過程控制系統(tǒng)實驗報告

過程控制系統(tǒng)實驗報告實驗一過程控制系統(tǒng)的組成認(rèn)識實驗了解過程控制和檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)、控制方案的組成和控制系統(tǒng)的連接一、 過程控制實驗裝置簡介過程控制是指工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度、壓力、流量、液位等變量的自動控制。該系統(tǒng)的設(shè)計是以培養(yǎng)工程型、參數(shù)化、現(xiàn)代化、開放型、綜合型人才為基礎(chǔ)的。實驗對象廣泛應(yīng)用于當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域，如水箱、鍋爐等。儀表采用具有人工智能算法和通信接口的智能調(diào)節(jié)器，上位機監(jiān)控軟件采用MCGSX控組態(tài)軟件。對象系統(tǒng)還具有擴展接口，擴展信號接口便于控制系統(tǒng)的二次開發(fā)，如PLC控制、DCS控制開發(fā)等。通過對系統(tǒng)的理解和使用，學(xué)生進入企業(yè)后可以快速適應(yīng)環(huán)境，進入角色。同時，該系統(tǒng)還為教師和研究生提供了一個高水平的學(xué)習(xí)和研發(fā)平臺。二、 過程控制實驗裝置組成實驗裝置由過程控制實驗對象、智能儀表控制臺和上位機PC三部分組成。受控對象由上、下二個有機玻璃水箱和不銹鋼儲水箱串接，4.5千瓦電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉外循環(huán)不銹鋼鍋爐夾套構(gòu)成），壓力容器組成。水箱：包括上下水箱和儲水箱。上下水箱采用透明長方體有機玻璃制作，堅固耐用，透明度高，有利于學(xué)生直接觀察液位變化并記錄結(jié)果。水箱結(jié)構(gòu)新穎。其中有三個儲罐，即緩沖罐、工作罐和出口罐，還有一個溢流口。兩個水箱可組成一階和二階單回路液位控制實驗和雙閉環(huán)液位設(shè)定控制實驗。模擬鍋爐：鍋爐采用不銹鋼精致而成，由兩層組成：加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）。做溫度定值實驗時，可用冷卻循環(huán)水幫助散熱。加熱層和冷卻層都有溫度傳感器檢測其溫度，可做溫度串級控制、前饋一反饋控制、比值控制、解耦控制等實驗。壓力容器：由不銹鋼制成，一個大的和一個小的連接容器可以形成一階和二階單回路壓力控制實驗和雙閉環(huán)串級定值控制實驗。管道：整個系統(tǒng)管道采用不銹鋼管連接而成，徹底避免了管道生銹的可能性。為了提高實驗裝置的使用年限，儲水箱換水可用箱底的出水閥進行。2、檢測裝置（液位）差壓變送器：檢測上、下水箱液位。其型號：fb0803baeir，測量范圍：0~1.6kpa，精度：0.5。輸出信號：4~20mADC。渦輪流量傳感器：測量電控閥分支的水流量。型號：lwgy-6a，公稱壓力6.3MPa，精度1.0%，輸出信號4~20mADC溫度傳感器：本裝置采用了兩個銅電阻溫度傳感器，分別測量鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套的溫度。經(jīng)過溫度傳感器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換為4?20madc電流信號。（氣體）擴散硅壓力變送器：用于檢測壓力容器內(nèi)氣體的壓力。其型號可從1.5mg/dc調(diào)節(jié)至4.5mg/dc，輸出精度可從1.5mg/dc調(diào)節(jié)至40000.5mg/dc。3、 執(zhí)行機構(gòu)電氣轉(zhuǎn)換器：型號為qzd-1000，輸入信號為4~20mADC，輸出信號為20~100kA氣壓信號，輸出用于驅(qū)動氣動控制閥。氣動薄膜小流量調(diào)節(jié)閥：用來控制壓力回路流量的調(diào)節(jié)。型號為zmap—100，輸入信號為4?20madc或0?5vdc，反饋信號為4?20madc。氣源信號壓力：20~100KPA，流量：0.0032。閥門控制精度：0.1%~0.3%，環(huán)境溫度：-4~+200°C。scr移相調(diào)壓模塊：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號0?5vdc或4?20madc或10k電位器，輸出電壓變化范圍：0?220vac，用來控制電加熱管加熱。水泵：型號為upa90，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180w?？刂破鞅緦嶒炑b置配備有智能調(diào)節(jié)儀、計算機控制、plc控制及計算機網(wǎng)絡(luò)控制。智能調(diào)節(jié)器：裝置采用PID自整定數(shù)字/光柱智能調(diào)節(jié)器，型號為swp-s80。具有位置調(diào)節(jié)和人工智能調(diào)節(jié)功能、手動調(diào)節(jié)、手動自整定和位置比例輸出功能、各種報警模式、傳輸、通訊等功能。比值器：與智能儀表一起使用，可以實現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、液位與流量、溫度與流量雙閉環(huán)比值控制實驗。三、 儀表臺（三部分）1、電源控制屏面板：我公司的實驗臺采取了如下保護措施：控制屏電源由交流接觸器通過起、停按鈕進行控制；進線電源首先經(jīng)過符合國家標(biāo)準(zhǔn)的電流型漏電保護器，漏電流小于30ma；高壓接線柱和高壓導(dǎo)線均采用特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)。除了人身安全保護，為了保護實驗的正常進行，電源、儀表、儀器、實驗中需要的各種元器件都采取了有效的保護措施。為解決實驗中高壓交流電源發(fā)生短路，我們采取了如下措施：在高壓交流電源的輸出端接入小型斷路器（即過流保護器），一旦發(fā)生過流或短路，小型斷路器立即動作，切斷主電源，避免燒毀調(diào)壓器。2、儀表面板：智能調(diào)節(jié)儀面板、比值器，裝置外線端子通過面板上插孔引出°3、i/。信號接口面板：該面板的主要作用是將各傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號同面板上插口相連，在與被控對象相連，有利于學(xué)生進行各種控制實驗。四、 系統(tǒng)特性1、系統(tǒng)采用分體式設(shè)計，模塊化組裝結(jié)構(gòu)?？刂茖ο蟀鎸嵉膲毫刂茖ο?，可以完成壓力控制實驗。3、 控制對象采用網(wǎng)絡(luò)版mcgs全中文工控組態(tài)軟件，可以容納多組學(xué)生實驗。系統(tǒng)具有多種控制參數(shù)和控制方案。該系統(tǒng)通過切換管道上的閥門并連接信號接線板上的信號來實現(xiàn)。5、 采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)自動化儀表和柔性化工藝設(shè)備，使得該裝置具有開放性、兼容性、和可升級性。采用雙水箱系統(tǒng)，實現(xiàn)液位控制的多樣性。7、 實驗對象部分采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，工作過程可見，有利于教學(xué)和維護。系統(tǒng)具有良好的開放性。目標(biāo)系統(tǒng)預(yù)留一個擴展連接端口，用于DCS控制。五、 mcgs組態(tài)軟件特點MCGS（monitorandControlGeneratedSystem）是一套用于快速構(gòu)建和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它可以在微軟（各種32位Windows平臺）上運行。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理，可以顯示動畫、報警處理、過程控制、實時曲線歷史曲線和報表輸出，為用戶解決實際工程問題提供解決方案。思考題掌握實驗裝置的組成和系統(tǒng)過程回路的信號流向，繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，標(biāo)明信號量。了解系統(tǒng)各組成部分的功能及工作原理，各器件的輸入輸出之間的關(guān)系。1）被控對象指生產(chǎn)過程中控制的過程或裝置。2）傳感器和變送器可以根據(jù)生產(chǎn)過程的要求，通過對被控對象相關(guān)控制參數(shù)的自動控制，獲得可靠的信號。輸出是發(fā)送到控制器的受控量的測量值Z。3）控制器傳感器或變送器輸出信號符合工藝要求，則控制器的輸出不變，反之，將輸出控制信號對系統(tǒng)進行控制。傳感器或變送器的測量值z反饋到輸入端和設(shè)定值r比較，從而得到了一個偏差值e,根據(jù)控制算法進行運算，輸出一個相對應(yīng)的控制信號u去推動執(zhí)行器。4）執(zhí)行器執(zhí)行機構(gòu)接收來自控制器的控制信號U，并在轉(zhuǎn)換或放大后推動控制閥5）控制器輸出u，經(jīng)執(zhí)行器驅(qū)動控制閥，改變輸入對象的操縱量q，使被控量受到控制。4.選擇被控對象的被控量，設(shè)計其單回路控制線路連接圖實驗二單罐液位數(shù)學(xué)模型試驗對象特性的求取方法通常有二種：一種是從工藝過程的變化機理出發(fā)，寫出各種有關(guān)的平衡方程（如物料平衡方程、能量平衡方程等），進而推導(dǎo)出被控對象的數(shù)學(xué)模型，得出其特性參數(shù)，再結(jié)合實際進行理論分析，這就是數(shù)學(xué)方法；另一種是通過對被控對象的實驗測試求出其特性參數(shù)，即實驗飛升曲線測定法。由于此法較簡單，因而在過程控制中得到了廣泛地應(yīng)用。一、實驗?zāi)康恼莆諉嗡潆A躍響應(yīng)的測試方法，記錄相應(yīng)液位的響應(yīng)曲線。2.根據(jù)實驗得到的階躍響應(yīng)曲線，采用相應(yīng)的方法確定被測對象的特征參數(shù)k、t和傳遞函數(shù)。2、實驗原理對象的被控制量為上（中、下）水箱的液位h,控制量（輸入量）為上（中、下）水箱進水閥流量q1，上（中、下）水箱出水閥輸出量為q2，改變進水閥和出水閥的開度可以改變q1、q2的大小。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系（1）式中v——水箱中水的儲水量積；dv/dt-水貯存量的變化率。設(shè)水箱的橫截面積為a，而a是一個常數(shù)，則因為So（2）在靜態(tài)時，dv/dt=0，q1=q2,當(dāng)q1發(fā)生變化時，液位h將隨之變化，水槽出水口的液壓也變化，流出量q2也發(fā)生變化。假設(shè)變化量很小，可近似認(rèn)為的水阻，則（1）式可改寫為（4）式中t=ars，k=rs方程式（4）是單個儲罐的傳遞函數(shù)。如果訂單被改寫為對上式取拉氏逆變換得當(dāng)什么時候因而有RS是閥門V2即或?qū)懽?，H1是初始穩(wěn)態(tài)值，那么方程（4）可以（5）輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入當(dāng)時，則有（5）一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一個單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)。當(dāng)從實驗中獲得圖2-1所示的階躍響應(yīng)曲線時，對應(yīng)于曲線穩(wěn)態(tài)值63.2%的時間為水箱的時間常數(shù)T。從…起響應(yīng)曲線求得k和t后，就能求出單容水箱的傳遞函數(shù)。所得的傳遞函數(shù)為：三、 實驗步驟1、設(shè)計實驗線路并接好，適當(dāng)打開閥門。2、開啟總電源和相關(guān)儀表的電源。通電后，啟動計算機，運行MCGS組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)。設(shè)置調(diào)節(jié)器為手動操作狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)器增/減的操作改變輸出量的大小，使水箱的液位最終處于某一平衡位置。液位穩(wěn)定后，手動操作調(diào)節(jié)器，使其輸出有正（或負(fù)）階躍增量的變化（該增量不應(yīng)太大，以避免水箱中的水溢出）。一段時間后，水箱中的液位進入新的平衡狀態(tài)。6.記錄水箱液位的歷史曲線和階躍響應(yīng)曲線。四、 思考題做這個實驗時，為什么不隨意改變出口閥的開度？答：因為如果一開始進水閥的開度用響應(yīng)曲線法確定對象的數(shù)學(xué)模型時，哪些因素與其精度有關(guān)？答：因為系統(tǒng)用到了儀表，因此與儀表的精度有關(guān)，同時與出水閥開度的大小有關(guān)。并和放大系數(shù)k、時間常數(shù)t以及純滯后時間有關(guān)。結(jié)構(gòu)是否決定了實驗對象是否具有自平衡能力？這與實驗結(jié)果一致嗎？答：有自平衡能力。五.實驗數(shù)據(jù)圖1單罐單調(diào)上升指數(shù)曲線圖2單罐特性實時測試曲線通過實驗所獲得的特性曲線，圖1為單容水箱單調(diào)上升指數(shù)曲線，當(dāng)輸入一個控制量為35時，水流通過水閥向水箱進水，由于單容水箱實驗的數(shù)學(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)，因此所得的曲線為單調(diào)上升曲線，經(jīng)過一段時間之后被控制量達(dá)到接近控制量的穩(wěn)定值。圖2顯示，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，通過調(diào)節(jié)器輸入階躍變化，系統(tǒng)在一段