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1、1过程控制大实验实验指导书东北林业大学 自动化实验室2一、实验装置说明 .2第一节 系统概述 .2第二节 THSA-1 型过控综合自动化控制系统对象 .4第三节 THSA-1 型过控综合自动化控制系统实验平台 .8第四节 软件介绍 .11第五节 实验要求及安全操作规程 .12二、实验内容 .15实验一 单容自衡水箱液位特性测试实验 .15实验二 锅炉内胆温度特性的测试 .21实验三 单容水箱液位定值控制系统 .25实验四 锅炉内胆水温定值控制系统 .29实验五 单闭环流量比值控制系统 .34实验六 锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统 .40实验七 水箱液位串级控制系统 .443一、实验装置说
2、明第一节 系统概述一、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 机三部分组成。它是本企业根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。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。该系统包括流量、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。本装置还可根据用户的需要设
3、计构成 AI 智能仪表， DDC 远程数据采集，DCS分布式控制，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个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以下内容：1传感器特性的认识和零点迁移；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方法；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要求；10控制系统的设计、计算
4、、分析、接线、投运等综合能力培养；411各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。二、系统特点 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。 被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。 具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有 I/O 信号全部采用国际标准IEC 信号。 具有控制参数和控制方案的多样化。通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控制系统实验项目。 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。实验数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。 多种控制方式
5、：可采用 AI 智能仪表控制、DCS 分布式控制、S7-200或 S7-300PLC 可编程控制、 DDC 远程数据采集控制等多种控制方式。 充分考虑了各大高校自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。三、实验装置的安全保护体系1三相四线制总电源输入经带漏电保护装置的三相四线制断路器进入系统电源之后又分为一个三相电源支路和三个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯和 380V 三相电压指示表，三相带
6、灯熔断器作为断相指示。2控制屏上装有一套电压型漏电保护和一套电流型漏电保护装置。3控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪） ，为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。4各种电源及各种仪表均有可靠的自保护功能。5强电接线插头采用封闭式结构，以防止触电事故的发生。6强弱电连接线采用不同结构的插头、插座，防止强弱电混接。5第二节 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：图 1-1 实验对象总貌图6本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。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组成；另一
7、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组成。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组成。1水箱：包括上水箱、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，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带
8、燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。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，尺寸为：长 宽高=68cm5243 ，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套） ，均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使
9、加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、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，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。74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可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水
10、阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。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。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供 24V 直流电源，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。Pt100 测温范围： -200+420 。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成 420mA 直流
11、电流信号。Pt100 传感器精度高，热补偿性较好。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。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供 24V 直流电源。流量范围：01.2m 3/h；精度：1.0%；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。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相 220V，控制信号为 4 2
12、0mADC 或 15VDC，输出为 420mADC 的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为 16CQ-8P，流量为 30 升/分，扬程为 8 米，功率为 180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。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。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为 0Kg/ 2，最大压力为87Kg/ 2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。4三相电加热管：由三根 1.5KW 电加热管星形连接而成，用
13、来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为 50 左右。9第三节 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”主要由控制屏组件、智能仪表控制组件、远程数据采集控制组件、DCS 分布式控制组件、PLC 控制组件等几部分组成。一、控制屏组件1SA-01 电源控制屏面板充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。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，此时三只电压表均指示 380V 左右，定时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
14、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，作为其他设备的供电电源。图 1-2 电源控制屏示意图2SA-02 I/O 信号接口面板该面板的作用主要是通过航空插头（一端与对象系统连接）将各传感器检10测信号及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，便于学生自行连线组成不同的控制系统。3SA-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。有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。
