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过程控制综合实习
过程控制综合实习
一.实习目的
主要是基于最新购进的过程控制系统实验装置上,借助数字控制仪表,可编程控制器PLC和HMI组态软件PROTOOL,MCGS对其单容液位对象,多容液位对象,温度对象和流量对象等进行全程监控。
实习过程中要理论联系实际结合以往学过的课程理论,如《过程控制系统》《过程控制仪表》《PLC应用技术》,重点强化培养解决实际问题的能力,实践能力和动手能力。
二.实习设备
1.THKGK-1型过程控制实验装置:
GK-02GK-03GK-04GK-07
2.万用表一只
3.计算机及上位机软件
4.螺丝刀一把
三.实习内容
1.测量变送器的输入/输出特性。
1)实习装置的结构框图
2)设备组装与检查:
a)将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。
并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。
b)先打开空气开关再打开钥匙开关,此时停止按钮红灯亮。
c)按下起动按钮,此时交流电压表指示为220V,所有的三芯蓝插座得电。
d)关闭各个挂件的电源进行连线。
3)系统接线:
a)交流支路1:
将GK-04PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置,并将其“输出”接GK-07变频器的“2”与“5”两端(注意:
2正、5负),GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端;GK-07的“SD”与“STR”短接,使电机驱动磁力泵打水(若此时电机为反转,则“SD”与“STF”短接)。
b)交流支路2:
将GK-04PID调节器的给定“输出”端接到GK-07变频器的“2”与“5”两端(注意:
2正、5负);将GK-07变频器的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U2、V2、W2”输入端;GK-07的“SD”与“STR”短接,使电机正转打水(若此时电机为反转,则“SD”与“STF”短接)。
4)仪表调整:
(仪表的零位与增益调节)
在GK-02挂件上面有四组传感器检测信号输出:
LT1、PT、LT2、FT(输出标准DC0~5V),它们旁边分别设有数字显示器,以显示相应水位高度、压力、流量的值。
对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器,当拧开其右边的盖子时,它里面有两个3296型电位器,这两个电位器用于调节传感器的零点和增益的大小。
(标有ZERO的是调零电位器,标有SPAN的是调增益电位器)
5)调试步骤如下:
a)首先我们在水箱没水时调节零位电位器,使其输出显示数值为零。
b)用交流支路1打水(也可以用交流支路2打水):
打开阀1、阀3、阀4,关闭阀5、阀6、阀7,然后开启GK-07变频器及GK-04给定启动三相磁力泵给上、下水箱打水,使其液面均上升至10cm高度后停止打水。
c)看各自表头显示数值是否与实际水箱液位高度相同,如果不相同则要调节增益电位器使其输出大小与实际水箱液位的高度相同,同法调节上、下水箱压力变送器的零位和增益。
d)按上述方法对压力变送器进行零点和增益的调节,如果一次不够可以多调节几次,使得实验效果更佳。
6)测量变送器输入/输出特性
万用变测量输出电压,记录数据绘制曲线
输入(cm)
10.00
8.97
7.99
7.01
6.00
输出(v)
2.86
2.48
2.21
1.91
1.61
2.建立被控对象的数学模型。
1)实习目的
a)了解单容水箱的自衡特性。
b)掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
c)实测单容水箱液位的阶跃响应曲线,用相关的方法分别确定它们的参数。
2)实习原理
阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下,待工况稳定后,通过调节器手动改变对象的输入信号(阶跃信号)。
同时,记录对象的输出数据和阶跃响应曲线,然后根据给定对象模型的结构形式,对实验数据进行合理的处理,确定模型中的相关参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法,不同的模型结构,有不同的图解方法。
单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述,且用下述方法求取对象的特征参数。
单容水箱液位开环控制结构图如图4-2所示:
图4-2、单容水箱液位开环控制结构图
设水箱的进水量为Q1,出水量为Q2,水箱的液面高度为h,出水阀V2固定于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系,求得:
在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得:
式中,T=R2*C为水箱的时间常数(注意:
阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数),K=R2为过程的放大倍数,也是阀V2的液阻,C为水箱的底面积。
令输入流量Q1(S)=RO/S,RO为常量,则输出液位的高度为:
2-2
2-3
2-4
式(2-3)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图2-2所示。
由式(2-4)可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间,就是水箱的时间常数T。
该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。
其理论依据是:
上式表示h(t)若以在原点时的速度h(∞)/T恒速变化,即只要花T秒时间就可达到稳态值h(∞)。
式(2-2)中的K值由下式求取:
K=h(∞)/R0=输入稳态值/阶跃输入
3)实习内容与步骤
a)对上、下水箱液位传感器进行零点与增益的调整。
b)按照图2-1的结构框图,完成系统的接线(接线参照实验1),并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置,此时系统处于开环状态。
c)将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别与GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”相连;用配套RS232通讯线将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接;打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测;然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。
d)利用PID调节器的手动旋钮调节输出,将被控参数液位控制在2cm左右。
e)观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡,记录此时调节器手动输出值VO以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值
f)迅速增调“手动调节”电位器,使PID的输出突加10%,利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线,并根据所得曲线填写下表。
T(min)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
LT1读数
(cm)
0
0.43
0.88
1.26
1.58
1.86
2.1
2.32
2.53
2.67
2.79
T(min)
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
10.5
LT1读数
(cm)
2.91
2.98
3.05
3.1
3.14
3.16
3.16
3.16
3.16
3.16
3.16
K=0.30
T=2.81
τ=0.34
3.PLC控制系统的应用。
1)实习目的
a)了解S7-200PLC可编程控制器的结构与功能。
b)熟悉Step-7-micro/Win32编程软件、PROTOOL或MCGS组态软件的使用
c)掌握S7-200PLC程序下载方法。
2)实习要求
可编程控制器(PLC)是当代工业自动化的主导产品之一,它是一种工业专用计算机。
由于这种工业计算机采用面向用户的指令,因而编程方便。
它不仅能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作”,而且具有“数字量或模拟量输入/输出控制”的能力。
它还容易与“工业控制系统联成一体”,易于扩充。
由于PLC具有极强的控制功能,因而在过程控制中得到了广泛的应用。
组态软件PROTOOL和MCGS是当前生成控制系统HMI的流行软件,它与PLC结合起来可以提高控制功能,改善控制品质和操作质量。
该任务要求任选对象(温度,液位,流量)实施闭环控制,用S7-200PID指令作为控制器,PROTOOL或MCGS组态软件作为HMI生成工具,能够实现手/自动转换,HMI上面可以修改PID参数,设定值输入,PV,MV和SV的文本显示和趋势曲线显示。
具体任务包括PLC程序设计,组态软件程序设计,程序调试,系统参数整定等,并提交程序清单和图形样本。
3)实习步骤(以单回路水位控制系统为例)
a)熟悉PLC及演示软件的操作(PLC的使用及实验操作步骤详见THKGK-1型过程控制实验装置使用说明中的GK-08的使用说明)。
b)设计一个单回路水位控制系统:
PLC起调节器的功能,一方面它可与差压传感器相连,获取输入信号,比较测量水位值和设定值,得到偏差,通过对偏差的处理获得控制信号;PLC输出信号直接控制电机转速,从而达到控制水位的目的。
另一方面它又与计算机通讯,实现计算机的监控(注意:
PLC的程序必须由上位机下载,设定值、PID参数也通过上位机 软件PROTOOL-CS设定)。
c)
1.按图4-1所示组成一个单回路上水箱或下水箱(虚线部分)的水位控制系统。
图
4图4-1、PLC控制系统结构图
2.按装置使用说明中的要求,对上下水箱的液位传感器进行零位与增益的调整。
3.用CP5611自带电缆线连接RS485通信口与CP5611卡。
4.打开GK-08的电源开关,并将PLC置于STOP工作方式,下载程序,然后将PLC置于RUN工作方式。
5.按不同的控制方式设定相应的控制参数KC、TI、TD。
6.在参数设定后,用鼠标向上拉动设定值键至所需的控制值(即设定水箱水位的高度),再点击自动进入自动运行状态。
在实时液位曲线显示区将有三条不同颜色曲线显示这三个变量的动态值。
7.待被控水箱水位趋于稳定后加入一定的正(或负)阶跃信号(即向上或向下拉动设定键至某值),观察与记录输出值与采样值的变化规律,记录一条完整的过渡过程曲线。
记录表格自拟。
PID程序
//主程序
LDSM0.1
CALLPIDSBR0
CALLPIDSBR1
//PID回路表初始化子程序PIDSBR0
LDSM0.0
MOVR0.5,VD204
MOVR1.5,VD212
MOVR0.2,VD216
MOVR0.1,VD220
MOVR0.0,VD224
//初始化子程序PIDSBR1
LDSM0.0
MOVB200,SMB34
ATCHPIDINT,10
ENI
//中断程序PIDINT
LDSM0.0
ITDAIW2,AC0
DTRAC0,AC0
/R32000.0,AC0
MOVRAC0,VD200
LDI0.4
PIDVB200,0
LDSM0.0
MOVRVD208,AC0
*R32000.0,AC0
ROUNDAC0,AC0
DTIAC0,AC0
MOVWAC0,AQW0
4.MCGS监控画面的建立。
MCGS嵌入版与S7-200PLC通讯时,需要使用提供的驱动通讯构件(简称驱动构件)。
本章将介绍S7-200PPI驱动构件的基本使用。
驱动构件添加
1)在工作台中激活“设备窗口”页面,并双击进入设备窗口的“设备组态”画面,然后点击工具条中的,打开“设备工具箱”,查看“设备工具箱”中有无“通用串口父设备”和“西门子_S7200PPI”,全部含有,直接跳到下面的2);如果全部没有或者没有其中的一个,请点击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮,打开“设备管理”窗口,在左侧的“可选设备”栏中,分别找到相应的“通用串口父设备”和(或)“西门子_S7200PPI”构件,双击或者点击增加按钮添加到“选定设备”栏中,然后点击“确认”按钮,即可完成设备构件的添加。
2)依次添加父设备和子设备:
完成驱动构件的选定后,“设备工具箱”中则会出现已经添加的设备驱动构件,此时可以依次双击“通用串口父设备”和“西门子_S7200PPI”,将其添加到“设备组态:
设备窗口”中供工程实际使用。
当添加“西门子_S7200PPI”会弹出一个提示框(下图)
点击“是”,即可,最终的效果见下图:
基本参数设置
完成驱动构件添加后,需要根据实际情况进行父设备(“通用串口父设备”)和子设备(“西门子_S7200PPI”)参数的设置。
现分别说明如下:
1)设置父设备参数:
双击“设备组态:
设备窗口”中添加好的“通用串口父设备0”,根据实际所连接设备所约定的串口通讯波特率、数据位、奇偶校验位等参数,对父设备进行设置。
在“通用串口父设备”的基本属性页中,设置了串口通讯参数,包括串口端口号、通讯波特率、数据位位数、停止位位数、数据校验方式等,具体设置参数项如下:
设置项
参数项
默认值
串口端口号
1~254
COM2串口
通讯波特率
9600,19200,38400等
9600波特率
数据位位数
7、8
8位
停止位位数
1、1.5、2
1位
奇偶校验位
无校验、奇校验、偶校验、
标志位、空格位
偶校验
6.8版本一般不需要进入内部属性,即可进行通道添加。
对6.8以前的版本,选中设备属性值一列的“设置设备内部属性”,并点击…打开设备驱动的内部属性页“西门子_S7200PPI通道属性设置”对话框。
驱动默认添加了只读I000.0-只读I000.7共8个只读通道,此时,可利用右侧按钮进行通道的添加和删除操作。
当点击“增加通道”按钮,同弹出“增加通道”对话框:
此时可根据需要进行相应寄存器地址通道的添加。
例如:
要添加V寄存器的0-8共连续8个16进制有符号(INT型),要求可读可写,则寄存器类型选择“V寄存器”,数据类型选择“16位有符号二进制”,寄存器地址为0,通道数量为8,操作方式选择“读写”,然后点击“确认”按钮,即完成通道的添加,添加及添加完成后的内部属性通道如下图示:
运用MCGS组态软件建立工程
建立MCGS新工程如果您已在您的计算机上安装了“MCGS组态软件”,在Windows桌面上,会有“Mcgs组态环境”与“Mcgs运行环境”图标。
鼠标双击“Mcgs组态环境”图标,进入MCGS组态环境。
在菜单“文件”中选择“新建工程”菜单项,如果MCGS安装在D:
根目录下,则会在D:
\MCGS\WORK\下自动生成新建工程,默认的工程名为新建工程X.MCG(X表示新建工程的顺序号,如:
0、1、2等)。
如下图:
您可以在菜单“文件”中选择“工程另存为”选项,把新建工程存为:
D:
\MCGS\WORK\水位控制系统。
建立新画面
在MCGS组态平台上,单击“用户窗口”,在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮,则产生新“窗口0”,即:
选中“窗口0”,单击“窗口属性”,进入“用户窗口属性设置”,将“窗口名称”改为:
水位控制;将“窗口标题”改为:
水位控制;在“窗口位置”中选中“最大化显示”,其它不变,单击“确认”。
选中刚创建的“水位控制”用户窗口,单击“动画组态”,进入动画制作窗口。
工程效果图
四.实习心得
经过这次的实习,我个人得到了不少的收获,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了实验操作能力。
现在我总结了以下的体会和经验。
这次的实验跟我们以前做的实验不同,因为我觉得这次我是真真正正的自己亲自去完成。
所以是我觉得这次实验最宝贵,最深刻的。
就是实验的过程全是我们学生自己动手来完成的,这样,我们就必须要弄懂实验的原理。
在这里我深深体会到哲学上理论对实践的指导作用:
弄懂实验原理,而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手,亲自开动脑筋,亲自去请教别人才能得到提高的。
经过了两周的课程设计,我们了解了通过对液位这个经典控制参数进行检测和控制,把计算机和PLC技术相结合,实现对单容水箱的液位控制,利用MCGS组态软件实现的人机界面友好和串级控制系统的大致应用。
在设计过程中,遇到了很多困难,随着困难的一步步解决,我们学到的知识也越来越多,大大的增加了我们的动手能力,使我们学到的知识有了一个质的提高。
在此,非常感谢指导我们的戴老师,在你的悉心指导下,我们才有了现在的收获。
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