化工仪表及自动化实验高教成教

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1、化工仪表及自动化实验主编: 何京敏中国矿业大学化工学院过程装备与控制工程实验室二零一零年十一月目录实验一 化工仪表认识实验3实验二 DCS认识实验5实验三、单容水箱液位PID整定实验9附录：实验二“天塔之光”参考程序12实验一 化工仪表认识实验实验项目性质：演示性实验计划学时：2一、实验原理化工仪表通称为工业自动化仪表或过程检测控制仪表，用于化工过程控制。是对化工过程工艺参数实现检测和控制的自动化技术工具，能够准确而及时地检测出各种工艺参数的变化，并控制其中的主要参数，保持在给定的数值或规律，从而有效地进行生产操作和实现生产过程自动化。 化工仪表按功能可分为检测仪表、在线分析仪表和控制仪表。检

2、测仪表，或称化工测量仪表。用以检测、记录和显示化工过程参数的变化，实现对生产过程的监视和向控制系统提供信息。如温度、压力、流量和液位等。在线分析仪表，主要用以检测、记录和显示化工过程特性参数（如浓度、酸度、密度等）和组分的变化，是监视和控制生产过程的直接信息。控制仪表（又称控制器或调节仪表），用以按一定精度将化工过程参数保持在规定范围之内，或使参数按一定规律变化，从而实现对生产过程的控制。 化工仪表从过去单参数检测发展到综合控制系统装置，从模拟式仪表发展到数字式、计算机式的智能化仪表。仪表基础元器件正在向高精度、高灵敏度、高稳定性、大功率、低噪音、耐高温、耐腐蚀、长寿命、小型化、微型化方向发展

3、。仪表的结构向模件化、灵巧化等方向发展；正在加强红外、激光、光导纤维、微波、热辐射、晶体超声、振弦、核磁共振、流体动力等多种新技术、新材料和新工艺向检测及传感器领域的渗透。以应用微型计算机技术为核心，以现代控制理论和信息论为指导，与各种新兴技术如半导体、光导纤维、激光、生化、超导及新材料等相结合，将使化工仪表进入多学科发展的新阶段。一、实验目的1初步了解化工仪表及自动化课程所研究的各种常用的结构、类型、特点及应用。2了解常用传感器的结构特点及应用。3了解常用智能仪表的结构特点及应用。4了解常用电动调节阀的结构特点及应用。5增强对化工仪表的结构及化工过程控制的感性认识。二、实验设备AE2000A

4、高级过程控制实验装置、常用传感器及仪表。三、实验方法 学生们通过对实验指导书的学习及“实验装置”中的各种仪表的展示，实验教学人员的介绍，答疑及同学的观察去认识化工常用仪表的基本结构和原理，使理论与实际对应起来，从而增强同学对化工仪表的感性认识。并通过展示的传感器与变送、控制仪表和和执行机构等，使学生们清楚知道化工过程控制的基本组成要素化工仪表。四、实验内容（一）流量、液位、压力、温度的检测和变送流量、液位、压力、温度的检测和变送属于检测仪表，是检测仪表中最常用的几种，其主要作用是获取信息，并进行适当的转换。基本要求是了解基本工作原理，认识常用检测仪表并了解基本参数及使用方法：1温度的检测及变送

5、：通过实验教学人员对热电偶、热电阻及温度变送器实物的介绍了解常用温度测量的方法。2压力检测及变送：通过实验教学人员对弹簧管式压力表及扩散硅压力传感器变送器的介绍，了解扩散硅压力传感器变送器的主要参数和使用方法。3流量检测及变送：观察实验装置上的蜗轮流量传感器和电磁流量变送器及流量积算仪。并通过实验教学人员的的介绍，了解基本工作原理和使用方法。4料位的检测及变送：本实验装置采用压差式物位测量，通过实验教学人员介绍，了解其选型和使用方法。（二）显示、控制仪表通过观看弹簧管式压力表内部结构，了解弹簧管式压力表工作原理；通过实验指导教师对智能仪表内部结构的介绍，了解DDZ仪表和智能仪表、DDC、PLC

6、及DCS的工作原理，同时根据实验指导老师的介绍，对化工过程控制常用控制器（调节器）的发展有一基本的了解。 （三）执行机构工业中常用的执行机构有自整角机和调节阀等等。电动调节阀因具有节能方便的特点正越来越多的应用于各种工业生产领域。调节阀由执行机构和调节机构组成，接受调节器或计算机的控制信号，用来改变被控介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到过程控制的自动化。通过实验教师讲解，了解电动调节阀的基本结构，包括放大器、可逆电机、减速装置、推力机构、机械限位组件、弹性联轴器和位置反馈等部件。五、实验报告要求1、总结实验中所涉及的技术内容，谈谈自己的感想。六、思考题1、简述化工仪表自动化都

7、包括那些内容？实验二 DCS认识实验实验项目性质：综合性实验计划学时：2一、 实验要求进行本实验要求学生已学习了S7-200可编程序控制、工业组态软件和计算机网络等相关课程。具备S7-200的程序编制和组网、工业组态软件MCGS的程序编程和计算机组网的能力。二、实验目的1、熟悉DCS现场控制层和监督管理层的基本概念；2、巩固S7-200可编程序控制器的使用方法；3、熟悉S7-200的各种联网方法及应用；4、熟练掌握工业组态软件的编程与应用。三、实验设备1、S7-200（CPU224CN）可编程序控制器1台；装有编程软件的计算机1台、PPI通讯电缆。2、以太网交换机2台、多台S7-200（CPU

8、224CN）可编程序控制器，MPI通讯电缆或CP243-1以太网通讯模块和网线等。 DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统）

9、，作为DCS更高层次的应用，目前国内行业应用到这一层的系统较少。DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口、I/O和控制程序组成。DCS中设置多个现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DDC）功能的网络节点。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络

10、节点。 工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。DCS的骨架系统网络，它是DCS的基础和核心。系统网络应该具有很强在线网络重构功能。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。 作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DC

11、S只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即total solution 的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。 四、实验内容1、各组利用可编程序控制器对实验对象的检测控制，实现DDC直接数字控制（计算机控制）。利用工业组态软件在计算机编制上位机监督管理软件实现

12、简单的DCS。2、通过多组合作，建立过程控制站（各组DDC）之间的组网。并由主控机（工程师站）实现对各过程控制站的控制（更新控制程序）。3、通过多组合作，利用各上位计算机，通过连网实现以一台上位机为主机，其他计算机通过工业以太网或Internet，对主机的连网访问，来完成对各控制站的控制。五实验步骤（一）、建立过程控制站采用S7-200PLC构建DDC控制，控制对象选用天塔之光的实验面板。1、实验连线连接实验面板和PLC控制电源。根据下表进行输入输出的接线。输入/输出接线列表输入接线SDST输出接线L1L2L3 L4L5L6L7I0.0I1.1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q

13、0.6确认计算机和PLC都在关机状态，用PC/PPI电缆将PC与PLC连接。2、编制控制程序打开计算机电源，进入Step7 microWIn 可编程序控制器编程软件，编制天塔之光控制程序。（学生在预习报告中已自编程序，经教师检查签字后方可使用）。3、将控制程序装载到PLC中在microWIn软件中，设置PG/PC接口为PC/PPI cable方式。如左图。选microWIn软件的通信功能，如下图，双击“双击刷新”图标，进行PLC的查找。等待刷新结束，选中已查找到的PLC，按确认按钮返回microWIn编程界面。加载已编辑好的控制程序。点图标对程序进行编译。如程序出现错误，则需程序进行修改。修改

14、正确后，重新进行编译。编译正确的程序即可装入PLC中了。点按图标将程序下载到PLC中。3、运行控制程序在microWIn软件中，点按图标，将PLC设置为运行状态，关闭microWin软件，PLC独立完成控制。至此，过程控制站建立完成。（二）、建立监督管理层使用工业控制的组态软件，编制上位计算机显示操作界面程序，、建立上位计算机监督管理功能。上位机参考程序界面（三）、建立工程师站和监督管理站本项内容涉及多台设备和PLC的组网技术及计算机网络知识，由教师进行演示。利用一台计算机与各台PLC连网通信，实现工程师站的建立。利用工程师站的计算机实现对各PLC进行控制及控制程序的更新。2、利用一台上位计算

15、机作为服务器，其他计算机通过Internet对主服务器进行访问，通过分配的控制权限，实现在多处、异地对控制系统的实时控制。六、实验报告要求1、简述集散控制系统（DCS）的基本原理和构成并画出结构框图。2、描述天塔之光的灯光变化情况。3、总结实验中所涉及的技术内容，谈谈自己的感想。七、思考题1、什么是DCS控制系统？它都综合了那些技术？2、试描述DDC、DCS、FCS和PLC控制系统的特点和不同。3、试上网查询，在化工行业中通常采用那些控制系统？各有什么特点？实验三、单容水箱液位PID整定实验实验项目性质：综合性实验计划学时：4一、实验目的1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2、

16、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备AE2000A型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。三、实验原理图4-1图4-1为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，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下

17、来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，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。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度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，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

18、，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4-2中的曲线、所示。 图4-2 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线四、实验内容1、首先采用衰减曲线法作出单容水箱液位PID调节器的实验曲线。2、然后采用等幅振荡法作出单容水箱液位PID调节器的实验曲线。3、验证积分作用4、采用经验试凑法作出单容水箱液位PID控制的实验曲线。5、观察微分作用。五实验步骤1）

19、设备的连接和检查1).关闭阀23，往AE2000A型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的90以上时停止灌水。2).打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门（包括有：阀1、阀4和阀7），关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。3).打开上水箱出水阀（阀9）至适当的开度。4).检查电源开关是否关闭。5）将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到15V位置。6）将上水箱液位+（正极）接到ICP7017的A/I0+端，上水箱液位（负极 ）接到ICP7017的A/I0端。3）将ICP7024的A/O0+端接至电动调节阀的420mA输入端的+端（即正极），将ICP7024的A/O0端接至电动调节

20、阀的420mA输入端的端（即负极）。图4-4 实验软件界面1、比例调节控制1）启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统选择相应的实验，如图4-4所示：2）打开电动调节阀和单相电源泵开关，开始实验。3）设定给定值，调整比例系数（K）。4）待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。5）减小比例系数重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。6）增大比例系数重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。7）选择合适的比例系数，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值（如设定值由50变为60）

21、，同样可以得到一条过渡过程曲线。注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。2、比例积分调节器（PI）控制1）在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置积分时间（Ti）不为0，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2）固定比例系数值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量p。表4-1 不同Ti时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p3）固定积分时间于某一中间值，然后改变比例系数的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量p。表4-

22、2 不同K值下的p比例系数K大中小超调量p4）选择合适的K和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。3、比例积分微分调节（PID）控制1）在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置微分时间（Td）参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分时间（Td）对系统性能的影响。2）选择合适的K、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。3）在历史曲线中选择

23、一条较满意的过渡过程曲线进行记录。五、实验报告要求1、画出单容水箱液位控制系统的方块图。2、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。3、作出P调节器控制时，不同值下的阶跃响应曲线。4、作出PI调节器控制时，不同和Ti值时的阶跃响应曲线。5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。6、比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。六、注意事项实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。七、思考题1、实验系统在运行前应做好哪些准备工作？2、为什么要强调无扰动切换？3、试定性地分析三种调节器的参数K、（K、Ti）和（K、Ti和Td）的变化对控制

24、过程各产生什么影响？4、如何实现减小或消除余差？纯比例控制能否消除余差？附录：实验二“天塔之光”参考程序一、 实验目的用PLC构成闪光灯控制系统。二、控制要求合上启动按钮后，按以下规律显示：L1L1、L2L1、L3L1、L4L1、L5L1、L2、L4、L1、L3、L5L1L2、L3、L4、L5L6、L7L1、L6L1、L7L1L1、L2、L3、L4、L5L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7L1如此循环，周而复始。 三、天塔之光的实验面板图： 四、输入/输出接线列表输入接线SDST输出接线L1L2L3 L4L5L6L7I0.0I1.1Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7五、梯形图参考程序17试题和教育