過(guò)磴制及儀表實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

過(guò)程控制系統(tǒng)及儀表

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

潘巖左利

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

電氣與信息工程學(xué)院

20XX年4月

1

目錄

第一章系統(tǒng)概述第二章實(shí)驗(yàn)裝置介紹

一、THJ-3型高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置二、

THSA-1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三、軟件介紹

四、實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程第三章實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二、雙

容水箱特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制系統(tǒng)實(shí)

驗(yàn)

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第一章系統(tǒng)概述

THSA-1型過(guò)程綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)(Experiment

PlatformofProcessSyntheticautomationControl

system)THJ-3型高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置、THSA-1

型綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)三部份組

成。如圖1T所示。

圖ITTIISA-1過(guò)程綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該套實(shí)驗(yàn)裝置密切結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的實(shí)際情況，能夠

對(duì)流量、溫度、液位、壓力等變量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，并能

夠進(jìn)行單回路控制、串級(jí)控制、前饋-反饋控制、滯后控制、

比值控制、解耦控制等多種控制實(shí)驗(yàn)，是一套集成為了自動(dòng)

化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)及現(xiàn)

場(chǎng)總線技術(shù)等的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

THSA-1型過(guò)程綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?yàn)樵谛W(xué)生和

相關(guān)科研人員提供有力匡助。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，應(yīng)對(duì)傳感器特

性及零點(diǎn)漂移有初步認(rèn)識(shí)，同時(shí)能掌握自動(dòng)化儀表、變頻器、

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等儀器的規(guī)范操作，并能夠整定控制系統(tǒng)中相關(guān)

參數(shù)。

這套實(shí)驗(yàn)設(shè)備綜合性強(qiáng)，所涉及的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程多，所

有部件均來(lái)自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)格遵循相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有廣泛

的可擴(kuò)展性和后續(xù)開(kāi)辟功能，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立操作、

獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力.

整套實(shí)驗(yàn)裝置的電源、控制屏均裝有漏電保護(hù)裝置，裝

置內(nèi)各種儀表均有可靠的自保護(hù)功能，強(qiáng)電接線插頭采用封

閉式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)弱電連接采用不同結(jié)構(gòu)接頭，安全可靠。

3

第二章實(shí)驗(yàn)裝置介紹

"T11SA-1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”是實(shí)驗(yàn)

控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)三部份組成。

一、THJ-3型高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖如圖2-1所示：

圖2-1實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖

本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象主要水箱、鍋爐和盤(pán)管三大部份組成。

供水系統(tǒng)有兩路：一路三相磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流

電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路變頻器、三

相磁力驅(qū)動(dòng)泵、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。

被控對(duì)象

不銹鋼儲(chǔ)水箱、三個(gè)串接有機(jī)玻璃水箱、三相電加熱模

擬鍋爐（不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成）、盤(pán)

管和敷塑不銹鋼管道等組成。

1.水箱

包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。上、中、下水

箱均采用淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，堅(jiān)實(shí)耐用，透明度高，便于

直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：

D=25cm,H=20cm；下水箱尺寸為:D=35cm,H=20cmo水箱結(jié)

構(gòu)獨(dú)特，三個(gè)槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進(jìn)

水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過(guò)帶燕尾

槽的隔板流

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入出水槽，這樣經(jīng)過(guò)緩沖和線性化的處理，工作槽的液

位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴(kuò)散硅壓力傳感器

與變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)和變送。上、中、

下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和

雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級(jí)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)水箱不銹鋼板制成，

尺寸為：長(zhǎng)X寬X高=68cmX52cmX43cm,徹底能滿(mǎn)足上、

中、下水箱的實(shí)驗(yàn)供水需要。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料

過(guò)濾網(wǎng)罩，以防雜物進(jìn)入水泵和管道。

2.摹擬鍋爐

是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層和冷卻

層，均不銹鋼精制而成，可利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。做溫度實(shí)

驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加

熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢

測(cè)其溫度，可完成溫度的定值控制、串級(jí)控制，前饋-反饋

控制，解耦控制等實(shí)驗(yàn)。

3.盤(pán)管

摹擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，長(zhǎng)37米，在盤(pán)

管上有三個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，它們的滯后時(shí)間常數(shù)不同，

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的溫度檢測(cè)

點(diǎn)。盤(pán)管的出水通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)的切換既可以流入鍋爐內(nèi)膽，

也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)流回儲(chǔ)水箱。它可用來(lái)完成溫度的滯

后和流量純滯后控制實(shí)驗(yàn)。

4.管道及閥門(mén)

整個(gè)系統(tǒng)管道敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動(dòng)閥門(mén)

均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效

提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底部有一個(gè)出水

閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，把球閥打開(kāi)將水直接排出。

檢測(cè)裝置

1.壓力傳感器、變送器

三個(gè)壓力傳感器分別用來(lái)對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位

進(jìn)行檢測(cè)，其量程為0~5KP,精度為級(jí)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散

硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，

對(duì)傳感器溫度漂移尾隨補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工

作時(shí)需提供24V直流電源，輸出：4?20mADC。

2.溫度傳感器

裝置中采用了六個(gè)PtlOO伯熱電阻溫度傳感器，分別用

來(lái)檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤(pán)管以及上水箱出口的水溫。

PtlOO測(cè)溫范圍：-200~+420℃。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器的溫度變送器，

可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4、20mA直流電流信號(hào)。PtlOO傳感器

精度高，熱補(bǔ)償性較好。

3.摹擬轉(zhuǎn)換器

三個(gè)摹擬轉(zhuǎn)換器分別用來(lái)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支

路、變頻器控制的動(dòng)力支路及盤(pán)管出口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。

它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，反應(yīng)快。采用標(biāo)準(zhǔn)二

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線制傳輸方式，工作時(shí)需提供24V直流電源。流量范圍：

0~/h；精度：%；輸出：4?20mADC。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥

采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)

行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP-16Ko具有精度高、技術(shù)

先進(jìn)、體積小、分量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電

動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單

相220V,控制信號(hào)為4?20mADC或者「5VDC,輸出為

4?20mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。

2.水泵

本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P,流量為30升

/分，揚(yáng)程為8米，功率為180k泵體徹底采用不銹鋼材料，

以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵，一

只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。

3.電磁閥

在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作

用。電磁閥型號(hào)為：2W-160-25；工作壓力：最小壓力為OKg/

cm2,最大壓力為7Kg/cm2；工作溫度：一5?80℃；工作

電壓：24VDC。

4.三相電加熱管

三根電加熱管星形連接而成，用來(lái)對(duì)鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進(jìn)

行加溫，每根加熱管的電阻值約為50。擺布。

二、THSA-1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

"THSA-1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”主要控

制屏組件、智能儀表控制組件、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制組件、DCS

分布式控制組件、PLC控制組件等兒部份組成。

（一）控制屏組件

1.SA-O1電源控制屏面板

充分考慮人身安全保護(hù)，裝有漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)、電壓

型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。圖2-2為電源控制屏示

意圖。接上三相四線電源控制屏兩側(cè)的插座均帶電，合上總

電源空氣開(kāi)關(guān)及鑰匙開(kāi)關(guān)，此時(shí)三只電壓表均指示380V左

右，定時(shí)器兼報(bào)警記錄儀數(shù)顯亮，住手按鈕燈亮，照明燈亮、

此時(shí)打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電源即可提供24V電。按下啟動(dòng)按鈕，停

止按鈕燈熄，啟動(dòng)按鈕燈亮，此時(shí)合上三相電源、單相I、

單相n、單相in空氣開(kāi)關(guān)即可提供相應(yīng)電源輸出，作為其他

組件的供電電源。2.SA-02I/O信號(hào)接口面板

該面板的作用主要是通過(guò)航空插頭將各傳感器檢測(cè)信

號(hào)及執(zhí)行器控制信號(hào)同面板上自鎖緊插孔相連，便于學(xué)生自

行連線組成不同的控制系統(tǒng)。

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圖2-2電源控制屏示意圖

3.SA-11交流變頻控制掛件

SA-11交流變頻控制掛件如圖2-3所示，采用日本三菱

公司的）型變頻器，控制信號(hào)輸入為4?20mADC或者0~5VDC,

交流220V變頻輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。有關(guān)變頻器

的使用請(qǐng)參考變頻器使用手冊(cè)中相關(guān)的內(nèi)容。變頻器常用參

數(shù)設(shè)置：P30=l；P53=l；P62=4；P79=0o

圖2-3SA-11交流變頻控制掛件

4.三相移相SCR調(diào)壓裝置、位式控制接觸器

采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為4~

20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。

輸出交流電壓用來(lái)控制電加熱器的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐溫

度的連續(xù)控制。位式控制接觸器和AI-708儀表一起使用，

通過(guò)AT-708儀表輸出繼電器觸點(diǎn)的通斷來(lái)控制交流接觸器

的通斷，從而完成鍋爐水溫的位式控制實(shí)驗(yàn)。

（二）智能儀表控制組件

1.AI智能調(diào)節(jié)儀表掛件

采用上海萬(wàn)迅儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人

工智能調(diào)節(jié)儀表，其中SA-12智能

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調(diào)節(jié)儀控制掛件為AI-818型，如圖2-4所示。SA-13智

能位式調(diào)節(jié)儀為AI-708型。AI-818型儀表為PID控制型，

輸出為4^20mADC信號(hào)；而AI-708型儀表為位式控制型，

輸出為繼電器觸點(diǎn)型開(kāi)關(guān)量信號(hào)。AI系列儀表通過(guò)RS485串

口通信協(xié)議與上位計(jì)算機(jī)通訊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2-4SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制掛件

AI儀表常用參數(shù)設(shè)置：

：控制方式。

=0,采用位式控制；

=1,采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)；

=2,啟動(dòng)自整定參數(shù)功能；=3,自整定結(jié)束。

：輸入規(guī)格。=21,PtlOO熱電阻輸入；=32,^IVDCo

電壓輸入；=33,廣5VDC電壓輸入。

DIL：輸入下限顯示值，普通DIL=0；熱電阻輸入不用

設(shè)置此項(xiàng)。

D1H：輸入上限顯示值。輸入為液位信號(hào)時(shí)，DIH-；輸

入為流量信號(hào)時(shí)，DIH=；熱電阻輸入不用設(shè)置此項(xiàng)。

0P1：輸出方式，普通OP1=4為4?20mA線性電流輸出。

CF：系統(tǒng)功能選擇。CF=0為內(nèi)部給定，反作用調(diào)節(jié)；

CF=1為內(nèi)部給定，正作用調(diào)節(jié)；CF=8為外部給定，反作

用調(diào)節(jié)；CF=9為外部給定，正作用調(diào)節(jié)。

：通訊地址。單回路實(shí)驗(yàn)

閉環(huán)實(shí)驗(yàn)主控為相同。

P、I、D參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整，其他參數(shù)請(qǐng)參考默

認(rèn)設(shè)置。有關(guān)AI系列儀表的使用請(qǐng)參考說(shuō)明書(shū)上相關(guān)的內(nèi)

容。

=1，副控為

=1；串級(jí)實(shí)驗(yàn)主控為=2,內(nèi)環(huán)為

=1,副控為

=2；三

=3。實(shí)驗(yàn)中各儀表通訊地址不允許

（三）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制組件

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制即我們通常所說(shuō)的直接數(shù)字控制，它

的特點(diǎn)是以計(jì)算機(jī)代替摹擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)采

集板卡或者模塊進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，控制算法全部在計(jì)算

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機(jī)上實(shí)現(xiàn)。在本裝置中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括

SA-21遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集熱電阻輸入模塊掛件、SA-22遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)

采集摹擬量輸入模塊掛件、SA-23遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集摹擬量輸出

模塊掛件。如圖2-5所示。

圖2-5遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制組件

其中R-8017是8路摹擬量輸入模塊，R-8024是4路模

擬量輸出模塊，R-8033是3路熱電阻輸入模塊。RemoDAQ8000

系列智能采集模塊通過(guò)RS485等串行口通訊協(xié)議與PC相連，

PC中的算法及程序控制并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的摹擬

量、開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入和輸出、脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和測(cè)量脈沖

頻率等功能。圖2-6所示即為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)框圖。

圖中輸入輸出通道即為RcmoDAQ8000智能采集模塊。關(guān)于

RemoDAQ8000智能模塊的具體使用請(qǐng)參考裝置附帶的光盤(pán)中

的相關(guān)內(nèi)容。

圖2-6遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

三、軟件介紹

本裝置中智能儀表控制方案、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制方案和

S7-200PLC控制方案均采用了

北京昆侖公司的MCGS組態(tài)軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟

件。MCGS是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于Microsoft

Windows95/98/NT/20XX/XP等操作系統(tǒng)。

MCGS軟件為用戶(hù)提供了解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案

和開(kāi)辟平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、

報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸

出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。

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有關(guān)MCGS軟件的使用，參考配套的手冊(cè)及光盤(pán)。

四、實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程

實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前應(yīng)復(fù)習(xí)教科書(shū)有關(guān)章節(jié)，認(rèn)真研讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，

了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?xiàng)目、方法與步驟，明確實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意

的問(wèn)題，并按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目準(zhǔn)備記錄等。

實(shí)驗(yàn)前應(yīng)了解實(shí)驗(yàn)裝置中的對(duì)象、水泵、變頻器和所用

控制組件的名稱(chēng)、作用及其所在位置，以便于在實(shí)驗(yàn)中對(duì)它

們進(jìn)行操作和觀察。熟悉實(shí)驗(yàn)裝置面板圖，要求做到：面板

上的圖形、文字符號(hào)能準(zhǔn)確找到該設(shè)備的實(shí)際位置。熟悉工

藝管道結(jié)構(gòu)、每一個(gè)手動(dòng)閥門(mén)的位置及其作用。

認(rèn)真作好實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能

力，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是很重要的。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程的基本要求

1.明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)；2.提出實(shí)驗(yàn)方案；3.畫(huà)實(shí)驗(yàn)接

線圖；

4.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，做好觀測(cè)和記錄；5.整理實(shí)驗(yàn)數(shù)

據(jù)，得出結(jié)論，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，上述要求應(yīng)盡量讓學(xué)生獨(dú)立完成，老師

賦予必要的指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，要做好各主

題實(shí)驗(yàn)，就應(yīng)做到：實(shí)驗(yàn)前有準(zhǔn)備；實(shí)驗(yàn)中有條理，實(shí)驗(yàn)后

有分析。

實(shí)驗(yàn)安全操作規(guī)程

1.實(shí)驗(yàn)之前確保所有電源開(kāi)關(guān)均處于“關(guān)”的位置。

2.接線或者拆線必須在切斷電源的情況下進(jìn)行，接線

時(shí)要注意電源極性。完成接線后，正式投入運(yùn)行之前，應(yīng)

嚴(yán)格檢查安裝、接線是否正確，并請(qǐng)指導(dǎo)老師確認(rèn)無(wú)誤后,

方能

通電。

3.在投運(yùn)之前，請(qǐng)先檢查管道及閥門(mén)是否已按實(shí)驗(yàn)指

導(dǎo)書(shū)的要求打開(kāi)，儲(chǔ)水箱中是否充水至三分之二以上，以保

證磁力驅(qū)動(dòng)泵中充滿(mǎn)水，磁力驅(qū)動(dòng)泵無(wú)水空轉(zhuǎn)易造成水泵損

壞。

4.在進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)前，請(qǐng)先檢查鍋爐內(nèi)膽內(nèi)水位，至

少保證水位超過(guò)液位指示玻璃管上面的紅線位置，以免造成

實(shí)驗(yàn)失敗。

5.實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)進(jìn)行變送器零位和量程的調(diào)整，調(diào)整時(shí)

應(yīng)注意電位器的調(diào)節(jié)方向，并分清調(diào)零電位器和滿(mǎn)量程電位

器。

6.儀表應(yīng)通電預(yù)熱15分鐘后再進(jìn)行校驗(yàn)。7.小心操

作，切勿亂扳硬擰，嚴(yán)防損壞儀表。8.嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室有

關(guān)規(guī)定。

10

第三章實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)一單容自衡水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測(cè)試方法，并記錄相應(yīng)液

位的響應(yīng)曲線；

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相應(yīng)的方法

確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)K、T和傳遞函數(shù);

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.實(shí)驗(yàn)對(duì)象及控制屏、SA-11掛件一個(gè)、SA-13掛件一

個(gè)、SA-14掛件一個(gè)、計(jì)算機(jī)一臺(tái)、萬(wàn)用表一個(gè)；

2.SA-12掛件一個(gè)、RS485/232轉(zhuǎn)換器一個(gè)、通訊線一

根：3.SA-21掛件一個(gè)、SA-22掛件一個(gè)、SA-23持件一個(gè)：

4.SA-31掛件一個(gè)、SA-32掛件一個(gè)、SA-33掛件一個(gè)、

主控單元一個(gè)、數(shù)據(jù)交換器一個(gè)，網(wǎng)線兩根；

5.SA-41掛件一個(gè)、CP5611專(zhuān)用網(wǎng)卡一個(gè)、MPI編程電

纜一根；6.SA-42掛件一個(gè)、PC/PPI通訊電纜一根。

三、實(shí)驗(yàn)原理

所謂單容指惟獨(dú)一個(gè)貯蓄容器。自衡是指對(duì)象在擾動(dòng)作

用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員或者儀表等干預(yù),

依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。圖3-1所示為單容自衡水

箱特性測(cè)試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。閥門(mén)Fl-KF1-2和F1-8全開(kāi)，

設(shè)下水箱流入量為Q1,改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥VI的開(kāi)度可以改變

Q1的大小，下水箱的流出量為Q2,改變出水閥F1-11的開(kāi)

度可以改變Q2o液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起水

箱中蓄水或者泄水的過(guò)程。若將Q1作為被控過(guò)程的輸入變量,

h為其輸出變量，則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間

的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有：

Q1-Q2=A

將物料平衡關(guān)系表不為增量形式有:

△Ql-AQ2=A

式中：AQLAQ2o

dhdtdhdt---分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量；卜一

一水箱截面積。

11

圖3-1單容自衡水箱特性測(cè)試系統(tǒng)

在平衡時(shí)，Ql=Q2o

dh=O；當(dāng)Q1發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，水箱出口

處的靜壓也dt隨之變化，Q2也發(fā)生變化。流體力學(xué)可知，

流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為

了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h成正比

關(guān)系，而與閥F1-11的阻力R成反比，即：

△Q2=

hh或者R二RQ2式中：R——閥F1-11的阻力，稱(chēng)為

液阻。

將以上幾個(gè)方程經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q2,即可得

到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為

G0=

H(s)KR==(3-1)Ql(s)RCslTsl式中T為水箱的

時(shí)間常數(shù)，T=RC；K為放大系數(shù)，K=R；C為水箱的容量系

數(shù)。若令Q1作階躍擾動(dòng)，即Ql=

xO,xO二常數(shù)，則式(3-1)可改寫(xiě)為：sH=

xOxOKxOK/TX=K-

HssssTT-t/T

對(duì)上式取拉氏反變換得：

h(t)=KxO(l-e

當(dāng)t一＞8時(shí)，h-h=KxO,于是有

K=當(dāng)t=T時(shí)，則有

h(T)=KxO(l-e)==(°°)(3-3)

12

-1

)

hh輸出穩(wěn)態(tài)值=(3-2)

階躍輸入xO

一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如

圖3-2所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就

是水箱的時(shí)間常數(shù)To也可坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線0A,

切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是該時(shí)間常數(shù)T,響應(yīng)

曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。

圖3-2單容水箱的階躍響應(yīng)曲線

如果對(duì)象具有滯后特性，其階躍響應(yīng)曲線則為圖3-2,

在此曲線的拐點(diǎn)D處作一切線，它與時(shí)間軸交于B點(diǎn)，與響

應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點(diǎn)。圖中0B即為對(duì)象的滯后時(shí)間

T,BC為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T,所得的傳遞函數(shù)為:

H(S)KesG(S)Ql(S)lTs四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

本實(shí)驗(yàn)選擇下水箱作為被測(cè)對(duì)象。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱

中貯足水量，然后將閥門(mén)FIT、Fl-2、F1-8全開(kāi)，將下水

箱出水閥門(mén)F1-11開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度，其余閥門(mén)均關(guān)閉。試驗(yàn)采

用智能儀表控制，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

1.將“SA72智能調(diào)節(jié)儀控制”掛件掛到屏上，并將

掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)

RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口1,

并按照?qǐng)D3-3所示的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT3

下水箱液位”鈕子開(kāi)關(guān)撥到“ON”的位置。

圖3-3“單容水箱特性測(cè)試”實(shí)驗(yàn)接線圖

13

2.接通總電源空氣開(kāi)關(guān)和鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)24V開(kāi)關(guān)電

源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相I、單相

III空氣開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及智能儀表上電。

3.打開(kāi)上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開(kāi)“智能儀表控制系

統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)

驗(yàn)一、單容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試”，進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)一”的監(jiān)

控界面。

4.通過(guò)調(diào)節(jié)儀將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值。

5.合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適

當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一

平衡位置，記錄比時(shí)的儀表輸出值和液位值。

6.待下水箱液位平衡后，突增智能儀表輸出量的大小，

使其輸出有一個(gè)正階躍增量的變化，于是水箱的液位便離開(kāi)

原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，水箱液位進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，

記錄此時(shí)的儀表輸出值和液位測(cè)量值，液位的響應(yīng)過(guò)程曲線

將如圖3-4所示。

圖3-4儀表輸出值和液位測(cè)量值

7.根據(jù)前面記錄的液位值和儀表輸出值，按公式計(jì)算K

值，再根據(jù)圖3-2中的實(shí)驗(yàn)曲線求得T值，寫(xiě)出單容水箱的

傳遞函數(shù)。

五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1.畫(huà)出“單容水箱液位特性測(cè)試”實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)及曲線，分析并計(jì)算出單容水

箱液位對(duì)象的參數(shù)及傳遞函數(shù)。

六、思量題

1.做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意改變出水閥F1-11開(kāi)

度的大小？2.用響應(yīng)曲線法確定對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，其精

度與那些因素有關(guān)？

14

實(shí)驗(yàn)二雙容水箱特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.掌握雙容水箱特性的階躍響應(yīng)曲線測(cè)試方法；

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得雙容液位的階躍響應(yīng)曲線，確定其特

征參數(shù)K、TKT2及傳遞函數(shù)；

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備同前。三、原理說(shuō)明

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖3-5所示。

圖3-5雙容水箱對(duì)象特性測(cè)試系統(tǒng)

被測(cè)對(duì)象兩個(gè)不同容積的水箱相串聯(lián)組成，故稱(chēng)其為雙

容對(duì)象。自衡是指對(duì)象在擾動(dòng)作用下，其平衡位置被破壞后，

不需要操作人員或者儀表等干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡

的過(guò)程。根據(jù)本章第一節(jié)單容水箱特性測(cè)試的原理，可知

雙容水箱數(shù)學(xué)模型是兩個(gè)單容水箱數(shù)學(xué)模型的乘積，即雙

容水箱的數(shù)學(xué)模型可用一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述：

G(s)=Gl(s)G2(s)=

klk2KTlslT2sl(Tlsl)(T2sl)式中K=klk2,為雙容水

箱的放大系數(shù)，門(mén)、T2分別為兩個(gè)水箱的時(shí)間常數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)中被測(cè)量為下水箱的液位，之中水箱輸入量有一

階躍增量變化時(shí)，兩水箱的液位變化曲線如圖3-6所示。圖

3-6可見(jiàn)，上水箱液位的響應(yīng)曲線為一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)；

而下水箱液位的響應(yīng)曲線則呈S形曲線，即下水箱的液位響

應(yīng)滯后了，它滯后的時(shí)間與閥F1-10和F1-11的開(kāi)度大小密

切相關(guān)。

15

過(guò)程控制系統(tǒng)及儀表

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

潘巖左利

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

電氣與信息工程學(xué)院

20XX年4月

1

目錄

第一章系統(tǒng)概述第二章實(shí)驗(yàn)裝置介紹

一、THJ-3型高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置二、

THSA-1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三、軟件介紹

四、實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程第三章實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)一、單容自衡水箱液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二、雙

容水箱特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三、單容液位定值控制系統(tǒng)實(shí)

驗(yàn)

2

第一章系統(tǒng)概述

T1ISA-1型過(guò)程綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)(Experiment

PlatformofProcessSyntheticautomationControl

system)THJ-3型高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置、THSA-1

型綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)三部份組

成。如圖1T所示。

圖ITTHSA-1過(guò)程綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該套實(shí)驗(yàn)裝置密切結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的實(shí)際情況，能夠

對(duì)流量、溫度、液位、壓力等變量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，并能

夠進(jìn)行單回路控制、串級(jí)控制、前饋-反饋控制、滯后控制、

比侑控制、解耦控制等多種控制實(shí)驗(yàn)，是一套集成為了自動(dòng)

化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)及現(xiàn)

場(chǎng)總線技術(shù)等的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

THSA-1型過(guò)程綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?yàn)樵谛W(xué)生和

相關(guān)科研人員提供有力匡助。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，應(yīng)對(duì)傳感器特

性及零點(diǎn)漂移有初步認(rèn)識(shí)，同時(shí)能掌握自動(dòng)化儀表、變頻器、

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等儀器的規(guī)范操作，并能夠整定控制系統(tǒng)中相關(guān)

參數(shù)。

這套實(shí)驗(yàn)設(shè)備綜合性強(qiáng)，所涉及的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程多，所

有部件均來(lái)自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)格遵循相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有廣泛

的可擴(kuò)展性和后續(xù)開(kāi)辟功能，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立操作、

獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力.

整套實(shí)驗(yàn)裝置的電源、控制屏均裝有漏電保護(hù)裝置，裝

置內(nèi)各種儀表均有可靠的自保護(hù)功能，強(qiáng)電接線插頭采用封

閉式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)弱電連接采用不同結(jié)構(gòu)接頭，安全可靠。

3

第二章實(shí)驗(yàn)裝置介紹

"THSA-1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”是實(shí)驗(yàn)

控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)三部份組成。

一、THJ-3型高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖如圖2-1所示：

圖2-1實(shí)驗(yàn)對(duì)象總貌圖

本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象主要水箱、鍋爐和盤(pán)管三大部份組成。

供水系統(tǒng)有兩路：一路三相磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流

電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路變頻器、三

相磁力驅(qū)動(dòng)泵、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。

被控對(duì)象

不銹鋼儲(chǔ)水箱、三個(gè)串接有機(jī)玻璃水箱、三相電加熱模

擬鍋爐（不銹鋼鍋爐內(nèi)膽