過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)

1、 -過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn) 過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)題目： 液位流量串級(jí)控制系統(tǒng) 實(shí)訓(xùn)班級(jí)： 1220391 小組成員： 任文華 28 張琮斌 29 楊宇飛 09 黃李全 43 張 野 39 指導(dǎo)老師： 李 莎 實(shí)訓(xùn)日期： 2015年7月1日 液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)控制)一、實(shí)訓(xùn)要求通過組態(tài)王軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)。具體要求如下：1、根據(jù)液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)的具體對(duì)象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。2、根據(jù)液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)A/D、D/A和開

2、關(guān)I/O的需要，正確選用過程模塊。3、根據(jù)與計(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。4、運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。5、得出控制系統(tǒng)的控制歷史曲線圖，并進(jìn)行分析處理。二、實(shí)訓(xùn)目的通過實(shí)訓(xùn)加深了解串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念、串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定。三、方案的確定此次實(shí)驗(yàn)共有3種方案供選擇:1.使用牛頓模塊2.構(gòu)建集散控制系統(tǒng)DCS 3.通過PLC實(shí)現(xiàn)下面對(duì)3種方案進(jìn)行了介紹分析:牛頓模塊具有組態(tài)簡單、采集的信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、編程容易等眾多優(yōu)點(diǎn)，每一單一的牛頓模塊都是地址可編程的，它使用 01

3、 - FF 兩位地址代碼，因此，一條RS485總線上可以同時(shí)使用255個(gè)牛頓模塊，如果RS485總線上掛接的都是ND-7017的話，意味著整個(gè)系統(tǒng)可以完成 255 x 8 = 2040路模擬信號(hào)的采集。當(dāng)然牛頓模塊不僅僅是模數(shù)轉(zhuǎn)模塊，還有數(shù)字IO模塊、DO輸出模塊、測頻計(jì)數(shù)模塊。集散控制系統(tǒng)的組態(tài)內(nèi)容有系統(tǒng)組態(tài)、畫面組態(tài)和控制組態(tài)。系統(tǒng)組態(tài)完成組成系統(tǒng)的各設(shè)備間的硬件連接，使用軟件方式描述集散控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。畫面組態(tài)完成操作站的各種操作畫面、畫面之間的連接等。控制組態(tài)完成各分散過程控制裝置和控制器的控制結(jié)構(gòu)連接、參數(shù)設(shè)置等。趨勢顯示、歷史數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)報(bào)表打印及畫面拷貝等組態(tài)內(nèi)容常作為畫面

4、組態(tài)或控制組態(tài)的一部分，也可分開單獨(dú)進(jìn)行組態(tài)。PLC的工作過程分為三個(gè)階段：輸入處理、程序執(zhí)行及輸出處理。其中的編程部分比較復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)，但是一旦編好程序，就較為容易實(shí)現(xiàn)。 相比之下，DCS此方案較為復(fù)雜，PLC還需編程。通過比較3種方案的難易程度，我們選擇用牛頓模塊實(shí)現(xiàn)。四、實(shí)訓(xùn)設(shè)備1、硬件設(shè)備簡介（1）水箱 上(中)位水箱和下位水箱采用8毫米厚進(jìn)口淡藍(lán)色有機(jī)玻璃。實(shí)訓(xùn)中對(duì)水位的觀測直觀明了。獨(dú)特的三槽結(jié)構(gòu)，有效克服水流的動(dòng)量沖擊，使液位控制更精確。同時(shí)上位水箱的液容可變，可以比較在不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加深對(duì)理論的理解。下位水箱可變?yōu)榉蔷€性水箱，以利于控制策略的研究。

5、儲(chǔ)水箱采用不銹鋼制成，整個(gè)系統(tǒng)的管道采用鋁塑管組成，所有的水閥采用銅質(zhì)球閥，徹底避免了系統(tǒng)生銹的可能性，可有效提高實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。（2）液位(壓力)傳感器、變送器液位傳感器用來對(duì)上位水箱、下位水箱的液位以及水泵出口壓力進(jìn)行檢測，采用工業(yè)用的DBYG型擴(kuò)散硅壓力變送器，0.5級(jí)精度，二線制420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。（3）流量計(jì) 流量傳感器用來對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進(jìn)行檢測。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)，采用工業(yè)用的電磁流量流量計(jì)，420mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。避免了渦輪流量計(jì)非線性與死區(qū)大的致命缺點(diǎn)，確保實(shí)驗(yàn)效果能達(dá)到教學(xué)要求。（4）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是本實(shí)驗(yàn)裝置

6、的關(guān)鍵部件，用來對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用進(jìn)口的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，420mA控制信號(hào)輸入。采用等百分比銅質(zhì)優(yōu)質(zhì)閥，符合教學(xué)要求，具有性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。（5）變頻器 三菱FR-S520變頻器，420mA控制信號(hào)輸入，可對(duì)流量或壓力進(jìn)行控制。（6）水泵 采用進(jìn)口水泵。噪音底，壽命長，減少使用煩惱。在水泵出口安裝有壓力變送器，可與變頻器一起構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。2、控制操作臺(tái)結(jié)構(gòu)說明1）操作臺(tái)操作臺(tái)由實(shí)驗(yàn)水箱、儲(chǔ)水箱、加溫裝置、溫度變送器、液位變送器(壓力變送器)、渦輪流量計(jì)、比例閥、直流水泵、智能儀表、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)模塊等執(zhí)行器件和控制器件，以及相關(guān)的電源、比例器

7、等輔助模塊。采用鐵質(zhì)雙面亞光密紋噴塑結(jié)構(gòu)，鋁質(zhì)噴塑面板。在控制屏的左邊是被控對(duì)象，包括上位水箱、中位水箱、下位水箱和壓力圓筒，均采用透明的進(jìn)口有機(jī)玻璃制作，便于實(shí)驗(yàn)中對(duì)水位的直接觀察。水箱和壓力圓筒安裝在玻璃背板上，結(jié)構(gòu)簡潔，富有現(xiàn)代感。在控制屏的右邊布置有控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)示意圖、智能調(diào)節(jié)器、牛頓模塊和實(shí)驗(yàn)配電，也可以換裝計(jì)算機(jī)板卡、單片機(jī)控制模塊和PLC控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的水槽、直流水泵、流量計(jì)以及計(jì)算機(jī)均布置在實(shí)驗(yàn)桌中，在實(shí)驗(yàn)桌的側(cè)面安裝放置計(jì)算機(jī)顯示屏的擱板，整體結(jié)構(gòu)緊湊，布置合理。實(shí)驗(yàn)桌與主控屏采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板加工而成，表面噴塑處理。實(shí)驗(yàn)桌面板采用防火板，底部安裝可鎖定的輪子，便于實(shí)

8、驗(yàn)裝置的移動(dòng)和固定安放。2）供水系統(tǒng) 直流水泵負(fù)責(zé)向系統(tǒng)供水，供水的回路中安裝有比例調(diào)節(jié)閥和渦輪流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流量的控制和測量。3）實(shí)驗(yàn)水箱 實(shí)驗(yàn)水箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)充分考慮到實(shí)驗(yàn)效果，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)，避免水流對(duì)液位檢測的沖擊干擾。被控的水流進(jìn)入三個(gè)在控制屏上依次放置的水箱，可完成液位的單回路和串級(jí)實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)水箱中設(shè)置非線性單元，提供給非線性閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)用，在另一個(gè)水箱中增加了加熱棒和溫度傳感器，可以進(jìn)行溫度單回路實(shí)驗(yàn)。壓力圓筒上安裝有壓力變送器，通過對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)壓力圓筒內(nèi)的壓力，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。3、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊 采用目前最新的牛頓8000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊和組態(tài)軟件組成，完全模擬

9、工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，先進(jìn)性與實(shí)用性并舉。有效地拉近了實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)現(xiàn)場的距離。它體積小，安裝方便，可靠性極高，D/A8024模塊4路模擬輸出，電流(420mA)電壓(15V)信號(hào)均可，A/D8017模塊8路模擬電壓(15V)輸入，485/232 轉(zhuǎn)換8520模塊，轉(zhuǎn)換速度極高(300115KHz)，232口可長距離傳輸。軟件功能：實(shí)驗(yàn)控制通過組態(tài)王工控組態(tài)軟件編寫上位控制軟件運(yùn)行算法，組態(tài)王采用了多線程、COM+組件等新技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。所有實(shí)驗(yàn)均包括組態(tài)王實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫組態(tài)、圖形動(dòng)畫、報(bào)表、曲線、報(bào)警組態(tài)、設(shè)備通訊組態(tài)等。5、其他設(shè)備在控制系統(tǒng)回路中所涉及到的設(shè)備還用水泵、變頻器、電磁閥

10、、開關(guān)電源等。 噪音低，壽命長，揚(yáng)程可達(dá)10米，功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。 所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，關(guān)斷能力強(qiáng)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。5、 實(shí)驗(yàn)流程圖圖1 上水箱液位和流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)流程圖六、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖及原理 圖2 計(jì)算機(jī)控制串級(jí)控制系統(tǒng)的框圖（計(jì)算機(jī)控制）七、實(shí)訓(xùn)步驟1 按照實(shí)訓(xùn)要求接線。2 接通總電源和各儀表電源。3 將閥門V19、VV3、V6打開。4 打開計(jì)算機(jī)組態(tài)王軟件的工程管理器，選中“串級(jí)實(shí)驗(yàn)”，點(diǎn)擊運(yùn) 行，進(jìn)入串級(jí)實(shí)驗(yàn)界面。5 點(diǎn)擊“自動(dòng)/手動(dòng)”按鈕，使系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)，點(diǎn)擊“PID設(shè)定按鈕”，調(diào)出PID設(shè)

11、定界面。6 PID設(shè)定1框圖是副回路流量參數(shù)，PID設(shè)定2框圖是主回路液位參數(shù)。7 投入?yún)?shù)，觀察液位和流量的曲線，調(diào)整參數(shù)觀察計(jì)算機(jī)控制的效果。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給定加個(gè)階躍信號(hào)，觀察其液位的變化曲線。8 再等系統(tǒng)穩(wěn)定后，給系統(tǒng)下水箱加干擾信號(hào)，觀察下水箱液位變化的曲線。9 寫出實(shí)訓(xùn)報(bào)告：按衰減曲線調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算表填寫表格中的數(shù)據(jù)八、實(shí)訓(xùn)結(jié)果 1.接線圖 圖3 實(shí)驗(yàn)前接線圖 圖4 現(xiàn)場接線圖 2、組態(tài)界面 圖5 組態(tài)畫面 3、 歷史曲線 圖6 設(shè)定值為50系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程曲 圖7 系統(tǒng)自整定過程 圖8 待系統(tǒng)穩(wěn)定降低設(shè)定值系統(tǒng)調(diào)節(jié)曲線 圖9 智能儀表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理圖 圖10 理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果九、實(shí)訓(xùn)

12、結(jié)果分析此次實(shí)訓(xùn)結(jié)果，與之前用智能儀表做的串級(jí)實(shí)驗(yàn)，有一定的差別，原因在于這次將數(shù)據(jù)采集模塊與上位機(jī)組態(tài)軟件的結(jié)合起來測量系統(tǒng)的液位變化曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加容易測量，方便記錄。而之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是根據(jù)少部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制的，不能真實(shí)地反映系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與理想控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖10相比，比較接近，較好的觀察到了串級(jí)系統(tǒng)整個(gè)過程對(duì)液位的調(diào)節(jié)，最終使其穩(wěn)定在設(shè)定值附近。十、實(shí)訓(xùn)中的問題總結(jié)1、試驗(yàn)時(shí)可以通過組態(tài)軟件和閥門開關(guān)控制閥門，如果只通過軟件控制，就會(huì)造成無法準(zhǔn)確測量的情況，試驗(yàn)中適宜采用手動(dòng)控制。2、實(shí)驗(yàn)的組態(tài)軟件的組態(tài)畫面設(shè)計(jì)不好，與實(shí)驗(yàn)儀器不配套，致使有時(shí)通過組態(tài)畫面控制閥的開關(guān)與實(shí)際不匹配，造成操作上的困難。十一、實(shí)訓(xùn)中的收獲通過PID 參數(shù)的整定以及控制系統(tǒng)的無擾切換和可靠的跟蹤技術(shù)，并在特殊情況或按操作人員的要求切手動(dòng)的各方面要求?？朔私o水系統(tǒng)內(nèi)擾、外擾的影響，能夠進(jìn)行可靠準(zhǔn)確的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過水位給定值根據(jù)負(fù)荷的自動(dòng)給定，使控制更合理更客觀，自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高。學(xué)習(xí)也需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，不斷完