1、过程控制系统实验第一部分 产品使用说明一、概述生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求的目标，在18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用以后，自动化技术时代开始了。当经过20世纪后半叶的快速发展，特别是计算机技术的广泛应用，进入21世纪的今天，自动控制的应用已相当普遍，自动化技术已成为当今举世瞩目的高技术之一，也是今后实现工业高度自动化重点发展的一个高科技领域。在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、液位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”。过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且在成
2、为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。在现代化工业生产中，过程控制技术正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效率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起越来越大的作用。二、AE2000系统介绍 AE2000型过程控制智能仪表控制实验装置是根据自动化专业及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前工业自动化现场紧密联系，采用了工业广泛上使用并处于领先的智能控制系统，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。该设备涵盖了信号和信息处理、传感技术、工程检测、模式识别、控制理论、自动化技术、智能
3、控制、过程控制、自动化仪表、计算机应用和控制、计算机控制系统等课程的教学实验与研究。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。 本实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压05V或15V，电流010m A或420mA。实验系统供电要求三相交流电：380V，外型尺寸： 重量： AE2000型过程控制实验装置集多参数闭环控制为一体，由过程控制对象、智能仪表模块、智能远程数据采集模块、执行器模块、信号检测模块等组成，各个模块间可以灵活组合，融合了工业上的主要控制手段，涉及了温度、压力、流量和液位等重要的
4、过程控制参数。一）、AE2000系统主要特点1被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。2执行器中既有电动调节阀（或气动调节阀）仪表类执行机构，又有变频器、三相SCR移相调压等电力拖动类执行器。3调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动。4一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。5某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，二者同时进行时要对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。6各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以控制。7实
5、验数据及图表在MCGS软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用了很多工业现场常用检测控制装置，仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件，基型产品控制系统既有上位监控机加智能仪表控制系统，又有上位监控机加远程数据采集计算机DDC控制系统。扩展信号接口便于控制系统二次开发。对象系统还留有扩展连接口，以便进行DCS控制，计算机DDC控制，PLC控制开发。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能够很快适应环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一
6、个高水平的学习和研究开发平台。二）、AE2000实验对象组成结构 过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱、强制对流换热系统、上下串接的有机玻璃双容上下小水箱、三相4.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成），纯滞后盘管实验装置。系统动力支路分两路组成：一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如图所示： 三）、AE2000实验对象中的各类检测变送及执行装置 AE2000实验对象检测及执行装置包括：检测装置：三个扩散硅压力液位传
7、感器分别用来检测小流量水泵管道压力、双容上小水箱、下小水箱液位。一个电磁流量、一个涡轮流量传感器分别用来检测小流量泵动力支路流量和单相格兰富水泵动力支路流量。四个Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口、纯滞后盘管出口水温。执行装置：一个三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加热管工作电压。一个电动调节阀，一个变频器。1、液位传感器使用说明工作原理：当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换器转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的420mA标准电流输
8、出信号。接线如图所示：接线说明：传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，采用两线制接法。零点和量程调整：零点和量程调整电位器位于中继箱内。校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的（Z）是调零电位器，右边的（R）是调量程电位器。2、温度传感器Pt100热电阻工作原理：接线说明：连接两端元件热电阻采用的是三线制接法。采用三线制接法是为了减少测量误差。因为在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化，为了消除连接导线阻值的变化而产生的测量误差，就采用了三线制接法。即在两端元件的两端分别引出两条导线，这两条导线（材料相同、
9、长度、粗细相等）又分别加在电桥相邻的两个桥臂上，如上图所示。3、流量计（涡轮流量计、电磁流量计）1）、涡轮流量计：00.6m3/h2)、电磁流量计：00.3 m3/h4、压力表测量范围：0.25MPa5、电动调节阀QSVP-16N智能电动单座调节阀主要技术参数：执行机构型式：智能型直行程执行机构输入信号：010mA/420mADC/05VDC/15VDC输入阻抗：250/500输出信号：420mADC输出最大负载：500断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0100%间的任意值电源：220V10%/50Hz 6、电磁阀24V直流开关电源供电，电磁阀共两种状态：上电x时电磁阀阀门开，掉电时
10、电磁阀关。7、三相可控硅移相调压:通过420mA电流控制信号控制三相380V交流电源在0380V之间根据控制电流的大小实现连续变化。四）、AE2000实验对象控制台仪表控制台面板由三部分组成：（1）电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电流型漏电保护器。（2）仪表及远程数据采集模块面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、3块远程数据采集模块面板组成，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。（3）I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，
11、进行几十种过程控制实验。1、电源控制屏如图所示，电源控制屏带有总电源漏电保护器，三相电源开关，单相电源开关，三相电源指示灯、三相电压指示表，三相电源保险丝座，照明开关，启动、停止按钮，三相电源输出，单相电源输出。A、电源控制屏为实验提供：三相380V交流电源。单相220V交流电源。B、电源控制屏的启动:关闭所有的电源开关。接好机壳的接地线，插好三相四芯电缆线插头，接通三相380V、50Hz的交流市电。开启总电源三相漏电保护器开关，三只黄、绿、红三相电源接通指示灯亮表示三相电源已经接通。开启总电源钥匙开关，红色按钮灯亮（即 “停止” 按钮的红色指示灯亮）。按下“启动”按钮，红色指示灯灭，绿色指示
12、灯亮，同时可听到屏内交流接触器瞬间吸合声，电源输出到四个空气开关，此时屏上还是没有电压输出。打开三相电源空气开关，三相电源输出（380V/10A）有电压输出，打开单相空气开关单相（220V/5A）有电压输出，打开单相空气开关单相（220V/5A）有电压输出，打开单相空气开关单相（220V/5A）有电压输出，电源控制屏启动完毕。（5） 实验完毕，按下“停止”按钮，绿色指示灯灭，红色指示灯亮，然后关闭三相电源钥匙，红色指示灯灭，最后再检查一下各开关是否都恢复到“关”的位置。（6） 三相电源主电路中设有10A带灯熔断器，熔断器指示灯亮，表明缺相，要2更换熔管，同时要检查一下问题所在，控制回路（接触器
13、控制回路，日光灯照明电路，控制屏内外漏电保护装置供电电路）设有2A熔断器，如控制回路失灵，检查熔管是否完好及故障所在。2、I/O信号接口面板该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行实验。如图所示。可分为八大模块，从左往右依次是： 1）、DCSFM151模拟量输出接口：共8路模拟量信号输出，控制执行器。2）、三相SCR移相调压装置：三相电加热管0380V连续可调交流电压提供装置，可调电压由420mA控制输出。电动调节阀：三相SCR移相调压装置三相电源输入端（1U、1V、1W、N）接电源控制屏三相
14、电源输出（380V/10A）的（1U、1V、1W、N）端，为移相调压装置提供电源。三相SCR移相调压装置的三相调压输出端（U2、V2、W2、N）接三相电加热管输入端接线座（U2、V2、W2、N ）。移相调压输入（420mA）控制信号+端接调节器输出的（420mA）控制信号+端，移相调压输入（420mA）控制信号-端接调节器输出的（420mA）控制信号-端。由输出的电流控制信号控制调压输出，达到对温度的连续控制。三个10A的熔断器作为过流保护。3）、电动调节阀：电动调节阀直接接2200V交流电源，由电源开关控制电源的通断，控制信号420mA电流输入+端接调节器输出的（420mA）控制信号+端，控
15、制信号420mA电流输入-端接调节器输出的（420mA）控制信号-端。4）、铂电阻：提供锅炉内胆、锅炉夹套，强制对流换热系统的冷水和热水温度信号。温度范围为（0100）。5）、温度变送器：为各个电流信号转化成（15V、0.21V等）标准电压信号提供转化电路。（通过钮子开关切换可得到50欧姆或250欧姆电路，钮子开关打到ON为250欧姆，打到OFF为50欧姆）。6）、压力变送器：引出上水箱液位，下水箱液位（15V或0.21V）和小流量管压力的标准电压信号和各路的钮子开关打到ON为（15V），打到OFF为（0.21V）。7）、流量变送器：流量变送器可分涡轮流量计和电磁流量计。齿轮泵流量输出电磁流量
16、计流量为（05V）电压信号，分别为+，-两端输出。面板上需提供220V交流工作电源给电磁流量计，接220V输入的（L、N）两端，用单相（220V/5A）220V交流电源、或单相（220V/5A）220V交流电源、或单相（220V/5A）220V交流电源都可。丹麦泵流量输出涡轮流量计的（15V或0.21V）电压信号，分别为+，-两端输出。钮子开关打到ON为（15V），打到OFF为（0.21V）。涡轮流量计工作时需提供24V直流工作电源（24V（+）、COM-）分别接开关电源的（24V+、24V-）。8）、24V开关电源： 提供24V，正常供电时电压指示灯亮。3、变频器 如图所示，变频器型号为三菱
17、FR-S520S-0.4K型变频调速器，具体使用说明、参数设置及操作请详见随附的产品使用手册。A 面板接线端子功能说明：为了保护变频器各接线端子不因实验时经常的装拆线而损坏或丢失，故将其常用的端子引到面板上。U1、V1、W1：变频器的三个输出端，（连接三相水泵电动机的接线端U1、V1、W1）。控制信号输入：可输入外部05V电压，或420mA电流控制信号。STF、STR：电机的正、反转控制端，SD与STF相连为正转，SD与STR相连时为反转。B 本装置中变频器使用说明：本装置中使用变频器时，主要有两种输出方式：一种是直接调面板旋钮输出频率，另一种是用外部输入控制信号使变频器输出频率。两种输出方式
18、具体接线方法如下：变频器面板旋钮输出接线方法：SD与STF（或STR）短接，变频器输出端子U1、V1、W1依次接I/O信号接口面板上的三相水泵电动机的U1、V1、W1，打开变频器的电源开关即可输出，三位红色数码管显示当时输出的频率大小。当需要改变输出频率时，旋动面板上的旋钮，顺时针旋可增大输出频率，逆时针旋可减小输出频率。待旋至所需要的频率时，按变频器上白色的SET键，即可完成面板旋钮改变输出频率。变频器外部控制信号控制输出接线方法：SD与STF（或STR）、RH两端都短接，在控制信号输入端接入控制信号（正极、负极应对应，不能接错）打开变频器的电源开关即可输出。通过改变控制信号的大小来改变输出
19、的频率。*注：附FR-S520S-0.4K-CH三菱变频调速器使用手册（基本篇）4、远程数据采集模块ICP-7017、ICP-7024、ICP-7033 ICP-7017:8通道模拟量输入模块。面板如图所示，亚当ICP-7017模块24V供电，提供了4通道的输入端口， A/I0，A/I1A/I2， A/I3 。 型号 功能 I-7107 模拟量输入分辨率16bit输入通道8路差动采样率10Hz电压输入+/-150mV+/-500mV+/-1mV+/-5V+/-10V电流输入+/-20mA每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流，支持485通讯。ICP-7024：4通道模拟量输出模块。面板如
20、图所示，亚当ICP-7024模块24V供电，提供了4通道的输出端口， A/00，A/01A/02， A/03 。 型号 功能 I-7024 模拟量输出分辨率14bit输出通道4路差动电压输出+/-10V+/-5V010V05V电流输出020mA420mA每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持485通讯。ICP-7033：3路热电阻输入模块。面板如图所示，亚当ICP-7033模块24V供电，提供了3路热电阻输入通道， E1，E2， E3 。 型号 功能 I-7033热电阻输入分辨率16bit输入通道3路差动采样率15Hz传感器输入PtNi-TRD4位LED显示有ICP-7033：3通
21、道RTD输入，支持485通讯。5、智能调节仪AI818A如图所示 智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A，具备AI708A的全部功能特点外，还具备外给定、手动/自动切换操作、手动整定及显示输出值等功 能。具备能直接控制阀门的位置比例输出（伺服放大器）功能，也可独立做手动操作器或伺服放大器用，此外还具备可控硅移相触发输出功能，可节省可控硅移相触发器，能精确控制温度、压力、流量、液位等各种物理量。面板接线端子功能说明：1、2端子：1-5V，0-5V信号输入端。2、3、4端子：2、3为0.2-1V信号输入端（注：0.2-1V信号必须从2、3端子输入）；2、3、4为热电阻，热电偶信号等输入端
22、。RSV（I/V转换）：将测量或外部输入电流信号转换为电压信号后输入到1、2端。 7、8：测量或控制电流输出端。9、10：220V交流供电电源输入端。RS485通讯口：与上位机通讯接口。智能调节仪使用参数设置：比例带参数M5：调整比例带参数。积分时间参数P：调整积分时间参数。微分时间参数T：调整微分时间参数。控制方式（CTRL）：CTRL=0，采用位式调节（ON-OFF），只适合要求不高的场合进行控制时采用。 CTRL=1，采用AI人工智能调节/PID调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。 CTRL=2，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置为3或4。 CTRL=3，采用AI人工智
23、能调节，自整定结束后，仪表自动进入该设置，该设置下不允许从面板启动自整定参数功能。以防止误操作重复启动自整定。 CTRL=4，该方式下与CTRL=3时基本相同，但其P参数定义为原来的10倍，即在CTRL=3时，P=5，则CTRL=4时，设置P=50时二者有相同的控制效果。对极快速变化的温度（每秒变化200以上），或快速变化的压力、流量的控制，还有变频调速器控制水压等控制场合，在CTRL=1、至要小于1才能满足控制要求，此时如果设置CTRL=4，则可将P3时，其P值都很小，有时甚参数放大10倍，获得更精细的控制。 CTRL=5，将测量值直接作为输出值输出。输入规格：根据实际所测的信号不同，sn=
24、037之间选择Sn输入规格Sn输入规格0K1S2R3T4E5J6B7N8-9备用10用户指定的扩充输入规格11-19备用20Cu5021Pt10022-25备用260-80欧电阻输入270-400欧电阻输入280-20mV电压输入290-100mV电压输入300-60mV电压输入310-1V（0-500mV）320.2-1V(100-500Mv)331-5V电压输入340-5V电压输入35-20-+20mV（0-10V）36-100-+100mV（2-10V）37-5V-+5V（0-50V）小数点位置DIP：例：DIP=1 小数点在十位。输入下限显示值DIL：用于定义线性输入信号下限刻度值，对
25、外给定、变送输出、光柱显示均有效。例：大水箱液位传感器检测范围为080cm，则DIL=0，DIP=1输入上限显示值DIH：用于定义线性输入信号上限刻度值，与DIL配合使用。例：大水箱液位传感器检测范围为080cm，则DIH=80，DIP=1输出方式OP1：OP1=4，4-20mA线性电流输出。输出下限值OPL：OPL=0 调节器输出最小值输出上限值OPH：OPH=100 调节器输出最大值。系统功能选择CF：CF=0 调节器为反作用；CF=1 调节器为正作用通讯地址ADDR：ADDR=0-100 有效，作为辅助模块用于测量值变送输出时，ADDR及BAUD定义对应测量值变送输出的线性电流大小，其中
26、ADDR表示输出下限，BAUD表示输出上限。单位为0.1mA。通讯波特率BAUD：BAUD=300-19200bit/s (19.2K)运行状态RUN：RUN=1，表示自动运行状态（在作为调节仪时表示自动调节状态）；RUN=0，表示停止状态（作为调节仪时表示手动调节状态）。其他参数设置请查阅随附的AI全通用人工智能调节器使用说明书。六）、AE2000实验系统上位监控PC机过程控制实验装置成套系统配置一台上位监控PC机，PC机安装有北京昆仑通态公司的MCGS监控组态软件，通过RS232/485转换装置同仪表控制台侧部的RS485串行接口同所有的仪表及远程数据采集模块进行通讯。学生可对下位仪表各参
27、数进行设定、修改PID控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值、各实验都设有动态流程图、及被测参数动态显示及变化棒图显示系统流程图。七）、AE2000监控软件MCGS工控组态软件MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系统。MCGS5.1为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动
28、画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS5.1，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS5.1具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。于国内外同类产品相比，MCGS5.1组态软件具有如下特点： 全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，支持多任务、多线程，可运行于Microsoft Windows 95
29、/98/NT/2000等操作系统。 庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，让您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。 全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、多行文本、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。 简单易学的Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。 强大的数据处理功能，能够对工业现场产生
30、的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS5.1还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。 强大的网络功能，支持TCP/IP、Moden、485/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS5.1组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。八）、AE2000装置的安全保护体系 三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和三个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表，三相带灯熔断器作为断相指示。 控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。 各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。 实验强电系统采用用钥匙开关控制，便于管理防止触电事故的发生。 强弱电连线插头采用不同的结构插头，防止强弱电混接。
