过程控制实验指导书

四川工程职业技术学院

《过程控制系统装调》实验指导书

过程控制系统课程建设小组

二00九年八月

目录

A3000过程控制系统简介 (1)

一、安全注意事项 (1)

二、产品的架构 (2)

实验一：液位定值控制实验 (6)

一、实验目的 (6)

二、实验内容 (6)

三、实验仪器、设备 (6)

四、实验原理 (6)

五、实验步骤 (12)

实验二：流量控制参数设置 (15)

一、实验目的 (15)

二、实验内容 (15)

三、实验仪器、设备及材料 (15)

四、实验原理 (15)

五、实验步骤 (25)

实验三：温度控制系统运行 (27)

一、实验目的 (27)

二、实验内容 (27)

三、实验仪器、设备及材料 (27)

四、实验原理 (27)

五、实验步骤 (30)

前言

过程控制是生产过程自动控制的简称，是自动化技术的一个重要组成部分。通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。在现代工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。A3000过程控制实验系统是以工业现场工艺设备为背景，以自动化教学要求和自动化工程师认证技能测试要求为依据推出的实验、培训和测试平台。

A3000过程控制系统简介

一、安全注意事项

本部分描述安全注意事项，以及各个系统单元的结构、参数，以及操作注意事项。常规的维护性操作要求如下：

液位测量前保证变送器的引压管内不能充有气体，避免零点偏差太大。打开软管快速结头，让水流出来，然后再插回去。

如果涡轮流量计不能测量，请拆下流量计，清洗内部叶轮。

如果长时间不使用，请放空水箱。

如果长时间不使用，使用前进行空气开关漏电测试。

安全注意事项：

在安装、操作、维护或检查本系统之前．一定仔细阅读以下安全注意事项，并且要在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注意事项以后使用。在本使用说明书中，将安全注意事项等级分为―危险‖和―注意‖。

！危险：不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。

！注意：不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。

注意：根据情况的不同，―注意‖等级的事项也可能造成严重后果。请遵循两个等级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。

1．防止触电

供电情况：

测试系统的控制系统供电一般为DC24V，漏电保护器和开关电源的端子上带有220V 电压。正常漏电保护30毫安变化。

物理受控系统分别引入三相电和单相电，整个现场系统没有任何可以接触到的端子。正常漏电保护30毫安变化。

尽管系统经过多层保护，还是请用户注意以下安全事项。

！危险

当通电或正在运行时，非专业人员不要进行任何维护、维修操作，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板，否则会发生触电的危险。

要求现场系统可靠接地。每隔一定时间，对漏电保护器进行漏电测试试验，即按下测试按钮。

！注意：

即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要打开控制箱接触变频器的输出裸露端子，可能会出现充电回路放电的现象，造成伤害。

水泵、电磁流量计，以及灯管都是220V供电，维修时请断开电源。

对于交流220V或380V供电电缆，请不要损伤它，不要对它加过重的应力，使它承载重物或对它钳压。否则可能会导致触电。

2、防止烫伤

加热情况：

锅炉结构为内容器，内有4.5KW（部分产品6KW）加热管。外容器为隔热保护，不会

有高温，同时封闭所有强电端子。锅炉常压，最高温度不超过100度，建议保持70度以下。

支路中会流通热水。

！危险

在热水没有冷却时，不要进行任何打开锅炉维修维护工作。不要接触热水管道过长时间（例如3秒以上），避免高温烫伤。

！注意

锅炉中的水最好不要超过锅炉高度的2/3，请尽量控制水温在70度以下，以免高温烫伤，提高产品寿命。

3、防止损坏

！注意

尽量在水泵完全停止运行后，再重新进入运行状态，否则容易损坏水泵

！注意

在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，否则可能损坏加热器。该系统增加了硬件的连锁保护，但是在操作时也要注意。

！注意

系统应远离可燃物体，系统发生故障时，请断开电源。

！注意

计算机或其他不能溅水的设备最好距离三个水箱2米以外

二、产品的架构

本部分介绍整个测试平台的架构。包括物理硬件系统，以及配置的软件系统。

1 总体架构

A3000测试平台总体物理系统如图1所示。（控制系统有30多种，现场系统可能具有现场总线。）

图1 A3000测试平台物理系统

2 测试平台现场系统

2.1 现场系统工艺流程图

现场系统工艺流程图如图2所示。

图2 系统工艺示意流程图(不含控制系统) 总体的测点清单如表1所示。

表1 整体流程测点清单

压力变送器：

供电电压：DC24V，输出：DC 4~20mA，福州福光百特自动化设备有限公司制造。

作用：（1）测量上、中、下水箱液位，（2）水压力

2）涡轮流量计

型号：LWGYA－15，流量范围：0.6~6m3/h，公称通径：15mm，输出信号：DC 4~20mA。作用：水流量

气动薄膜调节阀

产品型号：ZJHP－16P，公称通径：15 mm，公称压力：1.6Mpa，乐汇集团制造。

作用：阀位控制――流量控制，压力控制

4）不锈钢微型增压泵―――电动机

型号：S18WG-18

最大流量：35L/min，最高扬程：18m

额定流量：14 L/min，额定扬程：12m

单相电容运转异步电动机

输入功率：260W，绝缘等级：B

额定电压：220V，热保护型：TP111

额定电流：1.2A，防护等级：IP44

额定转速：2800r/min，电容3uF/500V AC

电话：021-********，59117676

PV―――调节器测量值

SP―――调节器给定值

MV―――调节器输出值

5）四个参数、三个执行机构、两个水泵、两种信号、两条支路

（1）四个参数：压力、液位、流量、温度

（2）三个执行机构：调压模块、变频器、气动调节阀

（3）两个水泵：1＃变频水泵：由变频器控制其工作频率

2＃工频水泵：只有50HZ一个运行频率

（4）两种信号：西门子公司生产的现场设备输出的是Profibus总线信号

其它公司输出的是常规DC4-20mA信号（常规信号转换成Profibus信号送入计算机）（5）两条支路：典型支路举例

一支路：手动阀门－1＃水泵－变频器（西门子）－智能流量计（西门子）－涡流流量计－压力变送器－－手动阀门－散热管－手动阀门－下水箱

二支路：手动阀门－2＃水泵－涡流流量计－压力变送器－气动薄膜调节阀（西门子）－手动阀门－下水箱

注：一支路肯定会有1＃水泵和变频器

二支路肯定会有2＃水泵和气动薄膜调节阀

（6）滞后管是用作测量温度系数的，基本不用。

注：所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成了4～20mA。一般两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND，可以按照四线制方式使用。执行机构一般为2～10V控制，控制信号经过500欧姆采样电阻，被转换成4-20毫安控制。

实验一、液位定值控制实验

一、实验目的

1．熟悉实验室电源配置情况。

2．了解实验装置结构和组成。

3．了解信号的传输方式和路径。

4．掌握实验装置的基本操作。

5．理解变频器压力测量方法

二、实验内容

1．练习正确连接支路一。

2．学习变频器的主体结构。

3．练习使用变频器参数设置。

4．学习液位定值控制方法。

三、实验仪器、设备

A3000高级过程控制实验系统

四、实验原理

1、变频器接线和和操作

变频器采用西门子的MM420变频器。变频器控制水泵P101。由于变频器响应快速，所以控制时间会短一些。

2、西门子变频器

图1-1 西门子变频器

现场系统上的西门子变频器一般包括三个部分：变频器主体，BOP面板，DP接口。其中BOP面板和DP接口不是必须的。

（1）西门子变频器主体，如图1-1所示。

（2）DP模块，如图1-2所示。

图1-2 DP模块

（3）西门子BOP面板，如图1-3所示。

图1-3 西门子BOP面板

西门子BOP面板包括一个液晶显示屏，8个按钮。其中左上角是运行启动，左下角是停止。

西门子变频器可以BOP面板操作，可以4-20mA控制，也可以使用PROFIBUS-DP总线控制。不需要增加任何硬件就可以进行这些模式的操作。

单相电源接线方式，如图1-4所示：

图1-4 MICROMASTER 420 变频器的连接端子

特别的是：

1）本系统使用了变频器输出端子U、V、W中的U、V两相，电压220V。

2）启动端使用了变频器的STF功能，其控制线接端子5和8。

3）速度调节控制线接端子3和4，2-10V控制，并500欧姆电阻后为4-20mA控制。

4）变频器的Profibus DP模块采用外部24V直流电源供电。

即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。因此，断开开关以后还必须等待5 分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装工、维护等工作。

注意：变频器的控制电缆，电源电缆和与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离。不要把它们放在同一个电缆线槽/电缆架上。信号电缆不要和变频器电缆并行过长。

变频器频率设置应该从高到低，电机才能顺利启动，否则，电机不容易启动起来。

面板拆卸图1-5所示。按下卡子，然后把面板向外拉。

（4）变频器的按钮功能说明，如表1-1所示。

P0010开始快速调试

0 准备运行

1 快速调试

30 工厂的缺省设置值

P0700 选择接通/ 断开/ 反转(on / off / reverse)命令源

0 工厂设置值

1 基本操作面板(BOP)

2 模拟量输入端子/ 数字量输入

6 来自总线命令。如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。注意要P0917=0。P1000 选择目标频率设定值来源

0 无频率设定值

1 用BOP 控制频率的升降

2 模拟设定值

6来自总线命令。如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。注意要P0917=0。P0004参数过滤器

2 变频器

4 PI比例积分控制器

10设定值通道和斜坡函数发生器

20 通讯

22 变频器PID控制参数

P0003 参数访问级

变频器的参数有4个用户访问级；即标准访问级，扩展访问级，专家访问级和维修级。

访问的等级由参数P0003来选择。对于大多数应用对象，只要访问标准级(P0003 =1)和扩展级(P0003=2)参数就足够了。如果使用总线控制，可以使用P0003=3，具有更高等级就可访问更多参数。

P0970复位到原厂默认值

（6）常用操作模式有三种：

BOP面板操作。一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后设定P0010=0、P0700=1、P1000=1。

4-20毫安控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=2、P1000=2。

Profibus总线控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=6、P1000=6。具体操作请参考多媒体系统。

在设定好之后，并不一定需要开启正转启动钮子开关，而是可以通过P0700的不同设置来启动，例如面板，或者总线命令。

（7）调试和操作步骤：

调试在基本操作面板上进行。变频器通电后，液晶屏在状态下，按，进入参数设置状态。

按或键，直到显示P0700(其值为1时才能启用BOP面板控制)，按键，显示

其参数值，按或键，修改其参数值为1，再次按键设定参数。

同以上操作，修改P0003和P0004参数值为2。

修改P0010参数值为1，进入快速调试模式。

设定P1000参数值为1，表示用BOP操作面板控制。

设定P1080和P1082参数值，分别为设置电动机频率的最小值(0 Hz)、最大值(50Hz)。

以上几个参数设置顺序可颠倒，设置完后，应将P0010设为0，进入准备运行状态。

按或键，直到显示，按启动键，显示数值从0变化到5，此时变频

器已启动，按键，设定频率为30～50之间，可听到继电器变化。若将水泵插线头接上，可以启动水泵。

我们使用Profibus面板进行控制，使用PPO1数据结构。这是最简单的控制方式。具体操作请参考文件MM4_Profibus_Eng.pdf。

频率对应的数值，0-0Hz ，16385-50.00Hz,可以提供如下转换公式:

A V:=REAL_TO_WORD(16385*IN/50);IN是目标频率，A V为要输出的数值。

3、控制流程图

液位PID控制流程图如图1-6所示。

图1-7液位调节阀PID单回路控制流程图

测点清单如表1-2所示。

水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV-101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT-103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV-101为操纵变量，LT-103为被控变量，采用PID调节来完成。

4、手动状态

在变频器某一个频率下，如果进水速度大于出水速度，则水位会一直上升，如果，进水速度小于出水速度，则水位一直会为0，只有当进水速度等于出水速度时，水位才会稳定在某一个值。即使水位稳定后，由于是手动状态，如改变变频器频率，水位又无法稳定。

5、液位测量原理

利用压力传感器测量液位。液位越高，压力越大。压力传感器测得的压力4-20mA的信号，通过模数转换再传给控制器，成比例的反映成为液位的高低。

五、实验步骤

1、将储水箱控制在1/3—2/3高度。

2、正确连接好管路。按一支路管道走向扳好管路。一支路管道走向为：储水箱－手动阀门－1＃水泵－变频器（西门子）－智能流量计（西门子）－涡流流量计－压力变送器－－手动阀门－散热管－手动阀门－下水箱（下水箱、中水箱、上水箱任选其一），将其中的水放干。

3、接通总电源、各仪表的电源。注意：西门子S7－300PLC电源要最后启动。S7－300PLC

的SF灯亮是由于气动调节阀的气压不够，在做本实验时，没有影响。

4、实验接线：水箱液位接到AI0上。

5、点击桌面“组态王6.52”，选择“DY S7－300”工程，点击“运行”（或双击“DY S7－300”），进入“A3000高级过程控制实验系统”界面，选择“1变频器位控制实验”。

6、“自动”状态下，改变“SP设定值”，建议SP=80，运行相对稳定，得出变频器显示50HZ时，液位能达到的最高值。

7、点击“准备”，系统停止运行，将水放干，重新设定SP值，重做步骤6。

注意：

1）挡水板位置在0到1.5cm之间。

2）PV调节器测量值――实验液位值

3）SP调节器给定值――设定值（我们输入的设定值）4）MV调节器输出值――实际测得的液位数值

实验二、流量控制参数设置

一、实验目的

1．熟悉气动调节阀使用方法。

2．了解空压机的安全使用注意事项。

3．了解流量检测设备。

4．掌握过程控制参数设置方法。

5．理解流量检测原理。

二、实验内容

1．练习正确连接支路二。

2．学习空压机的使用。

3．练习设置过程参数PI。

4．练习手动状态调节流量。

5．练习流量的自动控制。

三、实验仪器、设备及材料

A3000高级过程控制实验系统

四、实验原理

1、流量检测设备

流量检测设备，A3000高级过程控制实验现场系统一般包括一个涡轮流量计，一个电磁流量计。

（1）涡轮流量计

涡轮流量计管道里有一个叶轮随着流量转动，通过霍尔效应产生脉冲，然后进行F/I转换为4~20mA信号。涡轮流量计如图2-1所示。

图2-1 涡轮流量计

接线如图2-2所示。

图2-2 涡轮流量计接线图

涡轮流量计如果堵塞，则需要拆卸清洗，拆卸如图2-3所示，使用一个铁片拧下涡轮两边的外丝，取出涡轮进行清洗。注意安装时不能太紧。

图2-3涡轮流量计拆卸操作

电磁流量计利用法拉第电磁感应定律来测量流量。

电磁流量计如图2-4所示。

图2-4 电磁流量计

注意：不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。加电几分钟后才能获得准确数值。

电磁流量计接线图如图2-5所示。

图2-5 电磁流量计接线图

注意，只连接220V电源L和N线，信号“4-20毫安”输出，以及“输出地”。

2、调节阀接线和操作

调节阀特性：单座阀，螺纹连接，线性流量。

调节阀外观如图2-6所示。

图2-6 调节阀