过程控制与自动化仪表.docx
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过程控制与自动化仪表
《过程控制与自动化仪表》
实验指导书
机电一体化实训中心
实验一典型仪表控制系统组成
一、实验目的
SPC-315
1、熟悉压力过程控制实验装置SPC-501,液位和流量过程控制实验装置
和温度过程控制实验装置SPC-201组成的实验系统。
2、掌握实验装置中的各种自动化仪表的功能和特性。
二、实验设备(仪器)
1、液位和流量过程控制实验装置SPC-315一台
2、压力过程控制实验装置SPC-501一台
3、温度过程控制实验装置SPC-201一台
三、实验原理及内容
学习下列各装置的原理图,了解各个实验装置的基本功能。
(一)温度过程控制实验系统图
(二)压力过程控制实验系统图
(三)流量过程控制实验系统图
进水
LC
S15
VP200
FT
水泵
储水缸
出水
东芝335F
电磁流量
东芝AP10
士液位传感器
(四)液位过程控制实验系统图
1、听实验指导教师逐个讲解每个实验台的工作流程和仪表的结构和功能。
每组6—7人,一组一个是实验台。
2、闭合实验台开关,给设备供电。
根据老师所讲内容,
1打开液位和流量过程控制实验装置SPC-315的水泵后,仔细观察水在整个实验
装置中的流动路径;简单调节EC311上的MV按键,观察碟形阀的运动,同时观察机
械式液位仪和流量计的变化。
2打开压力过程控制实验装置SPC-501的供气气泵,仔细观察气体在整个实验装
置中的流动路径;简单调节EC311上的MV按键,观察碟形阀的运动,同时观察机械
式气压计的变化。
3打开温度过程控制实验装置SPC-201的冷水和热水水泵后,在热水水缸注满水
后,选择加热功率为7kW,加热温度设定为70C,然后打开热水加热器。
简单调节
EC311上的MV按键,观察碟形阀的运动,同时观察电子温度测试表和机械式流量计的变化。
3、仔细观察并记录DT100热电阻,东芝AP10液位传感器,东芝AP10压力传感器,VP200气动调节阀,东芝电磁流量计上的铭牌标志。
4、分别关闭水泵、气泵、加热器后,关闭每一个实验台,并填写实验操作记录。
五、预习要求
1、了解开环控制系统和闭环控制系统的基本原理。
2、基本了解DT100热电阻,东芝AP10液位传感器,东芝AP10压力传感器,VP200气动调节阀,东芝电磁流量计的作用。
六、实验报告要求
1、写出整个实验的详细过程和操作步骤。
2、在预习要求中提到的几种自动化仪表中选择一种仪表,对其进行结构和功能上
的分析,要求有结构图。
SPC-315
ECBUS/H
实验二可编程调节器
一、实验目的
1、熟悉EC311可编程调节器的功能和使用。
2、掌握压力过程控制实验装置SPC-501,液位和流量过程控制实验装置
和温度过程控制实验装置SPC-201组成的实验系统。
二、实验设备(仪器)
1、液位和流量过程控制实验装置SPC-315一台
2、压力过程控制实验装置SPC-501一台
3、温度过程控制实验装置SPC-201一台
三、实验原理及内容
1、EC311的硬件特性输入:
电压范围1~5VDC
输入阻抗>1MQ
允许输入电压:
0~10VDC输出:
4~20mA
负载阻抗0~600Q
DO继电器接点
电类电阻性负载125VAC,0.1A非电类电阻性负载50VAC,0.1A
电源:
交流100~240VAC(-15%~+10%,47~66Hz)功率:
14VA
控制周期:
0.05S/M
2、EC311的基本功能
EC311是东芝公司EC300系列回路控制器之一,它具有如下特点:
1)可控制两个不同的回路
2)高性能参数自整定
3)可直接与热电偶RTD(选用模块)相连
4)支持各种通讯功能,可通过RS485接口与MODBUS、ECBUS以及相连
5)提供18个功能程序模块
6)EC300系列回路控制器具备如下5种控制功能,相互之间可以切换。
7)PID控制
8)远程设定PID控制
9)远程MV控制
10)M(手动)/A(自动)操作站
11)串级PID控制
AI1
LC
“断”
DF
手动输岀
MV1
“断”
CV2
显示
——SW3—|ROT-
AI2
LC一DF丄|PLN“合”
PVH1—
PVL1DO1
DVE1(报警输出)
图中:
AI1、AI2输入
MV1
控制输出值
CV1
反馈计算值
SV1
给定值
LC
低限
DF
数字滤波
PLN
折线表
ROT
开方
M
手动方式
A
自动方式
DO1
数字量输出
PVH1
反馈值高限
PVL1
反馈值低限
DVE1
偏差越限
控制器面板介绍:
(2S)Mecnoryea/dacpn^iuonconne^or但口旳n)
NuiTKrKrtemdisplay
(1)
CVgj會
CispJay(13)
GVdisplay(H)
tfisplay”5)
SVdisplay(18)MVctopiay(17}
MVcfspFay(18)
Clsajj^efeaswitEzh(19)■
LgqpsaIccI:
SMrtteM(22)-
(1JNumericihdjcacor
C2)HALTcSspTay
(3)ALARMdisplay
(4)CsmputeiTtocaJdisplay
(5)Sclf-iuningONdisplay
何H创ddisplay
(7JLoopdisplay
Functiafiswitch(20}Enter/fastswitch(21)
Gu
no
s
r-口
£回囚回
(0)Modetijsplay
㈣
Hi)
C/AmodedHiange-crvtrswitch
Mm口白合charvge-over$wiEch
MVsetswitch
'EbfF
FAST
RS-232C
oanoEctb(23)/jagplate(24)(9)SVs6tswfti:
n
尿咼AdjustmenCofVisualsangleofLCD
图2.1控制器面板
(1)
参数项显示/数值显示
(14)
CV值显示
⑵
停机显示
(15)
SV比例显示
⑶
报警显示
(16)
SV显示
⑷
计算机标志显示
(17)
MV比例显示
⑸
自调整功能显示
(18)
MV显示
⑹
锁定显示
(19)
清除/选择键
⑺
回路显示
(20)
功能键
(8)
控制方式显示
(21)
确定/快速键
(9)
SV设定键
(22)
回路选择键
(10)
C/A方式切换键
(23)
RS-232C连接器
(11)
M方式切换键
(24)
标签板
(12)
MV设定键
(25)
内存卡连接器
(13)
CV比例显示
(26)
液晶可视角度调整螺钉
面板操作:
通过面板操作,用户可改变各种控制参数设定值和控制开关。
正常显示:
显示CV(PV)、SV、MV
按“CLR/SEL键改变显示项
按“LOOP键改变控制回路
参数显示:
在正常显示下,按“FUN键转换为参数显示,再按“FUN键可在五个
参数菜单(ALM,I/O,PARAM,SYSTEM,ADTUM)之间切换,当出现“PARAM时,再
按“ENT/FAST键可显示参数菜单中的参数,按“LOOP可显示不同回路参数。
修改参数:
在参数显示模式下,按“ENT/FAST键切换到参数修改模式。
当参数闪
烁时可修改其值,否则该参数不能被修改。
利用▲▼键可修改参数的值,禾U用〉〈键可
改变参数位。
当闪烁的数字在最左端或最右端时,利用▲▼键可移动参数的小数点。
故障显示:
当设定值越限或发生故障时,回路控制器转入故障显示方式。
由此可分析故障原因,按“CLR/SEL键返回参数显示模式。
正常显示
按FNC(>1S)
面板操作示意图
主要参数设置范围:
参数名称参数值
(1)PH*d
*表示输入控制回路号,如:
d表示
⑵PL*d
*同上d表示
(3)DVL**同上
d表示偏差极限值,0.0 (4)Kp*d *同上 d比例系数,-9999wKpw99999 (5)Ti*d *同上d积分时间常数, (6)Td*d*同上 d微分时间常数, (7)ATd *同上dPID计算周期, PV高限报警值, PV低限报警值,d 1 PLnvPHnW99999 -9999 0 0wTdw99999(M) 1 (8)D/R*d *同上d设定值可为dir/rev(即控制器MV正/反显示) (9)VD*d *同上 d设定值可为dir/rev(即控制器的调节阀的正/反控制作用) 四、实验步骤 1、EC311启动时为正常显示手动状态。 在手动方式下,按“▲▼”键可改变MV的 大小;若按下“ENT/FAST同时再按下键,可加快改变MV的大小。 在参数修改方式下,可设定MV为40。 2、在手动方式和自动方式下,按“▲▼”键可改变SV的大小;若按下“ENT/FAST” 同时再按下“▲▼键,可加快改变SV的大小。 在参数修改方式下,设定SV为60。 3、按“M键,将实验台调整到手动。 (手动到自动的切换: 可由方式切换键“C/A” 和“M'来完成。 4、PID参数设置: Kp=1,Ti=2,Td=3 开机后在回路控制器正常显示状态下,按“FNC键数次,直至显示“PARAM。 再 按“ENT/FAST键一次,显示“PH”然后按“▲▼”键直至显示“Kp1”。 然后按 “ENT/FAST键一次,Kp1的数值在闪烁,此时可用“▲▼键来修改Kp1的数值,用“><”键可改变欲修改参数的位。 注意: 修改完后一定要按“ENT/FAST键确认。 接着可用 “▲▼”键找到欲改变的参量,用上述方法进行参数设定。 5、报警复位处理示例: 如设置参数PH、PL 开机后可能会出现“ALM报警提示,这多数是由于传感器测得的当前值超出了所设测量值的高低限位。 这一般有两个原因: a)是系统刚启动后,各过程参量还未达到基本初始状态,传感器没有检测到实际工作时的值,故有报警提示,该报警应随着各过程参量趋于稳定而自动消除。 b)若报警仍然无法消除,就可能是当前测量值的高低限位值设定不合适(PH可 能太小,而PL可能太大)。 用操作示例1的方法对PH1和PL1的参数进行修改。 6、关闭实验台,填写实验记录。 五、预习要求 1、仔细阅读实验内容和实验原理,对EC311的功能和原理有一个基本的认识。 2、从网上查找其他品牌的回路控制器,了解其功能和未来回路控制器的发展方向。 六、实验报告要求 1、写出整个实验的详细过程和操作步骤。 2、写出回路控制器的未来发展方向和自己对其发展方向的理解。 实验三 单容过程对象的建模 实验目的: 1、熟悉压力过程控制实验装置 SPC-501 2、掌握单容对象特性参数K、 T、-的测量方法 3、掌握调节器EC311的基本使用方法 实验设备: 压力过程控制实验装置SPC-501 .一-台 小型空气压缩机 .一-台 东芝TOSCON1.5空气压缩机 .一-台 储气罐 一个 空气软管 数根 进水管 一根 三、实验内容及原理: 自衡单容过程对象的对象特性的一般形式为Ke_s/(Ts-1),为建立其数学模型, 可通过测量其阶跃响应的方法求得对象特性参数K、T、.。 如下图所示: Au Ke^Ts __Ay Ts+1 Au 63.2% Ay / J Ay J △y 亠 rr- 四、实验步骤: 1、用空气软管将东芝TOSCON1.5空气压缩机、储气罐与SPC-501的主进气口相联,用空气软管将小型空气压缩机与气动调节阀相联。 2、闭合TOSCON1.5空气压缩机的电源开关,启动空气压缩机,当气压达到设定值时,打开储气罐的进出气阀门,同时也启动与气动调节阀相联的小型空气压缩机。 3、完全打开阀门V-1和v-3,调整主减压阀,使气压达到1Kg/cm2;然后调整次减压阀,使气压达到0.55Kg/cm2。 4、闭合SPC-501仪表箱内所有开关,给SPC-501供电。 使用调节器EC311,手动 调节气动调节阀,使压力测量缸的出气达到3Nm/h。 5、闭合SPC-501的扰动开关,加入扰动。 6、使用调节器EC311,手动调节气动调节阀开度,使测量缸内的气压达到30% 2 (0.15Kg/cm)。 7、打开记录仪,断开扰动开关。 根据记录所得△PV曲线按实验原理计算对象特性参数T。 8、手动控制调节器EC311,使△MV=10%,记录△PV-△MV曲线,按实验原理计算对象特性参数K、.。 9、实验结束时,断开所有设备电源。 待测量缸内的气压降至室压,将缸内的水全部放出。 五、思考题: 1、为什么用实验步骤7和8分别测量对象特性参数K、T、.? 2、若在实验之前向压力测量缸内加水至容积的50%,对象特性参数K、T、.将如何变化? 试用实验验证之。 3、如何使测得的K、T、.准确? 六、实验报告: 1、写出整个实验的详细过程和操作步骤。 2、根据实验步骤7、8和厶MV—△PV曲线计算K、T、. 3、回答上述思考题。 实验四单回路控制系统整定及投运 、实验目的: 1、了解PID调节器参数的临界震荡整定方法 2、掌握临界振荡法整定压力过程控制系统PID调节器的参数Kp、T「Td 3、掌握调节器EC311的基本使用方法 、实验设备: 压力过程控制实验装置SPC-501一台 小型空气压缩机一台 东芝TOSCON1.5空气压缩机一台 储气罐一个 空气软管、水管数根 、实验原理: Kp=Ku,T=g,Td=O 所谓临界振荡法,就是使系统的PID调节器处于纯比例环节Kp=Ku、Tj二: : 、Td=0,调整比例系数使系统处于临界振荡状态,根据记录曲线求得振荡周期Tu,再由T,和Ku查表求得PID参数。 控制规律 Kp T Td P 0.5Ku oo 0 PI 0.45Ku 0.83T 0 PID 0.6Ku 0.5Tu 0.125Tu 四、实验内容及步骤: 1、实验准备同实验一的实验步骤1-6。 2、置SV=40%,使用调节器手动调节MV,使PV疋40%。 3、使调节器参数Kp=Ku(某一数值,例如3),Ti=999(min),Td=0,然后切换到闭环自动控制状态,确认系统稳定运行。 4、置SV=50%,观察系统输出PV是否稳定;若稳定,则增大Kp(Ku),直至系统输出PV有轻微振荡为止。 5、记下此时的Kp(Ku)和振荡周期Tu,并按上表确定PID调节器的参数Kp、 Ti、Ti。 6、按下表调整调节器参数,观察系统运行是否稳定、有无稳态误差。 Kp Ti(min) Td(min) 1 1 0 3 0.4 0 1.5 0.2 0.2 7、确定一组最佳参数Kp、Ti、Td,然后观察系统在扰动下运行是否稳定、有无 ;误^^。 &置SV=35%,观察系统在阶跃输入下运行是否稳定、有无稳态误差。 9、切换到调节器手动状态,按实验一的实验步骤结束实验。 五、思考题: 1、能否用另外两种工程方法整定PID调节器的参数Kp、T、Td? 2、根据实验结果分析PID调节器参数Kp、T、Td对闭环系统性能的影响? 3、在系统参数Kp、Ti、Td不变的前提下,改变改变测量缸的容积(例如加水w50%),闭环系统的性能如何? 六、实验报告: 1、写出整个实验的详细过程和操作步骤。 2、根据实验结果给出PID调节器的一组最佳参数Kp、Ti、Td。 3、回答上述思考题。
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