單容水箱液位過(guò)程控制工程實(shí)訓(xùn)s 2

湖南工程學(xué)院系統(tǒng)綜合訓(xùn)練報(bào)告課題名稱過(guò)程控制系統(tǒng)專業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2007年4月9日目錄前言………1一.訓(xùn)練裝置及內(nèi)容介紹……………2訓(xùn)練裝置………………2訓(xùn)練內(nèi)容………………3二.系統(tǒng)各模塊…………4控制對(duì)象…………………4檢測(cè)裝置……………………4執(zhí)行裝置……………………6控制器………7三.實(shí)驗(yàn)效果………………10程序清單…………………11工程訓(xùn)練心得…………15前言生產(chǎn)與生活的自動(dòng)化是人類長(zhǎng)久以來(lái)所夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，在18世紀(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)在蒸汽機(jī)運(yùn)行中得到成功的應(yīng)用以后，自動(dòng)化技術(shù)時(shí)代開(kāi)始了。隨著工業(yè)技術(shù)的更新，特別是半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化儀表已經(jīng)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)控制裝置時(shí)代。在石油、化工、制藥、熱工、材料和輕工等行業(yè)領(lǐng)域中，以溫度、流量、物位、壓力和成分為主要被控變量的控制系統(tǒng)都稱為“過(guò)程控制”系統(tǒng)。過(guò)程控制不僅在傳統(tǒng)工業(yè)改造中，起到了提高質(zhì)量，節(jié)約原材料和能源，減少環(huán)境污染等十分重要的作用，而且已成為新建的規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的組成部分。隨著計(jì)算機(jī)控制裝置在控制儀表基礎(chǔ)上的發(fā)展，自動(dòng)化控制手段也越來(lái)越豐富。其中有在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的智能數(shù)字儀表控制系統(tǒng)、智能儀表加計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)DDC控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、DCS分布式集散控制系統(tǒng)、FCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等。在這次工程訓(xùn)練中，主要對(duì)單容水箱液位進(jìn)行PID整定。單容水箱是個(gè)比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，我們采用PID控制?？刂埔粋€(gè)液位的高度，整個(gè)過(guò)程為采用水泵恒定抽水，改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)控制水的流量從而控制水箱液位的高度。并選用壓力傳感器對(duì)液位高度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量的值與系統(tǒng)的給定值進(jìn)行比較，來(lái)確定閥的開(kāi)度。通過(guò)訓(xùn)練熟悉整個(gè)控制系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)及其原理。訓(xùn)練裝置及內(nèi)容介紹THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”由過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)、智能儀表控制臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)(用戶自備)三部分組成。訓(xùn)練裝置1.1過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)包含有：不銹鋼儲(chǔ)水箱；上、中、下三個(gè)串接有機(jī)玻璃圓筒型水箱；三相4.5KW電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套構(gòu)成）和鋁塑盤管組成。系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)有兩套：一套由三相（380V交流）不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計(jì)等組成;另一套由日本三菱變頻器、三相不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)等組成。整套對(duì)象系統(tǒng)完全由不銹鋼材料制造，包括對(duì)象框架、管道、底板，甚至小到每一顆緊固螺釘。1.2對(duì)象系統(tǒng)中的各類檢測(cè)變送及執(zhí)行裝置(1)

擴(kuò)散硅壓力變送器三只：分別檢測(cè)上水箱、中水箱、下水箱液位；(2)

渦輪流量計(jì)三只：分別檢測(cè)兩條動(dòng)力支路及盤管出水口的流量；(3)Pt100熱電阻溫度傳感器六只：分別用來(lái)檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤管（三只）及上水箱出水口水溫；(4)控制模塊：包含三相可控硅移相調(diào)壓裝置、電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、三菱變頻器各一個(gè)；(5)接觸器位式控制裝置、三相380V不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵、三相220V不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵。1.3上位監(jiān)控PC機(jī)“THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”配置一臺(tái)上位監(jiān)控PC機(jī)，PC機(jī)上安裝有工控組態(tài)軟件(MCGS、組態(tài)王可選)，通過(guò)RS232/485轉(zhuǎn)換器、儀表控制臺(tái)側(cè)面的RS485總線接口與所有的儀表進(jìn)行通訊。我們可對(duì)下位儀表各參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、修改PID控制參數(shù)，并能觀察被控參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線，SV設(shè)定值、PV測(cè)量值、OP輸出值，各實(shí)驗(yàn)都設(shè)有動(dòng)態(tài)變化棒圖顯示和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。訓(xùn)練內(nèi)容在此次訓(xùn)練中，我們針對(duì)單容水箱液位進(jìn)行恒高度控制。單容水箱是個(gè)比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，我們采用PID控制?？刂埔粋€(gè)液位的高度，整個(gè)過(guò)程為采用水泵恒定抽水，改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)控制水的流量從而控制水箱液位的高度。并選用壓力傳感器對(duì)液位高度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量的值與系統(tǒng)的給定值進(jìn)行比較，來(lái)確定閥的開(kāi)度。單容水箱液位PID整定的系統(tǒng)方框圖如下。控制器控制器檢測(cè)變送器單容水箱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥給定擾動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖：二.系統(tǒng)各模塊一個(gè)完整的系統(tǒng)一定包括：控制對(duì)象、檢測(cè)裝置、執(zhí)行裝置、控制器等。控制對(duì)象：圓筒形有機(jī)玻璃上水箱（Ф200×330mm）的水箱液位。檢測(cè)裝置：擴(kuò)散硅壓力液位變送器工作原理：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)歸一化差分放大和輸V/A電壓、電流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。壓力液位傳感器接線圖接線說(shuō)明：傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼管內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源24V+接紅線，白線/藍(lán)線接負(fù)載電阻的一端，負(fù)載電阻的另一端接24V-。傳感器輸出4~20mA電流信號(hào)，通過(guò)負(fù)載電阻250/50Ω轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。當(dāng)負(fù)載電阻接250Ω時(shí)信號(hào)電壓為1~5V，當(dāng)負(fù)載電阻切換成50Ω時(shí)信號(hào)電壓為0.2~1V。水箱液位傳感器的校準(zhǔn)水箱液位傳感器測(cè)量范圍：0~10Kpa；24VDC電源供電，4~20mA電流輸出，兩線制接法。校準(zhǔn)前先打開(kāi)電源總開(kāi)關(guān)，接通24V開(kāi)關(guān)電源，檢查直流電壓是否為24V，用萬(wàn)用表在接線口測(cè)量確認(rèn)。確認(rèn)后可以開(kāi)始校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法：零位校準(zhǔn)（1~5V對(duì)應(yīng)液位0~1000mm）打開(kāi)閥L01（R01），排空上水箱中的水后，關(guān)閉閥L01（R01）。用萬(wàn)用表20V直流電壓檔測(cè)量I/O信號(hào)面板上的上水箱液位的電壓值，此時(shí)上水箱液位為零，調(diào)節(jié)上水箱液位傳感器的Z（zero）電位器，使測(cè)量的電壓值為1.00V。增益校準(zhǔn)打開(kāi)單相水泵的220V供電電源開(kāi)關(guān)，上水箱開(kāi)始進(jìn)水。當(dāng)上水箱液位達(dá)到溢流口時(shí)，關(guān)閉單相水泵電源開(kāi)關(guān)，從水箱刻度尺上讀出測(cè)量值。看萬(wàn)用表20V直流電壓檔測(cè)量的上水箱液位的電壓值，測(cè)量值=（電壓值-1）×250mm，若不是，調(diào)節(jié)上水箱液位傳感器的R（增益）電位器，使電壓值經(jīng)過(guò)換算后和測(cè)量值吻合。重復(fù)步驟1)、2)，復(fù)調(diào)零位和增益。直到液位為零時(shí)電壓顯示為1V，最大值時(shí)電壓與實(shí)際測(cè)量值吻合。注：調(diào)好以后就不再調(diào)。注：液位傳感器的校準(zhǔn)一般在出廠前已完成。執(zhí)行裝置：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥QSTP-16K智能電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC輸入阻抗：250Ω/500Ω輸出信號(hào)：4~20mADC輸出最大負(fù)載：<500Ω信號(hào)斷電時(shí)的閥位：可任意設(shè)置為保持/全開(kāi)/全關(guān)/0~100%間的任意值電源：220V±10%/50Hz控制器：?jiǎn)位芈飞纤湟何豢刂葡到y(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上小水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制，當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來(lái)就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來(lái)滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控制器參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問(wèn)題。一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)余差，而且只要參數(shù)δ，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無(wú)余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖4-2中的曲線①、②、③所示。圖P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線根據(jù)要求此系統(tǒng)要通過(guò)MCGS監(jiān)控軟件來(lái)控制水箱的液位。大致可以分成以下幾個(gè)部分：1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用MCGS工程組態(tài)軟件創(chuàng)建液位控制系統(tǒng)。并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行液位控制以及數(shù)據(jù)和曲線的讀取。2）傳感器檢測(cè)單元對(duì)水箱底部進(jìn)行壓力檢測(cè)，通過(guò)通訊線將所測(cè)的模擬量輸送的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的壓力變送器。3）ICP-7017遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊將壓力變送器的模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)通訊線將數(shù)字信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)。8通道模擬量輸入模塊。表1為ICP-7017的技術(shù)指標(biāo)。型號(hào)功能I-7107模擬量輸入分辨率16bit輸入通道8路差動(dòng)采樣率10Hz電壓輸入+/-150mV+/-500mV+/-1mV+/-5V+/-10V電流輸入+/-20mA表1ICP-7017模塊24V供電，面板上提供了4通道的輸入端口。每一通道根據(jù)功能表可輸入允許范圍的電壓或電流。支持485通訊。4）ICP-7024遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊將計(jì)算機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并控制水箱液位控制系統(tǒng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。4通道模擬量輸出模塊。表2為ICP-7017的技術(shù)指標(biāo)。ICP-7024模塊24V供電，提供了4通道的輸出端口。每一通道根據(jù)功能表可輸入允許范圍的電壓或電流。支持485通訊。型號(hào)功能I-7024模擬量輸出分辨率14bit輸出通道4路差動(dòng)電壓輸出+/-10V+/-5V0～10V0～5V電流輸出0～20mA4～20mA表2三.實(shí)驗(yàn)效果：系統(tǒng)采用的PID控制器是由DDC數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的。在模擬過(guò)程控制中，數(shù)字PID控制算式為：式中：T——采樣周期e（k）——系統(tǒng)第k次采樣時(shí)刻的偏差值e（k-1）——系統(tǒng)第（k-1）次采樣時(shí)刻的偏差值u（k）——第k時(shí)刻的控制輸出k為采樣序號(hào)，k=0，1，2…。程序清單：?jiǎn)?dòng)腳本程序：!setdevice(7024,1,"")!setdevice(7017,1,"")Qp=0Qi=0Qd=0OPA=0sv=0pvx=0run=0!SetWindow(實(shí)時(shí)曲線,2)退出腳本程序：!setdevice(7024,2,"")!setdevice(7017,2,"")Qp=0Qi=0Qd=0OPA=0sv=0pvx=0run=0!SetWindow(實(shí)時(shí)曲線,3)循環(huán)腳本程序：水箱PV=(pv1-1000)*0.02if水箱PV>38then水箱PV=38endif水箱SV=svAOch0=(OPA+25)/6.25ifrun=0thenQp=0Qi=0Qd=0pvx=0endififrun=1thenei=sv-(pv1-1000)*0.02ifk=0andTi=0andTd=0thenQp=0Qi=0Qd=0endififk<>0andTi<>0thenQp=k*eimx=k*0.2*ei/TiQd=k*Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2endififk=0thenQp=0mx=0.2*ei/TiQd=Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2endififTi=0thenQp=k*eiQi=0mx=0Qd=k*Td*((pvx-pv1)*0.02)/0.2endififmx>5thenmx=5endififmx<-5thenmx=-5endififei>0andOPA>=100thenQi=QielseQi=Qi+mxendififei<0andOPA<=0thenQi=QielseQi=Qi+mxendifpvx=pv1OPA=Qp+Qi+QdifOPA<0thenOPA=0endififOPA>100thenOPA=100endifendif安裝調(diào)試：THJ-2對(duì)象連線：將三相電源輸出端U、V、W對(duì)應(yīng)連接到三相磁力泵（～380V）的U、V、W端，把電動(dòng)調(diào)節(jié)閥～220V的輸入端L、N接至單相電源Ⅲ的3L、3N端，流量計(jì)電源24V+、COM-對(duì)應(yīng)接到24V開(kāi)關(guān)電源的+、-端，并將FT1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路流量鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制臺(tái)的連線：將FT1電動(dòng)閥支路流量的+、-端相應(yīng)接到7017模擬輸入模塊第一通道A/I0的+、-端，7024模塊第一輸出通道A/O0的正端接到24V開(kāi)關(guān)電源的正端，將7024模塊第一輸出通道A/O0的負(fù)端接到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥4～20mA輸入正端，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥4～20mA輸入負(fù)端接到24V開(kāi)關(guān)電源的負(fù)端。用通訊電纜線連接到7033、7024的485通訊接口，再通過(guò)485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)COM2口上。操作步驟：按上述要求連接系統(tǒng)。用電纜線將對(duì)象和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制臺(tái)連接起來(lái)。合上遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制臺(tái)的電源，并給7017、7024模塊加上24V電源。打開(kāi)MCGS上位機(jī)組態(tài)軟件，并進(jìn)入相應(yīng)的界面。啟動(dòng)對(duì)象的總電源，并合上相關(guān)的電源（三相電源、單相Ⅲ、24V電源）。手動(dòng)操作調(diào)節(jié)器的輸出階躍，并根據(jù)所得的響應(yīng)曲線求得了K、T和τ值，據(jù)此查表確定了PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ和TI，并整定之。設(shè)置好流量的給定值為10.0，先把調(diào)節(jié)器輸出設(shè)為手動(dòng)，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥給水箱打水,待管道流量趨于給定值且不變后，把手動(dòng)切換為自動(dòng)，使系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，突加階躍擾動(dòng)（將給定量增/減5%～15%），觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，適量打開(kāi)電動(dòng)閥兩端的旁路閥，觀察在階躍擾動(dòng)作用下管道流量的響應(yīng)過(guò)程。通過(guò)反復(fù)多次調(diào)節(jié)PI的參數(shù)，使系統(tǒng)具有較滿意的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。實(shí)訓(xùn)得到的曲線圖如下：工