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1、过程控制系统实验指导书编制 于忠得 扬增平大连轻工业学院信息科学与工程学院前 言本实验指导书是根据“过程控制系统课程教学大纲”的要求，结合浙江天煌科技实业 提供的“THJ3型高级过程控制实验装置”的资源情况编制的。旨在满足自动化本科“过程控制系统”课程810学时实验需要。通过实验，希望能够使学生在以下几个方面学习和提高实验技能，加深对本门课程理论知识的掌握。1、变送器特性的认识及零点迁移与满度调整；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、电动调节阀的流量特性和原理；5、测定被控对象特性的方法；6、单回路控制系统的投运与参数整定；7、串级控制系统的投运参数整定；8、比值控制
2、回路系统的投运参数整定；9、控制参数对控制系统控制质量指标的影响；10、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运。目 录THJ-3型过程控制系统实验装置简介3实验一 过程控制系统操作实验12实验二 单容水箱液位特性测试实验13实验三 液位单回路系统实验 18实验四 水箱液位流量串级系统实验21实验五 单闭环流量比值系统实验25THJ-型过程控制系统实验装置简介本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）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；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。一、被
3、控对象1、对象组成由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃，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=20 cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。水箱结构非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。储水箱是
4、采用不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243 完全能满足上、中、下水箱的实验需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。模拟锅炉：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙，由二层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度，可完成温度的串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，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，在实验过程中根据不同的实验需要选择
5、不同的滞后时间常数。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，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。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开将水直接排出。二、检测装置压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆
6、、锅炉夹套以及盘管的水温。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4 20mADC电流信号。 Pt100传感器精度高，热补偿性较好。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：01.2m3/h，精度：1.0%。输出：420mA标准信号。本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。三、执行机构电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。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，控制信号为
7、420mA DC或15V DC，输出420mA DC的阀位信号，使用和校正非常方便。技术指标：电源220VAC 50HZ输入控制信号：420mA DC或15V DC公称压力：1.6Mpa公称直径：20mm重复精度：1%介质温度：4200行程：10mm功耗：5VA变频器：本装置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R)变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC，220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32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
8、380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。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7Kg/2 ；工作温度：580。四、控制器本实验装置基本配置的控制器有调节仪表、比值器/前馈-反馈补偿器、解耦装置。(还可根据需要扩展远程数据采集和PLC可编程控制系统)调节仪表本系统实验装置采用上海万迅仪表 的AI系列仪表，其主要特点有：l AI系列仪表操作方便、通俗易学，且
9、不同功能档次相互兼容。l 具有国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强、技术成熟可靠。l 全球通用的85246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，并具备多种外形尺寸。l 输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。l 采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。l 采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能满足各种应用场合的需要。l 通过ISO9002质量认证，品质可靠。具备符合要求的抗干扰性能。本装置有4台调节器。其中三台型号是AI-818，另一台型号是AI-708。（1）技术规格热电偶：K、S、R、E、J、T、B、N热电阻：Cu50、
10、Pt100线性电压：05V、15V、01V、0100mV、020mV等线性电流（需外接分流电阻）：010mA、020mA、420mA等（2）测量范围K（-501300）、S（-501700）、R（-501650）、T（-200550）、E（0800）、J（01000）、B（01800）、N（01300）、Cu50（-50150）、Pt100（-200600）（3）测量精度0.2级（热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿或冰点补偿冷端时）0.2%FS2.0（热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时）（4）响应时间0.5秒（设置数字滤波参数dL=0时）注：仪表对B分度号热电偶在0
11、600范围时可以进行测量，但测量精度无法达到0.2级，在600-1800范围可保证0.2级测量精度。位式调节方式（回差可调）（5）AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。（6）输出规格（模块化）继电器触点开关输出（常开+常闭）：250VAC/1A或30VDC/1A可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：100-240VAC/0.2A（持续），2A（20mS瞬时，重复周期大于5S）SSR电压输出：12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器）可控硅触发输出：可触发5-500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块线性电流输出：0-10 mA可4-20
12、 mA可定义（安装X模块时输出电压10.5V；X4模块输出电压7V）（7）报警功能上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式，最多可输出3路，有上电免除报警选择功能。（8）手动功能自动/手动双向无扰动切换（仅A1-808/808P系列具备此功能）（9）电源：100-240VAC，-15%，+10%50-60HZ；电源消耗：5W（10）环境温度：0-50比值器、前馈-反馈装置此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈控制系统实验。解耦控制装置此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦
13、控制系统实验。五、仪表综合控制台仪表控制台面板由三部分组成：1、电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带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。2、仪表面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、1块AI/708A智能位式调节仪、解耦装置面板，比值器/前馈-反馈装置面板，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。3、I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制系统的实验。六、系统软件MCGS（Monitor and Control
14、Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系统。MCGS5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、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企业监控网络等功能。使用MCGS5.1，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS5.1具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。与国内外同类产品相比，MCGS5.1组态软件具有如下特点：l 全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，支持多任务、多线程，可运行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系统
