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1、.控制科学与工程系实验室过程控制系统实验指导书控制科学与工程系实验室 2006年10月目 录第一章实验装置说明2第一节系统概述. 2第二节 DDD-Z05-I型控制系统对象4第三节 DDD-Z05-I型DCS网络控制系统实验控制柜7第五节网络实验步骤18第六节实验要求及安全操作规程20实验一单容水箱液位特性测试实验21第二章单回路控制系统概述25实验二单容液位定值控制实验29第三章串级控制系统概述31实验三水箱液位与进水流量串级控制实验33实验四过热汽温分段控制实验35实验五 三冲量控制实验37第一章实验装置说明第一节 系统概述一、概述“DDD-Z05-I型DCS网络控制系统”是由实验控制对象
2、、实验控制柜、电源控制柜及上位监控PC机三部分组成。它是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。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
3、和实验平台。学生通过本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和利时控制系统的初步使用；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、分析、接线、投运等综合能力培养；11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l 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。l 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。l 具有广泛的
4、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。l 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。l 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。l 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
5、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，系统电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表，三相带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各种电源及各种设备均有可靠的自保护功能。第二节 DDD-Z05-I型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。供水系统有三路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀（第六套对象为气动调节阀）、直流电磁阀、涡轮流量计（第六套对象为电磁流量计）及手动调节阀组成；一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及
6、手动调节阀组成；另一路由变频器、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、有机玻璃上水箱、不锈钢锅炉汽包、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、储水箱。上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。上水箱尺寸为：D=25cm，H=20cm，该水箱结构独特，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
7、较为稳定，便于观察。水箱底部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。上水箱和汽包可组成二阶系统、双闭环串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上水箱、锅炉汽包的实验供水需要。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锅炉汽包：不锈钢精制而成，可利用它进行锅炉汽包虚假水位特性测试实验。3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，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温
8、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。4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。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，可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。5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。储水箱底部有一个出水阀（图1-1中未画出），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：两个压力传感
9、器分别用来对上水箱和锅炉汽包的液位进行检测，其量程为05KPa，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，对传感器温度漂移进行跟随补偿。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测量电动调节阀控制的动力支
10、路、变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量。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：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC（第六套对象电动阀支路流量采用电磁流量计进行检测）。三、执行机构1调节阀：前五套对象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420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便（第六套对象采
11、用气动调节阀进行控制）。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，进口直径：16mm，出口直径：12mm温度：=100，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。本装置采用三台磁力驱动泵，一台为三相380V恒压驱动，另两台为三相变频220V输出驱动。它是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品，具有全密封、无泄露、耐腐蚀的特点。它以静密封取代动密封，使泵的过流部件处于完全密封状态，彻底解决了其它泵（如丹麦泵、齿轮泵等）机械密封无法避免的跑、冒、漏、滴之弊病，选用耐腐蚀、高强度的不锈钢作为制造材料。结构紧凑、外形美观、体积小、噪音低
12、、运行可靠、使用维修方便。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/cm2，最大压力为7Kg/cm2 ；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，用来对锅炉内胆内水进行加温，每根加热管的电阻值约为50左右。5全隔离三相交流调压模块：全隔离三相交流调压模块内部集三相电相位检测、移相电路、触发电路和三组反并联单向可控硅于一体，用420mA标准电流信号自动控制来改变可控硅导通角，实现三相负载电压从0V到电网全电压的无级可调。本装置采用了上海顺科固体继电器有限公司的S
13、TY-380D35型模块，配套使用的有三相同步变压器TB-3，可以实现温度的连续控制。第三节 DDD-Z05-I型DCS网络控制系统实验控制柜一、网络介绍“DDD-Z05-I型DCS网络控制系统实验控制柜”主要由两个FM801主控单元、电源模块、智能I/O模块等几部分组成。 系统采用和利时公司的MACSV分布式控制系统完成对六套对象数据的采集和监视。整个网络系统由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络三个层次。监控网络由一台工程师站、一台服务器、五台操作员站组成，实现系统服务器与工程师站、操作员站之间的数据交换，如图1-2所示。系统网络实现系统服务器与现场控制站的互连，控制站采用双冗余方式；控
14、制网络实现现场控制站与智能I/O单元的通讯。智能I/O单元完成信号采集，然后由网络系统将数据和诊断结果传到服务器站，再由操作员站进行监控，实现六台操作员站同时控制六套对象进行实验。工程师站分配用户名和密码后，操作员站才能进入系统控制对象，一套对象只能由一台操作员进行控制，没有进行对象控制的操作员站只能监视实验过程。图1-2二、硬件线路六套对象分别有六个电源控制柜配套，对象信号线用屏蔽线与I/O单元连接，FM148模块采用两线制电流输入。三、网络设置首先设置各站点的IP地址：站号IP地址子网掩码服务器站128.0.0.1255.255.0.0工程师站128.0.0.50255.255.0.0一号
15、操作员站128.0.0.51255.255.0.0二号操作员站128.0.0.52255.255.0.0三号操作员站128.0.0.53255.255.0.0四号操作员站128.0.0.54255.255.0.0五号操作员站128.0.0.55255.255.0.0第四节 软件介绍一、MACSV系统软件本装置中DCS控制方案采用了北京和利时公司的MACSV系统。MACSV系统给用户提供了一个通用的系统组态和运行控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个能完成特定要求的应用系统。系统组态后将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图以及各类生产管理报表。MACSV系统具有功能：数据采集、控制运算、闭环控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事件顺序记录、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算、组态、调试、打印、下装、
