过程控制工程实训

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1、工程学院系统综合训练报告2007年 4月 7日专业资料、八亠前言3二实验系统概述及目的 4三控制系统组成及原理 51工作原理52系统组成73控制系统的连线 10四实训容与调试结果 101、 MCGS组态软件的有关知识 102、 控制式简介113、 单容水箱液位进行恒高度控制 13五实训总结14刖言过程控制是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表知识 等相结合的综合应用学科，是通过各种检测仪表、控制仪表和电子 计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监 督和自动控制。同时，半导体技术、微电子技术、计算机技术和网 络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。在油、 化工

2、、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、物 位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”系 统。过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材 料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且已成为新建的规 模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。随着计算机控制装置在控制仪表基础上的发展，自动化控制手段也越来越丰 富。在自动化控制手段越来越发展的今天，智能数字仪表控制系 统、智能仪表加计算机组态软件控制系统、计算机DDC控制系统、 PLC控制系统、DCS分布式集散控制系统、FCS现场总线控制系 统等在工业领域有着广泛应用。直接数字控制（DDC ）系统是用

3、一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中经输入通 道获取信息，按照预先规定的控制算法（如 PID、回流等）计算出 控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构上，实现对整个生 产、实验过程的闭环控制，通常它有几十个控制回路。集散控制系 统是由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成 ，具有通 用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理便、显示操作集 中、人机界面友好、调试便、运行安全可靠的特点 二实验系统概述及目的THJ-2型高级过程控制实验装置是基于工业过程的物理模拟 对象，它集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、自动控制 技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化

4、及其 它相关教学的特点，吸收了国外同类实验装置的优点和长处，经 过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置， 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，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计构成DDC，DCS，PLC, FCS等多种控制系统。本次工程实训是单容水箱液位的 PID调节被控参数的选择由 产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性 作用，所以贮槽液位控制系统选择水箱的液位作为被控参数。三 控制系统组成及原理1工作原理如下图1所示为贮槽液位控制系统控制过程中的工艺设备（在

5、 这次设计中以水箱来模拟）。该系统使用水泵给水箱加水，通过对 电动调节阀的控制，调节进水量。阀 01控制从水箱的底部小的流 出的出水量，由上可知这个阀不会变动，之前都调节好了。通过 液位传感器将贮槽里的水位传到控制中心，也就是计算机上，从 而形成闭环控制来调节贮槽的水位。图1贮槽液位控制系统工艺设备单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调 节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受 一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持 的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于 给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路 液位控制，采

6、用工业智能仪表控制。当调节案确定之后，接下来 就是整定调节器的参数，控制质量的好坏与控制器参数选择有着 很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之， 控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统调好好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作-豊 piDjgir弄图2系统结构框图由上图可知把给定值经过 A/D转换成数值量，输入给PID控制器，计算结果（数字信号）再由ICP-7024输出模块（D/A转换），将数字信号转换成模拟控制信号输出给电动调节阀，从而调节水箱液位，液位的高度由液位变压器检测出，经ICP-7017输入模块（A/D转换）转换成反馈值给P

7、ID控制器进行进一步条整，如此 循环直至水箱的液位稳定在给定值。2系统组成模块1、扩散硅压力液位变送器当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输V/A电压、电流转换器，转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系 的420mA标准电流输出信号。2、远程数据采集热电阻输入模块ICP-70338通道模拟量输入模块。表1为ICP-7033的技术指标。 面 板如图3所示，ICP-7033模块24V供电，面板上提供了 3通道的 输入端口。每一通道根据功能表可输入允围的热电阻。支持485通讯。表1ICP-7033的技术指标将液位变送器的电压信号通过I

8、CP-7033模块转换为数字信号通过RS485接口送入计算机处理b口。4、远程数据采集模拟量输出模块ICP-70244通道模拟量输出模块。表2为ICP-7024的技术指标。面板 如图4所示，ICP-7024模块24V供电，提供了 4通道的输出端口。每一通道根据功能表可输入允围的电压或电流。支持485通讯a :电源开关；b : RS485接口； c : ICP-7014模块；d : 4通道的输出接口。表2ICP-7024的技术指标功能1-7024拟心-E=L里输出Q井辨率Q14brt+输岀通道J电屋输出卩+/-10和 +/-5V*J CKT0 和电潇输出中420*A*?5、三相SCR调压模块 三

9、相SCR调压模块，它是通过420mA电流控制信号控制 三相交流电源在0380V之间根据控制电流的大小实现连续变化。本系统通过计算机中的组态软件 MCGS进行PID整定后输出控制 信号通过远程数据输出模块加到单相 SCR调压装置的输入端，以 此来控制电动控制阀的大小。3控制系统的连线将三相电源的输出端U、V、W对应接到SCR移相调压器的输 入端U、V、W，三相SCR移相调压器的输出端 U0、V0、W0 接到三相自动调节阀的输入端 U0、V0、W0，变频器输出端A、B、 C对应接到三相磁力泵（220V ）的A、B、C端。液位检测传感器的1a、1b、1c端对应接到7033输入模块 的第一通道的E1、

10、S1、C1端，7024模块第一输出通道 A/O的 正端接到24V开关电源的正端，将7024模块第一输出通道A/O 的负端接到三相自动调节阀420mA输入正端，三相自动调节阀 420mA输入负端接到24V开关电源的负端。用通信电缆连接到 7033、7024的485通讯接口，再通过 485/232转换器连接到计 算机的COM2 口上.四实训容与调试结果1、MCGS组态软件的有关知识通过自学和老师的讲解下。使我们基本上了解了液位控制系统的原理与控制过程，学会了如使用MCGS组态软件。MCGS系统 分为组态环境和运行环境两个部分。ICP7000通过RS485转232通讯硬件和组态软件进行设备通讯组态，

11、可采集到ICP7017输入模块送来的（如：液位、温度、流量）检测信号，在组态软件里 编写（液位、温度、流量）PID控制算法，由计算机送出输出控制 信号到ICP7024再经由他们送出到执行机构的控制端，即可组成 闭环控制。通过画面组态，动画组态和策略组态等，可以良好的 完成计算机动态实时监控对象的运行情况，并做出丰富的动态实 时、历史图形曲线。2、控制式简介进入组态软件的界面后，可以看到界面一共有主控窗口、设 备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略5大块容，完成这五项，即完成的组态的全过程。有三种控制包括比例控制，积分控制，和微分控制。单容水 箱是个比较简单的控制系统，我们采用PID控制。控制一

12、个液位的高度，整个过程为采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度 来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。并选用压力传感器对 液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确 定阀的开度。1）比例控制比例控制简称P控制（Proportional）.比例控制的输出与输入 是同步变化的，没有惯性和时间上的延迟。响应快，与输入成比 例的变化，只是比例控制最突出的优点，正是由于这一特点，使 比例控制成为一种最重要的基本控制规律。所有的工业控制器都 包含有比例控制比例控制也可以单独构成控制器。使调节器工作 在比例（P）调节器状态，此时系统处开环状态。实时曲线如下图图5 P调节曲线2.）比例积分控制它

13、适用于控制通道滞后比较小，负荷变化不大，控制要求不高,被控参数在一定围允有一定的余差的场合。3）比例微分控制它适用于控制通道的时间常数或者滞后较大的场合。可以提高系统的稳定性。减小动态偏差。4）比例积分微分控制适用于控制通道时间常数或者容量滞后比较大，控制要求比较高的场合。3、单容水箱液位进行恒高度控制单容水箱液位进行恒高度控制采用 PID调节，在比例调节器控 制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分（“I”作用，使被 调量回复到原设定值。减小 P,并同时增大I,观察加扰动信号后 的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，系统的余差为零。 在PI控制的基础上加上适量的微分作用“ D”然后再对

14、系统加扰 动（扰动幅值与前面的实验相同），比较所得的动态曲线与用 PI 控制时的不同处。选择合适的 P、I和D，调节后的曲线如图8所 示。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例 度S的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密 切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系 统无余差，而且只要参数S, Ti调节合理，也能使系统具有良好的 动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再 引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的 动态性能（快速性、稳定性等）。图6 PID调节曲线五实训总结通过这次实训我学到了很多知识：比如对于

15、 MCGS软件，之 前是根本不懂的，经过老师的耐心指导，我已经基本能够运用这 个软件了，对其基本的编程也有了一些了解。这次课程设计培养 了我的设计思维，扩充了自己的理论知识这次工程实训我积累了一些经验，同时也进一步巩固了以前 所学过的知识。使我更深入的了解并掌握了单容水箱的控制原理 增强了我在实际操作中的实践能力，使我在以后的工作学习中有 更丰富的经验真正让我感受到了理论与实践相结合的重要性与优 越性。并且经过这次课程设计，我真正感受到了实践的重要性， 每天学习理论知识，没有很强的实际动手能力是不行的，实践让 我们做出了在实际当中占重要地位的控制工程，并学到了书本里 没有的知识，让我更加相信只要肯动手，你就一定能行。当然， 我们的收获缺不了指导老师的细心教授，再一次感我们的指导老 师老师给予我们的帮助。工程实践训练时间虽然很短，但在这的工程实训中，我学到 了多，它让我受益匪浅，增强了我的理论知识联系实践的能力， 同时也增强了我的实际操作和动手能力。在此，我想对指导老师 表示深深的感。电气与信息工程系课程设计评分表项目评价硬件测试或软件调试情况