A3000过程控制实验指导Word格式文档下载.docx
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0~100˚C
2
TE-102
锅炉回水温度
3
TE-103
换热器热水出口水温
4
TE-104
换热器冷水出口水温
5
TE-105
储水箱水温
6
LSL-105
液位开关
锅炉液位极低连锁
干接点
DI
NC
7
LSH-105
锅炉液位极高连锁
8
XV-101
电磁阀
一支路给水切断
光电隔离
DO
9
XV-102
二支路给水切断
10
AL-101
告警
11
FT-101
涡轮流量计
一支路给水流量
4-20mADC
0~3m3/h
12
FT-102
电磁流量计
二支路给水流量
13
PT-101
压力变送器
给水压力
150kPa
14
LT-101
液位变送器
上水箱液位
2.5kPa
15
LT-102
中水箱液位
16
LT-103
下水箱液位
17
LT-104
锅炉/中水箱右液位
0~5kPa
18
FV-101
电动调节阀
阀位控制
AO
0~100%
19
GZ-101
调压模块
锅炉水温控制
20
U-101
变频器
频率控制
注：
所列信号类型为原始信号，在控制柜中Pt100经过变送器转换成了4～20mA。
一般两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND，可以按照四线制方式使用。
执行机构一般2～10V控制，控制信号经过500欧姆采样电阻被转换成4-20毫安控制。
二工艺设备结构和操作
本节通过大量的示意图介绍各个工艺设备的结构和操作，其中包括各个水箱、锅炉、换热系统以及管路。
如图1.4所示
1）上水箱
图1.5上水箱透视图
上水箱位于框架右上方，模拟一个工业上常见的卧式圆罐。
水平方向的截面积在各个高度不同，中间最大，两端最小，具有典型的非线性特性。
上水箱透视图如图1.5所示。
2）中水箱
中水箱是一个结构复杂的容器。
提供变容结构，以及水平多容结构。
中水箱透视图如图1.6所示、中水箱顶视图如图1.7所示。
变容的实现过程：
（1）将分隔闸板提得很高，例如2厘米以上，则中水箱左右两边容器合在一起，通过出水闸板控制出口流量。
总截面积=中水箱左容器+中水箱右容器。
（2）将出口闸板提得很高，例如2厘米以上，通过分隔闸板控制出口流量。
总截面积=中水箱左容器。
水平多容实现过程：
分隔闸板作为左右两边容器的导通流量控制，出水闸板控制右边容器出口流量。
3）下水箱
下容器可以更换不同形状的出口闸板，从而改变系统特性，还可放入一个斜体，从而模拟倒锥形工业容器。
下水箱透视图结构如图1.8所示，下水箱顶视图如图1.9所示。
4）常压锅炉
锅炉是一个常压电加热锅炉，大气压力，没有高温。
如图1.10所示。
图1.10常压电加热锅炉
5）换热系统
该换热器采用工业高效板式换热器。
换热器具有一个冷水入口，一个冷水出口，一个热水入口，一个热水出口（热水和冷水的位置可以互换，但是出口和入口不能互换）。
如图1.11所示。
6）管路系统
管路系统如图1.12所示。
通过该图可以了解各个阀门的位置，以及管道上的各个过程设备。
图1.12现场对象系统管路
三过程和电气设备结构和操作
本节介绍仪器仪表以及执行器等产品的结构和操作方法。
1）温度检测设备
●温度传感器为PT100，采用三线制，如图1.13所示。
●温度变送器为两线制，24V直流供电。
如图1.14所示。
2）压力和液位检测设备
♫参考手册：
《扩散硅压力/液位变送器使用说明书》
可以采用扩散硅压力/液位变送器，也可以选择电容式或者应变电阻式。
压力变送器如图1.15所示。
图1.15压力变送器
压力/液位变送器包括一个表头，表头两侧都有盖子。
打开盖子，一侧用于接线，另一侧可以调节零点或满量程，如图1.16所示。
3）流量检测设备
现场系统一般包括一个涡轮流量计和一个电磁流量计。
A、涡轮流量计
《LWGY/LWGB/LWY型涡轮流量计使用说明书》。
涡轮流量计管道里有一个叶轮随着流动液体转动，通过霍尔效应产生脉冲，然后进行F/I转换为4~20mA信号。
涡轮流量计如图1.17所示，其接线如图1.18所示。
涡轮流量计如果堵塞，则需要拆卸清洗，拆卸如图1.19所示。
使用一个铁片拧下涡轮两边的外丝，取出涡轮进行清洗。
注意安装时不能太紧。
图1.19涡轮流量计拆卸操作
B、电磁流量计
♫参考手册《中文电磁流量计转换器用户手册》、《中文电磁流量计传感器使用说明书》
电磁流量计利用法拉第电磁感应定律来测量流量。
电磁流量计如图1-20所示。
注意：
不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。
加电几分钟后才能获得准确数值。
电磁流量计接线图如图1.21所示。
图1.20电磁流量计接线图
只连接220V电源L和N线、信号“4-20毫安”输出以及“输出地“
4）变频器接线和操作
变频器采用三菱的FS520S变频器，或者采用西门子的MM420变频器。
变频器控制水泵P101。
由于变频器响应快速，所以控制时间会短一些。
A、三菱变频器
《三菱变频器FR-S500使用手册（基本篇或高级篇）》
三菱变频器如图1.22所示。
即使变频器不处于运行状态，其电源输入线，直流回路端子和电动机端子上仍然可能带有危险电压。
因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装、维护等工作。
变频器拆卸如图1.23所示、变频器接线如图1.24所示。
在把STF启动拨动开关断开后，可以设置到面板控制模式，通过旋钮进行频率设定。
面板如图1.25所示。
图1.23变频器安装拆卸示意图
图1.25变频器操作面板
变频器操作模式有多种：
✧模式Pr79为模式0，切换PU操作或外部操作。
✧模式Pr79为模式1，只执行PU操作。
✧模式Pr79为模式2，只执行外部操作。
✧模式Pr79为模式3，用设定旋钮进行4-20mA频率设定，STF，STR启动。
✧模式Pr79为模式4，外部端子信号（多段速，DC0~5V等），RUN键启动。
最常用的操作模式有两种：
模式0通过PU键切换到PU操作，然后通过旋钮设定频率，按RUN钮启动。
模式34-20毫安操作选择，通过启动开关启动，然后加入外部4-20毫安控制。
调试与操作步骤：
（1）面板操作
变频器上电，液晶屏显示：
断开STF和SD的连接（启动旋钮），按键
设置PU操作模式，PU显示灯亮
旋转直到显示为希望的频率值（设30），约5秒闪灭。
在数值闪灭期间，按SET键，设定频率数值。
闪烁3秒后，显示屏回到0.0显示状态，按RUN键运行。
按键，变频器停止工作。
（2）4～20mA电流控制
首先断开STF和SD的连接（启动旋钮），按键，进入参数设定模式，拨动选择参数Pr.79（操作模式选择），设定为3。
输入一个4～20mA电流信号到变频器的4、5号端子，启动旋钮设置到ON位置，水泵运转。
改变输入的电流值，可以看到输出的频率也改变了。
调试完，将参数Pr.79设为0。
B、西门子变频器
《MICROMASTER420通用型变频器操作说明书》、《MICROMASTERPROFIBUSOptionalBoard》
现场系统上的西门子变频器一般包括三个部分：
变频器主体、BOP面板、DP接口。
其中BOP面板和DP接口不是必须的。
如图1.26所示。
DP模块如图1.27所示。
西门子BOP面板如图1.28所示。
图1-28西门子变频器BOP面板
西门子BOP面板包括一个液晶显示屏，8个按钮。
其中左上角是运行启动按钮，左下角是停止按钮。
具体功能如下：
按钮
功能
功能说明
状态显示
LCD显示变频器当前的设定值
起动变频器
按此键起动变频器。
缺省值运行时此键是被封锁的。
为了使此键的操作有效，应设定P0700=1
停止变频器
OFF1：
按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车。
缺省值运行时此键被封锁；
为了允许此键操作应设定P0700=1。
OFF2：
按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。
此功能总是“使能”的。
改变电动机的
转动方向
按此键可以改变电动机的转动方向。
电动机的反向用负号（－）表示或用闪烁的小数点表示。
缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。
电动机点动
在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。
释放此键时，变频器停车。
如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。
浏览辅助信息
变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）：
1.直流回路电压（用d表示–单位：
V）
2.输出电流（A）
3.输出频率（Hz）
4.输出电压（用o表示–单位：
5由P0005选定的数值（如果P0005选择显示上述参数中的任何一个（3，4，或5），这里将不再显示）。
连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。
跳转功能在显示任何一个参数（rXXXX或PXXXX）时，短时间按下此键将立即跳转到r0000，如果需要，您可以接着修改其它的参数。
跳转到r0000后，按此键将返回原来的显示点。
访问参数
按此键即可访问参数
增加/减少数值
按此键即可增加/减少面板上显示的参数数值。
一些重要参数的含义：
P0010开始快速调试
✧0准备运行
✧1快速调试
✧30工厂的缺省设置值
P0700选择接通/断开/反转（on/off/reverse）命令源
✧0工厂设置值
✧1基本操作面板（BOP）
✧2模拟量输入端子/数字量输入
✧6来自总线命令。
如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。
注意要P0917=0。
P1000选择目标频率设定值来源
✧0无频率设定值
✧1用BOP控制频率的升降
✧2模拟设定值
如果使用Profibus总线，则需要设置这个参数。
P0004参数过滤器
✧2变频器
✧4PI比例积分控制器
✧10设定值通道和斜坡函数发生器
✧20通讯
✧22变频器PID控制参数
P0003参数访问级
变频器的参数有4个用户访问级，即标准访问级，扩展访问级，专家访问级和维修级。
访问的等级由参数P0003来选择。
对于大多数应用对象，只要访问标准级（P0003=1）和扩展级（P0003=2）参数就足够了。
如果使用总线控制，可以使用P0003=3，具有更高等级就可访问更多参数。
P0970复位到原厂默认值
常用操作模式有三种：
◆BOP面板操作：
一般先P0010=30，P970=1，把其他参数复位，然后设定P0010=0、P0700=1、P1000=1。
◆4-20毫安控制：
一般先P0010=30，P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=2、P1000=2。
◆Profibus总线控制：
一般先P0010=30，P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=6、P1000=6。
具体操作请参考多媒体系统。
在设定好之后，并不一定需要开启正转启动钮子开关，而是可以通过P0700的不同设置来启动，例如面板，或者总线命令。
调试和操作步骤：
调试在基本状态下，按键进入参数设置状态。
按或键，直到显示P0700（其值为1时才能启用BOP面板控制），按键，显示其参数值，按或键，修改其参数值为1，再次按键设定参数。
同以上操作，修改P0003和P0004参数值为2。
修改P0010参数值为1，进入快速调试模式。
设定P1000参数值为1，表示用BOP操作面板控制。
设定P1080和P1082参数值，分别为设置电动机频率的最小值（0Hz）、最大值（50Hz）。
以上几个参数设置顺序可颠倒，设置完后，应将P0010设为0，进入准备运行状态。
按或键，直到显示，按启动键，显示数值从0变化到5，此时变频器已启动，按键，设定频率为30～50之间，可听到继电器变化，若将水泵插线头接上，可以启动水泵。
我们使用Profibus面板进行控制，使用PPO1数据结构。
这是最简单的控制方式。
具体操作请参考文件MM4_Profibus_Eng.pdf。
频率对应的数值，0-0Hz，16385-50.00Hz，可以提供如下转换公式：
AV：
=REAL_TO_WORD（16385*IN/50）；
IN是目标频率，AV为要输出的数值。
西门子变频器不需要增加任何硬件就可以进行BOP面板操作，可以进行4-20mA控制，也可以使用PROFIBUS-DP总线控制。
西门子变频器单相电源接线方式如图1.29所示。
特别的是：
（1）本系统使用了变频器输出端子U、V、W中的U、V两相，电压为220V。
（2）启动端使用了变频器的STF功能，其控制线接端子5和8。
（3）速度调节控制线接端子3和4，2-10V控制，并500欧姆电阻后为4-20mA控制。
（4）变频器的ProfibusDP模块采用外部24V直流电源供电。
因此，断开开关以后还必须等待5分钟，保证变频器放电完毕，再开始安装工、维护等工作。
变频器的控制电缆，电源电缆和与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离，不要把它们放在同一个电缆线槽/电缆架上。
信号电缆不要和变频器电缆并行过长。
图1.29MICROMASTER420变频器的连接端子
面板拆卸示意如图1.30所示。
按下卡子，把面板向外拉即可。
5）调节阀接线和操作
♫参考《调节阀使用说明书》
调节阀特性：
单座阀，螺纹连接，线性流量。
调节阀外观如图1.31所示，接线及内部跳线请参照《调节阀使用说明书》。
图1.31电动调节阀
6）调压模块接线和操作
调压模块外观如图1.32所示。
如果采用电压控制，则从4号端子的CON端输入2-10V。
如果采用电流控制则从3号端子输入4-20mA。
调压器到加热管采用380V三相交流供电，用三角接法。
四控制箱操作
现场电气控制箱面板如图1.33所示。
图1.33现场电气控制箱面板
三相剩余电流保护器，合上该空气开关才能给锅炉加热。
单相剩余电流保护器，合上该空气开关所有设备才能上电。
三相电源指示灯，三相电供电时亮起。
单相电源指示灯，单相电供电时亮起。
对象顶部照明电灯旋钮开关。
水泵1#的变频器供电旋钮开关，打开变频器电源。
水泵2#供电旋钮开关，打开水泵电源。
变频器正转启动旋钮开关。
电压表，调压模块输出端电压指示。
变频器。
第三节基本控制系统
基本控制系统安装在一个或两个标准控制机柜中，控制系统可能有智能仪表、PCI多功能卡，ADAM4000控制系统、ADAM5510EKW/TP，西门子S7-300，罗克韦尔PLC，三菱PLC等等。
一控制机柜和IO面板
A3000高级过程控制实验系统采用标准机柜安装控制系统，要求可靠接地。
机柜尺寸为800mm宽X600mm深X1900mm高。
如果控制系统均为24V供电，则提供24V10A开关电源供电；
如果部分控制系统为220V供电，则提供24V5A开关电源供电。
机柜系统结构如图1-34所示。
图1-34控制机柜
机柜面板左侧是I/O面板，从上之下分别是电源开关、DC24V电压表、执行机构接口、传感器测量信号接口、流量计接口以及数字接口等。
I/O板如图1.35、1.36、1.37、1.38所示。
图1.35是电源、执行器I/O面板，通过右上角的剩余电流保护器可以开启整个控制系统电源。
图1.36是温度传感器，直流电源I/O面板，这里各个温度接线端子通过温度变送器输出4~20mA信号。
直流电源提供24V和GND接线端子。
图1.37是压力、液位和流量I/O面板，液位变送器可能有4个，中水箱右液位和锅炉液位通过三通连接，可以进行切换，测量两个测点的液位。
图1.38是数字量接口和信号切换I/O面板，如果仪表具有现场总线信号，则仪表信号切换将会把信号在现场总线信号和常规信号之间切换。
图1.35电源、执行器IO面板
图1.37压力、液位和流量I/O面板
图1.36温度传感器，直流电源I/O面板
图1.38数字量接口和信号切换I/O面板
二通讯面板
通讯面板具有三个串行口。
一般情况下1#串口连接智能PID控制器，2#串口连接ADAM4000DDC控制系统。
具体操作请参考接线图。
三一般控制信号连接和操作
控制器的信号直接连接到面板上，再通过插孔和锁紧连接线连接到现场系统的IO信号面板上。
计算机和控制系统通过RS232，或者以太网，或者专门的卡件进行联接。
一、面板接线
一般控制系统I/O接口如图1.39所示。
其中，ADAM4000，ADAM5000的DOCOM连接了24V，DICOM连接GND。
一般情况下PLC（S7-200，S7-300，ADAM8000，FX2N，SLC500）和MACSDCS的DOCOM连接了GND，DICOM连接24V。
现场的干接点闭上时，输入为0，否则为1。
数字量输出1时，外部负载变化。
二、控制系统运行时接线
以单容液位调节阀控制为例，连接如图1.40所示。
控制面板上的输入端AI0+、AI0-分别与I/O面板上的水箱液位输出端的正负极连接，控制面板上的输出端AO0+、AO0-
分别与I/O面板上电动调节阀控制信号输入端的正负极连接。
图1.40运行接线图
数字量控制系统接线如图1.41所示。
I/O面板上的输出信号和公共端分别与控制面板上的输入端DI0、DI1以及输入信号公共端DICOM连接；
制面板上的输出端DO0、DO1以及输出信号公共端DOCOM分别与I/O面板上的被控对象及公共端连接。
具体那个通道连接指定的传感器和执行器取决于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。
图1.41数字量控制系统运行接线示意
第四节联合调试
联合调试就是把现场系统、控制系统和监控系统联合在一起进行调试。
具体方法不是唯一的。
建议在各个系统独立调试完成之后，进行如下联合调试工作。
一监控系统和控制系统
首先使用监控系统连接控制系统，这里是指组态软件的工程和控制器的对连。
（1）使用控制器编程软件下装程序（PLC或者DCS等）。
这个程序可以非常简单，例如就设定一个变量，这个变量的初始值设定的普通一些，例如66。
当然也可以下装整个程序。
（2）在组态软件中可以运行一个非常简单的工程，例如读取一个变量的数据。
这个步骤主要是检测系统的通讯是否正常。
（3）在保证通讯正常的情况下。
下装整个控制器程序，运行整个组态软件工程。
（4）打开编程软件同时进行监控，看所有的数据在组态软件中是否可以正确获取。
组态界面上修改交互的数据，通过编程软件观察是否数据已经被修改。
由于还没有进行实际现场信号的获取，可以使用编程软件的强制和覆盖功能。
（5）完成调试后，取消所有强制和覆盖列表。
最好再次重新启动控制系统。
二连接现场系统
（1）连接现场系统到控制系统。
增加液位或者温度，观察数据是否改变，是否正确获取了现场信息。
（2）控制器中的调节器设置为手动，然后通过组态界面修改输出值，看执行机构的变化是否正确。
（3）设置最大或最小输出值，观察控制目标所能到达的范围。
作为后续调试的依据。
（4）如果可能，则进行系统特性的简单测量，可以使用飞升特性曲线的方法。
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