1、過程控制技術與系統實 驗 指 導 書過程控制系統組 編華北電力大學前 言1 實驗總體目標通過實驗，鞏固掌握課程的講授內容，使學生對過程控制系統的基本理論及分析方法有一個感性認識和更好地理解，使學生在分析問題與解決問題的能力及實踐技能方面有所提高。2 適用專業自動化、測控、集控專業本科生3 所修課程過程控制技術與系統 或 熱工控制系統4 實驗課時分配實驗項目學時實驗一 上水箱動態特性測試實驗2實驗二 上水箱水位控制系統實驗2實驗三 上下水箱液位串級控制系統實驗2 實驗環境PCS-B過程控制系統 實驗總體要求1、掌握對象動態特性測量方法；2、掌握單回路控制系統原理和參數整定方法； 3、掌握串級控制

2、系統原理和參數整定方法。 本實驗的重點、難點及教學方法建議實驗通過對控制系統的基本理論和方法有一個感性認識和更好地理解。實驗的重點及難點是：對象動態特性測量基本方法；單回路控制系統投運和參數整定方法；串級控制系統投運和參數整定方法。目錄實驗一 上水箱動態特性測試實驗 3實驗二 上水箱液位控制系統實驗 6實驗三 上下水箱液位串級控制系統實驗 11附錄一 硬件介紹 16附錄二 軟件使用說明 34附件三 實驗報告格式要求 40實驗一 上水箱動態特性測試實驗一、實驗目的1、被控對象動態特性測試；2、學習和了解DCS系統的原理及它在過程控制中的應用。二、實驗類型綜合型三、實驗裝置1、DCS過程控制實驗裝

3、置（其中使用：電動調節閥、上水箱及液位變送器、儲水箱、增壓泵等），液位變送器的量程一般在出廠前已調試好。2、DCS控制機柜3、安裝有組態及監控軟件的計算機上水箱動態特性測試實驗系統見圖1-1增壓泵DCSHT上水箱下水箱電動調節閥1V11V10V4V5儲水箱 圖11 上水箱單容特性測試實驗流程圖四、實驗步驟1、將過程控制綜合實驗裝置的手動閥門1V1、V4打開， 1V2、1V3、1V7關閉。2、確認實驗裝置和控制機柜電源正常。3、點擊主界面上方的“單容水箱特性”按鈕進入單容水箱特性實驗界面。圖1-2 實驗系統主界面4、點擊“開始實驗”按鈕，確認增壓泵啟動正常，調節閥開度為5%。5、設置閥門開度值（

4、點擊設置按鈕，在彈出的對話框中輸入閥門開度，以0100百分數表示），使上水箱水位穩定后。在改變閥門開度（階躍信號不要太大，估計上水箱水不要溢出），觀察計算機上的實時曲線和歷史曲線，直至達到新的平衡為止。（調節閥開度超過30%會導致水位高出溢流管而使實驗失敗，所以閥門開度應在30%以內）。圖1-3 單容水箱特性實驗控制界面6、將閥門開度設置回原來的值，記錄一條液位下降的曲線。7、點擊“結束實驗”按鈕結束本次實驗。8、曲線的分析處理，對實驗的記錄曲線分別進行分析和處理，得出K、T、并根據K、T、值寫出廣義的傳遞函數。實驗二 上水箱液位控制系統實驗一、實驗目的1、了解簡單過程控制系統的構成。 2、掌

5、握簡單過程控制的原理。3、掌握簡單控制系統的PID參數調整及參數對被控對象的影響。二、實驗類型綜合型三、實驗裝置1、PCS過程控制實驗裝置（其中使用：電動調節閥、增壓泵、上水箱及液位變送器等），液位變送器的量程與零點一般在出廠之前已調試好。 2、DCS控制機柜一套。 3、計算機一臺。 上水箱水位控制系統圖見圖2-1 增壓泵DCS HT上水箱下水箱電動調節閥1V1V4V5儲水箱圖21 上水箱水位控制實驗裝置四、實驗原理本實驗采用DCS進行單容水箱液位控制,將水箱液位控制在設定高度。上水箱液位信號通過DCS的I/O模塊輸出給控制器PM860, 控制器根據偏差進行PID運算控制，其輸出信號再通過DC

6、S的I/O模塊輸出給電動調節閥，然后由電動調節閥控制水流量，從而達到控制液位的目的。其液位控制的方塊原理圖如圖22。擾動_e設定值+DCS 調節閥y上水箱液位變送器圖22 控制原理圖五、實驗步驟 1、將手動閥門1V1、V4、V5打開， 1V2、1V3、1V7關閉。2、先打開實驗對象的系統電源，然后DCS控制單元電源。3、打開計算機上的DCS過程控制實驗系統運行環境，點擊主畫面上的“單容水箱液位控制”按鈕，進入單容水箱液位控制畫面。 圖23 實驗界面主系統圖圖24 單容水箱液位控制實驗界面4、點擊“開始實驗”，確認手動閥門正常。手動設置調節閥使水位保持在一個較穩定的值。5、設定PID參數，投入自

7、動控制。確認自動控制按鈕變紅。點擊“水位設定”出現圖2-5：6、設定水位值，使系統輸入一個幅值適度（100以內）的擾動信號，觀察PID輸出與上水箱液位的實時曲線。圖2-5 水位設定界面 7、點擊“設置參數”按鈕，出現PID參數修改畫面，修改P、I、D參數值。然后再投入自動運行狀態，觀察實時曲線，了解PID調節的特性。圖26 修改PID參數界面 8、點擊歷史趨勢按鈕查看被控量的歷史趨勢。 9、實驗完畢，點擊結束實驗按鈕結束實驗。 六、實驗思考實驗中，學生選擇不同的P、I、D參數進行P調節、PI調節、PID調節實驗，尋找最佳控制調節方法及參數,思考P、PI、PID規律的特點，總結不同的調節過程特性

8、，得出控制性能的結論。實驗三 上下水箱液位串級控制系統實驗一、實驗目的1、了解復雜過程控制系統的構成。 2、掌握復雜過程控制一串級控制方法。3掌握串級控制參數整定方法。二、實驗類型綜合型三、實驗裝置1PCS過程控制實驗裝置見圖31，其中使用：電動調節閥、上下水箱及液位變送器、增壓泵系統等。2、DCS控制機柜一套。 3、計算機一臺。增壓泵DCS器HTHT上水箱下水箱電動閥1V1V4V61V10儲水箱V5圖31 系統示意圖 四、實驗原理上下水箱雙容液位串級控制的方塊原理圖如圖32，本實驗將下水箱液位控制在設定高度。串級回路是由內反饋組成的雙環控制系統，屬于復雜控制范疇。在實驗中使用了兩個調節器作為

9、主副調節器。將上水箱的液位信號輸出作為主調節器輸入，主調節器的輸出作為副調節器的輸入，在串級控制系統中，兩個調節器任務不同，因此要選擇調節器的不同調節規律進行控制，副調節器主要任務是快速動作，迅速抵制進入副回路的擾動，至于副回路的調節不要求一定是無靜差。主調節器的任務是準確保持下水箱液位在設定值，因此，主調節器采用PI調節器也可考慮采用PID調節器。圖32 串級控制框圖串級控制系統的參數整定 . 兩步整定法 第一步整定副回路的副控制器；第二步整定主回路的主控制器。a. 在系統工作狀況穩定，主、副回路主控制器在純比例作用的條件下，將主控制器的比例帶取100，再逐漸降低副控制器的比例帶，用整定單回

10、路的方法來整定副回路。如用4：1衰減法來整定副回路，則求出副參數在4：1衰減時的副控制器比例帶2S和操作周期T2S。b.使副控制比例帶置于1S的數值上，逐漸降低主控制器的比例帶1S，求出同樣衰減比時主回路的過渡過程曲線，記錄此時主控制器的比例帶1S和操作周期T1S。c.將上述步驟中求出的1S、T1S、2S、T2S按所用的4：1衰減曲線的整定方法，求出主、副控制器的整定參數。d.按照“先副后主，先比例次積分后微分”的原則，將計算機得出的控制器參數置于各種控制器之上。e.加干擾實驗，觀察過程參數值，直至記錄曲線符合要求為止。一步整定法：a.先穩定工作狀況，系統在純比例運行條件下，按下列“一步法比例

11、帶經驗值表”所列數值，將副控制器調節到適當的經驗值上。 一步法比例帶經驗值表副參數比例帶2放大倍數KC2溫度 2060 51.7壓力 3070 31.4流量 4080 2.51.25液位 2080 51.25b.利用單回路控制系統的任意一種參數整定方法來整定主調節器參數.c.加干擾試驗,觀察過渡過程曲線,根據KC1、KC2相匹配的原理,適當調整控制參數,使主參數控制精度最好。d.如果出現振蕩現象時,只要加大主副控制器的任意一個比例帶,即可消除振蕩。 五、實驗步驟 1、將手動閥門1V1、V4、V5打開， 1V2、1V3、1V7關閉。2、先打開實驗對象的系統電源，然后DCS控制單元電源。3、打開計

12、算機上的DCS過程控制實驗系統運行環境，點擊主畫面上的“液位串級控制”按鈕，進入雙容水箱液位串級控制實驗畫面。圖33 實驗界面系統總圖 圖34 串級實驗界面4、點擊“開始實驗”，按照提示確認手動閥門正常。在畫面上點擊手動開閥按鈕，手動設置調節閥使上水箱水位保持在一個較穩定的值。5、設定副調PID參數，投入副調自動，使上水箱水位保持穩定。6、設定主調PID參數，投入主調自動，觀察下水箱液位實時曲線。7、待系統穩定后，按主調設置按鈕，改變給定值，觀察其液位變化曲線。8、改變PID參數，修改主副調P、I、D值，觀察實時曲線，了解串級控制特性。 圖35 PID參數修改界面9、修改主、副調PID參數，投

13、入主調自動，觀察串級控制的效果10、點擊串級控制實驗界面的擾動按鈕，根據提示分別加入內擾動和外擾動，觀察控制效果。11、實驗完畢，點擊結束實驗按鈕。六、實驗建議調節器的PID參數可以反復湊試，逐步逼近達到最佳的整定，實際中，采用串級調節系統是為了提高主被調量（下水箱）精度和改善動態特性而設置的，因此對副調回路的質量指標沒有要求。而對主回路的質量指標要求高。犧牲副回路的質量，保證主回路的調節質量。所以副調節器比例作用強一些，取消積分作用，主調節器設置P、I、D參數即可。七、 實驗思考比較串級控制與單容水箱液位控制區別和控制的難易度，為什么？復雜控制系統的優點在那里？42附錄一 硬件介紹1系統構成

14、過程控制實驗裝置由一套PCS-B型過程控制綜合實驗裝置、一個PCS控制柜、一個工程師站和三個操作員站構成。能夠在該實驗裝置上進行單回路、串級等實驗。系統結構圖如下圖所示。工程師站操作員站1操作員站2操作員站3以太網交換機PCS控制柜PCS-B型實驗裝置附圖1-1 系統結構圖 圖2 PCS-B型過程控制實驗裝置PCS-B型現場系統包括兩個水箱，一個鍋爐，一個盤管，兩個水泵，兩個渦輪流量計，一個電動調節閥，一個變頻器。其他還包括加熱管，儲水箱。附圖1-2 水路圖2.1上電投入使用1、控制對象上電方法：首先將電源插頭插好，合上控制箱側面的空氣開關，此時電源指示紅燈亮起，打開鑰匙開關，運行綠燈亮。檢查

15、各個儀表指示是否正確。2、控制機柜上電方法：首先將電源插頭插好，合上機柜上側的空氣開關，此時控制器上電。檢查各個模塊工作是否正常。各個調節儀表的使用請仔細參考應用產品說明書。2.2變頻器變頻器使用松下的VF0變頻器。運行前，確定變頻器下方水路1、水路2的旋扭都指在“自動”位置。在運行狀態，絕對禁止操作變頻器開關或切換旋鈕，否則可能損壞變頻器。為了方便控制，我們已經把變頻器設定為外部電流控制狀態。啟動變頻器后，只要水路2的旋扭處于“自動”狀態，變頻器就開始按照給定的電流輸出。2.3對象系統每個學年開始作實驗時，放空儲水箱的水，清洗各個水箱，拆下水箱濾網，進行清洗。每月要將水箱中的水放空并清洗。2

16、.4水泵使用增壓泵額定揚程7.5米，額定流量0.5立方米/小時。增壓泵上的旋扭應指向“手動”位置。磁力泵額定揚程4米，額定流量1.8立方米/小時。最大揚程5.6米，最大流量3.6立方米/小時。當用增壓泵排水時，應密切注意增壓泵出口壓力表的指示，當壓力變為零時應立即將面板水路1的旋扭旋至“停止”位置停增壓泵。盡量使得流過水泵的水溫不超過80度。2.5渦輪流量計渦輪流量計的量程為00.8 m³/h。渦輪流量計輸出脈沖信號，經過脈沖模塊將脈沖信號轉換為420mA電流信號。2.6電動調節閥。電動調節閥選用Honeywell ML7420電動調節閥。其F端串聯有一個250歐姆的電阻，將閥位反饋

17、信號由210V的電壓信號轉換為420mA的電流信號。使用請仔細參考應用產品說明書。電動調節閥的動作需要時間。在使用時，嚴禁用手轉調節閥的旋扭，請盡量不要打開其保護蓋。2.7液位傳感器液位傳感器用壓力傳感器來替代，壓力傳感器的量程為05kPa，表示50cm水柱。提供的液位傳感器只能在水面超過底面10毫米才能測量，量程為0至500mm。如果發現水箱液位傳感器測量出現很大誤差，則需要拆下液位傳感器進行清理、清洗、調整零點。2.8加熱管經過多年實驗之后，如果加熱管效率大大降低，則可以打開鍋爐蓋，對加熱管進行清洗，除去加熱管上的水垢。2.9 其他儀表壓力傳感器：0100kPa。溫度變送器選用Pt100熱

18、電阻，量程為0100。3控制系統組成ModulebusEthernet控制器PM860通信模塊TU820模擬量輸入模塊AI801模擬量輸出模塊AO810數字量輸入模塊DI810工程師站操作員站實驗裝置附圖1-3 控制系統圖數字量輸出模塊DO810控制器選用ABB公司的AC 800M系列控制器，I/O模件選用S800 I/O?？刂破鬟x用PM860控制器，控制器與I/O站采用Modulebus通信協議，通過光線連接。I/O站包括一個光纖通信模塊TB820，一個8點AI模塊AI801，一個8點AO模塊AO810，一個16點DI模塊DI810，一個16點DO模塊DO810。詳細圖紙詳見附圖。整個部分設

19、計在一個工業機柜中，開放性極強。一個玻璃前門，保證了設備防塵、散熱等需要。內部結構設計合理，布線完全按照工業要求，整齊、可靠。3.1控制器PM860PM860微處理器運行速度48MHz，8MB RAM，CN1、CN2為以太網口，COM3口是RS-232口，COM4口為編程口。面板上FAULT（紅）燈亮時表示控制器處于錯誤狀態；POWER（綠）表示已經接通電源；RUN（綠）燈亮時表示模塊處于運行狀態；BUSY（綠）燈亮時表示控制器正在工作；INIT是復位按扭。 TX/RX光口用來連接光纖通信模塊。每個PM860可以直接連接12個S800 I/O模塊。3.2Modulebus通信模塊TB820TB

20、820實現光信號和電信號之間的轉化。每個TB820可帶12個S800 I/O模塊。CLUSTER處用來設定該站的地址，這套實驗裝置所有的地址都撥在1的位置。控制器PM860到TB820之間的光纖連接在X5的位置。面板上POWER（綠）表示已經接通電源；RUN（綠）燈亮時表示模塊處于運行狀態；FAULT（紅）燈亮時表示模塊處于錯誤狀態；ORX1（黃）燈亮表示光通道1工作正常；ORX2（黃）燈亮表示光通道2工作正常。3.3模擬量輸入模塊AI801AI801是模擬量8通道420mA或020mA電流輸入模塊。8個輸入通道相互隔離，輸入內阻250歐，耐壓30VDC，最大耐流在24V時30 mA，在5V時

21、70mA。DIN標準導軌安裝，支持HART通信協議。面板上的STATUS燈反映模塊工作狀況，當模塊上電時S燈會亮，當顯示紅燈時表示正在自檢或沒有組態，當顯示綠燈時表示模塊工作正常。AI801的接線方式如下圖所示：3.4模擬量輸出模塊AO810AO810是模擬量8通道420mA或020mA電流輸出模塊，8個輸出通道相互隔離，可過載15%。輸出負載小于500歐（僅當L1+供電時），信號線最大長度600米。上升時間4ms，循環時間小于2ms，延遲時間小于6ms。最大電流消耗200mA，功率消耗3W。DIN標準導軌安裝。面板上的四盞燈反映模塊工作狀況，RUN（綠）燈亮時表示模塊處于運行狀態；FAULT

22、（紅）燈亮時表示模塊處于錯誤狀態；WARNING（黃）燈亮表示有過程錯誤，例如開路或電源錯誤等。AO810的接線方式如下圖所示：3.5數字量輸入模塊DI810DI810是數字量16通道24V輸入模塊，輸入電壓1830V，24V時輸入電流6mA。16個輸出通道被分成18、916兩個組，由相互獨立的電源供電，組間隔離，每個通道均帶輸出狀態指示，當該通道輸入電壓為1830V時，該通道被激活，狀態顯示燈亮。每個通道均帶防浪涌保護。DIN標準導軌安裝。面板上的三盞燈反映模塊工作狀況，RUN（綠）燈亮時表示模塊處于運行狀態；FAULT（紅）燈亮時表示模塊處于錯誤狀態；WARNING（黃）燈亮表示有過程錯誤

23、，例如有開路，電源錯誤等。DI810的接線方式如下圖所示：3.5數字量輸出模塊DO810DO810是數字量16通道24V電流源輸出模塊，輸出電壓1030V，最大輸出電流0.5A。16個輸出通道被分成18、916兩個組，組間隔離，每個通道均帶輸出狀態指示，當該通道置1時，狀態顯示燈亮。超壓超溫保護。DIN標準導軌安裝。面板上的四盞燈反映模塊工作狀況，RUN（綠）燈亮時表示模塊處于運行狀態；FAULT（紅）燈亮時表示模塊處于錯誤狀態；WARNING（黃）燈亮表示有過程錯誤，例如有開路，電源錯誤等。DO810的接線方式如下圖所示：附圖1-4 控制柜盤面布置圖附圖15 系統供電圖附圖16 對象控制柜接

24、線圖附圖17 航空插座引腳圖附圖18 32針航空插座接線圖附圖 19 24針航空插座接線圖附圖 110 航空插座線路色標附錄二 軟件使用說明PCS-B過程實驗裝置的被控對象采用高聯生產的過程控制實驗臺。控制設備采用ABB公司生產的AC800M分散控制系統。因此該實驗裝置的底層組態軟件采用了ABB公司的配套組態軟件Compact Control Builder ，該軟件能夠方便的實現與控制系統硬件的通訊與程序下載，CBM的組態語言采用結構化文本、指令列表、連續函數列表、功能塊圖、梯形圖等五種標準組態語言，因此可以方便快捷的實現對系統的底層組態。 裝置的上位監控軟件采用GE公司的iFix 4.0。

25、iFIX的設計在軟件內核中就充分使用了當前最先進的軟件技術，包括微軟的VBA、OPC、ActiveX控件、COM/DCOM更使用了基于面向對象的框架結構， iFIX將幫您實施更高性能的自動化解決方案，而且使系統的維護、升級和擴展更加方便。 下面對實驗系統的操作進行詳細的說明。一、 軟件啟動順序服務器端： 1、OPC Server for AC 800M2、OPC Power Tool 3、iFix4.0客戶端： 1、OPC Power Tool2、iFix4.0二、操作畫面說明 系統畫面分為三部分，上面是系統畫面切換欄，中間是主畫面區，下面是狀態欄。附圖 21 系統畫面 系統畫面切換欄附圖 2

26、2 系統畫面切換欄 系統畫面切換欄的左側是該畫面的名字，右側是畫面切換按鈕。點擊相應按鈕就可進入相應的實驗畫面。另外如果有實驗正在進行中，則相應按鈕顯示紅色，反之顯示綠色。主畫面區主畫面區為試驗操作畫面，包括系統簡圖、功能按鈕、參數顯示、實時曲線顯示。狀態欄附圖 23 狀態欄狀態欄顯示當前系統狀態和參數報警，五個狀態指示燈表示系統中五個主要設備的電源狀態。紅色為帶電，綠色為不帶電。五個報警光字牌分別指示下列各參數報警：上水箱水位、下水箱水位、增壓泵流量、磁力泵流量、鍋爐內膽溫度。綠色表示參數正常，紅色表示參數報警。當有新的報警發生時相應光字牌會有黃色閃動。三、實驗操作畫面說明 1、單容水箱特性實驗 附圖 24 單容水箱特性實驗界面圖點擊畫面切換欄上的單容水箱特性按鈕進入單容水箱特性實驗畫面。畫面分為系統簡圖、操作面板、實時曲線。 系統簡圖表示出該實驗需要的設備以及介質流向。調節閥旁邊有兩個指示條，上面的為調節閥接收到的開度指令，下面的指示條為調節閥實際的開度數值。 操作面板區分別指示出當前的操作狀態上，水箱水位的實際值，調節閥接收到的開度指令.。點擊調節閥位顯示欄下面的設置按鈕會出現調節閥位控制畫面。 附圖25調節閥手操畫面如圖所示，改變閥門開度可以點擊上下箭頭，也可以點擊中間的輸入按鈕在彈出的文本框中直接輸入開度指令。點擊主畫面區的開始實驗