過程控制與檢測儀表課程設計指導書杜玉曉廣東工業大學自動化學院二00六年十月1實驗項目名稱：題目一單容水箱液位定值控制系統控技術》實驗計劃學時：1周使學生針對典型的工業控制對象，實現單容水箱液位的定值控制。單容液位控制系統設計包括系統的設備選型、控制器設計(智能控制儀表/PLC)和監控界面設計，使學生初步掌握工業控制系統的設計和實現方法。了解P、PI、PD和PID四種調節器分別對液位控制的作用，了解單容液位定值控制系統的結構與組成，掌握單容液位定值控制系統調節器參數的整定和投運方法。自動控制原理、過程控制系統、MCGS、西門子200、300PLC按照實驗要求，綜合運用所學理論知識，通過查閱手冊和文獻資料，完成單容液位控制系統的綜合與設計，培養學生獨立分析問題和解決實際問題的能力。掌握自動控制系統的綜合與設計方法，熟悉控制器的結構、類型及其校正作用。(1)根據選定的典型系統類型、選擇合適的控制器型號；(2)確定控制系統控制算法以及實現方法；2(3)智能控制儀表控制設定；或者西門子PLC程序設計；四.實驗(設計)儀器設備和材料清單掛件一個、CP5611專用網卡及網線、PC/PPI通訊電纜一根。根據題目指標，實驗教師對每個指標進行現場驗收。實驗完成后，交實驗報告一份，包括計算與系統設計說明。實驗考核方法：隨堂考核試驗操作能力；評分標準：含各項目成績、參考平時成績和實驗報告成績，分為優、良、中、及格、不及格五每位同學根據自己的實驗數據和結果，根據給定的格式，獨立1、智能控制儀表PID控制設定；西門子PLCPID控制實現方2、P,PI,PID調節器的作用，及其對動態與穩態的協調控制；33、用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度與那些因素有關?4、如果采用中水箱做實驗，其響應曲線與下水箱的曲線有什么異同?并分析差異原因。4實驗項目名稱：題目二雙容水箱液位定值控制系統實驗計劃學時：1周使學生針對典型的工業控制對象，實現雙容水箱液位的定值控制。雙容液位控制系統設計包括系統的設備選型、控制器設計(智能控制儀表/PLC)和監控界面設計，使學生初步掌握工業控制系統的設計和實現方法，掌握雙容水箱液位控制系統調節器參數的整定與投運方法，掌握雙容液位定值控制系統采用不同控制方案的實現自動控制原理、過程控制系統、西門子PLC選型及應用技術、三.實驗要求和設計指標按照實驗要求，綜合運用所學理論知識，通過查閱手冊和文獻資料，完成雙容水箱液位定值控制系統的綜合與設計，培養學生獨立分析問題和解決實際問題的能力。掌握自動控制系統的綜合與設計方法，熟悉控制器的結構、類型及其校正作用。(1)根據選定的典型系統類型、選擇合適的控制器型號；(2)確定控制系統控制算法以及實現方法；5(3)編寫底層PLC控制程序；四.實驗(設計)儀器設備和材料清單掛件一個、CP5611專用網卡及網線、PC/PPI通訊電纜一根，帶有ProfibusDp擴展模塊的西門子200系列PLC一套。根據題目指標，實驗教師對每個指標進行現場驗收。實驗完成后，交實驗報告一份，包括計算與系統設計說明。實驗考核方法：隨堂考核試驗操作能力；評分標準：含各項目成績、參考平時成績和實驗報告成績，分為優、良、中、及格、不及格五每位同學根據自己的實驗數據和結果，根據給定的格式，獨立63、用響應曲線法確定對象的數學模型時，其精度與那些因素有關?4、引起雙容對象滯后的因素主要有哪些?7實驗項目名稱：題目三水箱液位串級控制系統實驗計劃學時：1周使學生針對典型的工業控制對象，實現水箱液位的串級控制。水箱液位串級控制系統設計包括系統的設備選型、控制器設計(智能控制儀表/PLC)和監控界面設計，使學生了解水箱液位串級控制系統組成原理，初步掌握工業控制系統的設計和實現方法，掌握水箱液位串級控制系統調節器參數的整定與投運方法，掌握液位串級控制系統采用不同控制方案的實現過程。自動控制原理、過程控制系統、MCGS、西門子200、300PLC三.實驗要求和設計指標按照實驗要求，綜合運用所學理論知識，通過查閱手冊和文獻資料，完成水箱液位串級控制系統的綜合與設計，培養學生獨立分析問題和解決實際問題的能力。掌握自動控制系統的綜合與設計方法，熟悉控制器的結構、類型及其校正作用。(1)根據選定的典型系統類型、選擇合適的控制器型號；(2)確定控制系統控制算法以及實現方法；8(3)智能控制儀表控制設定；或者西門子PLC程序設計；四.實驗(設計)儀器設備和材料清單實驗對象及控制屏、SA-11掛件一個、計算機一臺、萬用表一SA-12掛件一個、RS485/232轉換器一個、通訊線一根；SA-44掛件一個、CP5611專用網卡及網線、PC/PPI通訊電纜一根。根據題目指標，實驗教師對每個指標進行現場驗收。實驗完成后，交實驗報告一份，包括計算與系統設計說明。實驗考核方法：隨堂考核試驗操作能力；評分標準：含各項目成績、參考平時成績和實驗報告成績，分為優、良、中、及格、不及格五每位同學根據自己的實驗數據和結果，根據給定的格式，獨立1.串級控制原理，不同PID參數對系統動態和靜態性能的影響；2、當一次擾動作用于主對象時，試問由于副回路的存在，系統的動態性能比單回路系統的動態性能有何改進?93、改變副調節器的比例度，對串級控制系統的動態和抗擾動性4.評述串級控制系統比單回路控制系統的控制質量高的原因?實驗項目名稱：題目四單閉環流量比值控制系統實驗計劃學時：1周使學生針對典型的工業控制對象，實現單閉環流量比值控制。單閉環流量比值控制系統設計包括系統的設備選型、控制器設計(智能控制儀表/PLC)和監控界面設計，使學生了解單閉環制系統的原理與結構組成，初步掌握工業控制系統的設計和實現方法，掌握比值系數的計算方法，掌握比值控制系統的參數整定與投二、預習與參考自動控制原理、過程控制系統、西門子PLC選型及應用技術、三.實驗要求和設計指標按照實驗要求，綜合運用所學理論知識，通過查閱手冊和文獻資料，完成單閉環流量比值控制系統的綜合與設計，培養學生獨立分析問題和解決實際問題的能力。掌握自動控制系統的綜合與設計方法，熟悉控制器的結構、類型及其校正作用。(1)根據選定的典型系統類型、選擇合適的控制器型號；(2)確定控制系統控制算法以及實現方法；(3)編寫底層PLC控制程序；四.實驗(設計)儀器設備和材料清單掛件一個、CP5611專用網卡及網線、PC/PPI通訊電纜一根，帶有ProfibusDp擴展模塊的西門子200系列PLC一套。根據題目指標，實驗教師對每個指標進行現場驗收。實驗完成后，交實驗報告一份，包括計算與系統設計說明。實驗考核方法：隨堂考核試驗操作能力；評分標準：含各項目成績、參考平時成績和實驗報告成績，分為優、良、中、及格、不及格五每位同學根據自己的實驗數據和結果，根據給定的格式，獨立2.MCGS網絡配置方法，包括數字量I/O口，模擬量輸入輸出；3、如果Q?(t)是一斜坡信號，試問在這種情況下Q?與Q?能否保持原比值關系?實驗項目名稱：題目五鍋爐內膽靜(動)態水溫定值控制系統實驗計劃學時：1周使學生針對典型的工業控制對象，實現鍋爐內膽靜(動)態水溫定值控制。鍋爐內膽靜(動)態水溫定值控制系統設計包括系統的設備選型、控制器設計(智能控制儀表/PLC)和監控界面設計，使學生了解單回路溫度控制系統的組成與工作原理，了解PID參數自整定的方法及其參數整定方法，初步掌握工業控制系統的設計和實現方法，研究P、PI、PD和PID四種調節器分別對溫度系統的控自動控制原理、過程控制系統、MCGS、西門子200、300PLC三.實驗要求和設計指標按照實驗要求，綜合運用所學理論知識，通過查閱手冊和文獻資料，完成鍋爐內膽靜(動)態水溫定值控制系統的綜合與設計，培養學生獨立分析問題和解決實際問題的能力。掌握自動控制系統的綜合與設計方法，熟悉控制器的結構、類型及其校正作用。(1)根據選定的典型系統類型、選擇合適的控制器型號；(2)確定控制系統控制算法以及實現方法；(3)智能控制儀表控制設定；或者西門子PLC程序設計；四.實驗(設計)儀器設備和材料清單SA-12掛件一個、RS485/232轉換器一個、通訊線一根；S掛件一個、CP5611專用網卡及網線、PC/PPI通訊電纜一根。根據題目指標，實驗教師對每個指標進行現場驗收。實驗完成后，交實驗報告一份，包括計算與系統設計說明。實驗考核方法：隨堂考核試驗操作能力；評分標準：含各項目成績、參考平時成績和實驗報告成績，分為優、良、中、及格、不及格五每位同學根據自己的實驗數據和結果，根據給定的格式，獨立1.智能控制儀表PID控制設定；西門子PLCPID控制實現方2.P,PI,PID調節器的作用，及其對動態與穩態的協調控制；3.在溫度控制系統中，為什么用PD和PID控制，系統的性能并不比用PI控制時有明顯地改善?4.為什么內膽動態水的溫度控制比靜態水時的溫度控制更容易穩定，動態性能更好?附錄“THSA-1型過控綜合自動化控制系統實驗平臺”實驗裝置說明“THSA-1型過控綜合自動化控制系統實驗平臺”是由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監控PC機三部分組成。本裝置結合了當今工業現場過程控制的實際，是一套集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術及現場總線技術為一體的多功能實驗設備。該系統包括流量、溫度、液位、壓力滯后控制、比值控制，解耦控制等多種控制形式。本裝置還可根據用戶的需要它既可作為本科，專科，高職過程控制課程的實驗裝置，也可為教師、研究生及科研人員對復雜控制系統、先進控制系統的研究提供一個物理模擬對象和實(1)傳感器特性的認識和零點遷移；(2)自動化儀表的初步使用；(3)變頻器的基本原理和初步使用；(4)電動調節閥的調節特性和原理；(5)測定被控對象特性的方法；(6)單回路控制系統的參數整定：(7)串級控制系統的參數整定；(8)復雜控制回路系統的參數整定；(9)控制參數對控制系統的品質指標的要求：(10)控制系統的設計、計算、分析、接線、投運等綜合能力培養；(11)各種控制方案的生成過程及控制算法程序的編制方法。一路由三相(380V恒壓供水)磁力驅動泵、電動調節閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調節閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅動泵(220V變頻調速)、(一)被控對象由不銹鋼儲水箱、(上、中、下)三個串接有機玻璃水箱、4.5KW三相電(1)水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍色優質有機玻璃，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。水箱底部均接oov覆力豎動泵三閉環液位串級控制系統。儲水箱由不銹鋼板制成，能滿足上、中、下水箱的oov覆力豎動泵(2)模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層(鍋爐內膽)圖1-1實驗對象總貌圖和冷卻層(鍋爐夾套),可利用它進行溫度實驗。做溫度實驗時，冷卻層的循環水可以使加熱層的熱量快速散發，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層(3)盤管：模擬工業現場的管道輸送和滯后環節，長37米(43圈),在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數不同，在實驗過程中可根據不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內膽，也可以經過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度(4)管道及閥門：整個系統管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥(二)檢測裝置(1)壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為0～5KP,精度為0.5級。輸出：4～20mADC。(2)溫度傳感器：裝置中采用了六個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內膽、鍋爐夾套、盤管(有3個測試點)以及上水箱出口的水溫。經過調節器的溫度變送器，可將溫度信號轉換成4～20mA直流電流信號。(3)流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調節閥控制(三)執行機構(1)電動調節閥：采用智能直行程電動調節閥，用來對控制回路的流量進行調節。電源為單相220V,控制信號為4～20mADC或1～5VDC,輸出為(3)電磁閥：在本裝置中作為電動調節閥的旁路，起到階躍干擾的作用。(4)三相電加熱管：由三根1.5KW電加熱管星形連接而成，用來對鍋爐“THSA-1型過控綜合自動化控制系統實驗平臺”主要由控制屏組件、智(一)控制屏組件圖1-2為電源控制屏示意圖。合上總電源空氣開關及鑰匙開關，此時三只電壓表均指示380V左右，定時器兼報警記錄儀數顯亮，停止按鈕燈亮。此時打開照明開關、變頻器開關及24V開關電源即可提供照明燈，變頻器和24V電。按下啟動按鈕，停止按鈕燈熄，啟動按鈕燈亮，此時合上三相電源、單相I、采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型變頻器，控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC,交流220V變頻輸出用來驅動三相磁力驅動泵。(3)三相移相SCR調壓裝置、位式控制接觸器采用三相可控硅移相觸發裝置，輸入控制信號為4～20mA標準電流信號，其移相觸發角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電(二)智能儀表控制組件上位監控機上位監控機量1/0模塊觀場熱電實驗對象場楨轉換采用上海萬迅儀表有限公司生產的A1系列全通用人工智能調節儀表，儀表為PID控制型，輸出為4～20mADC信號；儀表通過RS485串口通信協議與上實驗系統包括一個CPU224主機模塊和一個EM235模擬量I/O模塊，以及一根VVVVV完葉器資母警記裝段完葉器資母警記裝段藝要恨陽要剛Ⅱ單抑1二期電而是圖1-2電源控制屏示意圖PC/PPI連接線。其中CPU224模塊帶有14點開關量輸入和10點開關量輸出，EM235模擬量擴展模塊帶有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出。圖1-7所示為上位監控機上位監控機Sm331模擬Sm332模擬量輸入模塊量輸出模塊場口圖1-7S7-200PLC控制系統框圖圖1-8S7-300PLC控制系統框圖模擬量輸出模塊，以及一塊西門子CP5611專用網卡和一根MPI網線。其中為8路模擬量輸入模塊，SM332為4路模擬量輸出模塊。圖1-8所示為S7-的MCGS組態軟件作為上位機監控組態軟件。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，可運行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作MCGS5.1為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯(二)MACS系統軟件本裝置中DCS控制方案采用了北京和利時公司的MACSⅡ系統。MACS系統給用戶提供了一個通用的系統組態和運行控制平臺，應用系統需要通過工程師站軟件組態產生，即把通用系統提供的模塊化的功能單元按一定的邏輯組合起來，形成一個能完成特定要求的應用系統。系統組態后將產生應用系統的數據庫、控制運算程序、歷史數據庫、監控流程圖以及各類生產管理報表。MACS系