V101 的出口阀 QV116 到一定的开度，等待稳定后，突然加大调速器上所加的定值电流观察液位 随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。4 操作步骤和调试步骤如下：1、
