北华大学过程控制实习报告.docx

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北华大学过程控制实习报告

北华大学电气信息工程学院

《过程控制系统》

课程实习报告

班级：

测控ＸＸ－ＸＸ

学号：

ＸＸ

姓名：

XXX

专业名称：

测控技术与仪器

指导教师：

宋文蕾孟详

目录

实习题目1

实习内容1

实习目的1

实习要求1

硬软件介绍2

1.研华PCI17112

2.MM420变频器2

3.PT330型压力变送器3

4.磁力离心泵3

5.霍尼韦尔电动执行器ML7420A8088-E调节型控制执行机构描述5

6.PID算法介绍5

7.组态王参数设置6

实习步骤6

1.液位控制系统硬件搭建6

2.工艺流程图7

前馈控制7

单回路控制8

串级控制9

系统调试及运行10

1.前馈控制10

2.单回路控制11

3.串级控制13

实习心得15

附录16

参考文献17

实习题目

液位控制系统的三种控制模式

实习内容

通过三种不同的控制模式来控制液位控制系统中电动调节阀开度，进而使液位达到一个平衡的液位，并且在有干扰的情况下很快达到一个自整定的过程。

画出工艺流程图和电气接线图。

实习目的

集散控制系统的工程实践是集散控制系统教学体系中的一个重要环节。

对学生动手和创新能力的培养，工程素质的提高，具有不可替代的作用。

通过实习，增强了学生对集散控制系统各组成部分的感性认识，同时对相关理论的有关知识进行全面的复习和综合运用，从而培养了学生的工程意识，贯彻、执行国家标准的意识，为后续课程的理论教学和实践教学奠定基础。

实习要求

1、了解系统组成及结构；

2、能正确进行硬件连接；

3、能熟练使用组态软件，并设计相关程序；

4、完成温度、压力、液位、流量等常见工业对象的集散控制；

5、按时出勤，安全操作，爱护设备；

按照实习报告的内容及格式要求认真完成实习报告书。

硬软件介绍

1.研华PCI1711

PCI-1711是12位的低损耗多功能采集卡卡,具有独特的电路设计和完善的数据采集与控制功能,支持即插即用,具有FIFO的高速缓存,可灵活设定输入类型和范围,具有16通道单端模/数输入、16通道数字I/O和2通道数模输出,采集速率可达100kHz,可编程的计数/计时器可作为A/D转换的速度触发,同时具有通道自动搜索功能。

内部结构主要有单端模拟输入通道、模拟输出通道和触发源连接三部分。

2.MM420变频器

西门子MM420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。

该系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。

MM420变频器可以通过3个数字输入端口对电动机进行正反转运行、正反转点动运行方向控制，可通过基本操作板BOP的，按增加，减少输出频率，来设置正反向转速的大小；也可以由模拟输入端控制电动机转速的大小。

MM420变频器为用户提供了一对模拟输入端口AIN＋和AIN－，即端口“3”和“4”

4～20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制。

本装置变频器的用法：

上电时，EXT灯先亮，此时将控制内外控的双掷开关掷到内控端，RUN灯点亮，开始内控变频控制水泵。

当实行外控时将制内外控的双掷开关掷到外控端，按

键，此时PU灯点亮，旋转

到所希望的值，按

键数字闪动几下，再按

键即可运行，按

停止运行。

当双掷开关掷到外控时，变频器将由外部电流来控制频率的大小。

变频器内部参数大部分都和变频器说明书一样，只有一小部分改动，改动参数如下。

C5=15P21=3P30=1P39=80P53=1

P59=1P60=4P61=4P62=4P63=4

PU灯亮时，才能改变参数，外部电流无法控制，调节变频器设定用旋钮，改变频率的大小；EXT灯亮时，不能改变变频器内部参数，将面板上的双掷开关掷到外控，外部输入4～20mA控制电流控制变频器的频率。

按下STOP键变频器停止工作。

如变频器在外控工作状态下，将双掷开关掷到内控，变频器便停止工作；如需变频器再在外控状态下工作，将双掷开关掷到内控，将变频器上的PU/EXT转换一下，然后再将双掷开关掷到外控，变频器便开始工作。

具体请事项请参见变频器使用手册。

3.PT330型压力变送器

PT330防水型压力变送器是一种常用的防水型压力变送器产品，是以输出为标准信号的压力传感器，主要针对于各种液体、气体、蒸汽等介质进行检测。

采用进口敏感芯体，配合优良的运放电路，具有很好的稳定性和可靠性，精度高，抗冲击压力较好，适合测量各种与316不锈钢兼容的介质。

它采用标准隔爆铸铝外壳，可全天候使用，并且可选带表头指示，是工业现场和过程控制的最佳选择。

特点：

316L不锈钢隔离膜片结构高精度、全不锈钢结构微型放大器，电压、电流、频率信号输出抗干扰强、长期稳定性好，外形结构多样化。

具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时变送器会自动限流在35MA以内。

稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.2%FS/年。

在补偿温度0～70℃范围内，温度飘移低于0.2%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.5%FS。

技术性能：

供电电源：

12VDC～36VDC、典型24VDC

输出信号：

4～20mA、1～5V、0～10mA、0～20mA、0～5V、1～10kHz

量程范围：

-0.1…0～0.02…100Mpa

补偿温度：

-10～70℃介质温度：

-40～125℃环境温度：

-40～85℃

外壳防护：

IP65

压力类型：

表压、绝压、密封压

精度：

0.1、0.3、0.5级可选

长期稳定性：

≤0.2%FS/年

零点温度漂移：

±0.03%FS/℃

灵敏度温度漂移：

±0.03%FS/℃

过载压力：

200%FS固有频率：

5kHz～650kHz

4.磁力离心泵

广泛用于化工、制酸、制碱等；属于化工、石油化工、制药等；带来了较高的经济效益和社会效益。

磁力离心泵是将永磁联轴器的工作原理用于离心泵的高科技产品，设计合理，工艺先进，具有全密封，无泄漏，耐腐蚀等特点磁力离心泵可广泛用于化工、制酸、制碱、冶炼、稀土、农药、染料、医药、造纸、电镀、酸洗、无线电、化成箔、石油、食品、电影照相洗印、科研机构、国防工业等单位抽送酸、碱液、油类稀有贵重液、毒液、挥发性液体，特别是易漏、易燃、易爆液体的输送与增压。

结构原理

磁力化工离心泵由离心泵、磁力传动器、电动机三部分组成。

关键部件磁力传动器由外磁转子、内磁转子及不导磁的隔离套组成。

当电动机带动外磁转子旋转时，磁场能穿透空气隙和非磁性物质，带动与叶轮相连的内磁转子作同步旋转，实现动力的无接触传递，将动密封转化为静密封。

磁力自吸离心泵采用先进的外混式轴向回水泵体结构设计，泵体由吸液室、储液室、蜗壳、回流孔、气液分离室等部分组成。

泵启动后，在离心力的作用下，吸水室中的剩余液体与进液管路中的空气被叶轮搅拌形成气液混合物，混合物通过蜗壳进入气液分离室，随着流速降低，导致气水分离，空气由泵出液口排出。

磁力自吸泵的驱动装置采用主动磁铁联轴器直接装在电机轴上，通过磁力偶合间接驱动转子组合上的叶轮旋转，泵腔全部封闭，完全无泄漏。

磁力高粘度离心泵是有圆盘泵，磁力传动器、电动机三部分组成。

圆盘式叶轮离心泵，从叶轮向液体流的能量传递是在旋转圆盘的边界层的磨擦力的作用下进行。

当液体进入泵时，其分子与圆盘表面接合，同时形成边界层。

随着泵的旋转，发生了向圆盘间液体分子后继层的能量传递。

以此种方式形成的强大压力场将产品以层状（即不受流体波动影响）“拖拽”出泵。

按输送介质的物理、化学性质、磨损性、腐蚀性不同，过流部件的材料分为金属和非金属类两大类。

结构特性

1.永磁体由稀土永磁材料制成的永磁体工作温度范围广（-45－400℃），矫顽力高，磁场方向具有很好的各向异性，在同极相接近时也不会发生退磁现象，是一种很好的磁场源。

2.隔离套在采用金属隔离套时，隔离套处于一个正弦交变的磁场中，在垂直于磁力线方向的截面上感应出涡电流并转化成热量。

涡流的表达式为：

其中Pe－涡流；K—常数；n—泵的额定转速；T－磁传动力矩；F－隔套内的压力；D－隔套内径；一材料的电阻率；—材料的抗拉强度。

当泵设计好后，n、T是工况给定的，要降低涡流只能从F、D等方面考虑。

选用高电阻率、高强度的非金属材料制作隔离套，在降低涡流方面效果十分明显。

3.冷却润滑液流量的控制泵运转时，必须用少量的液体对内磁转子与隔离套之间的环隙区域和滑动轴承的摩擦副进行冲洗冷却。

冷却液的流量通常为泵设计流量的2%-3%，内磁转子与隔离套之间的环隙区域由于涡流而产生高热量。

当冷却润滑液不够或冲洗孔不畅、堵塞时，将导致介质温度高于永磁体的工作温度，使内磁转子逐步失去磁性，使磁力传动器失效。

当介质为水或水基液时，可使环隙区域的温升维持在3-5℃；当介质为烃或油时，可使环隙区域的温升维持在5-8℃。

4.滑动轴承磁力泵滑动轴承的材料有浸渍石墨、填充聚四氟乙烯、工程陶瓷等。

由于工程陶瓷具有很好的耐热、耐腐蚀、耐摩擦性能，所以磁力泵的滑动轴承多采用工程陶瓷制作。

由于工程陶瓷很脆且膨胀系数小，所以轴承间隙不得过小，以免发生抱轴事故。

由于磁力泵的滑动轴承以所输送的介质进行润滑，所以应根据不同的介质及使用工况，选用不同的材质制作轴承。

5．保护措施当磁力传动器的从动部件在过载情况下运行或转子卡死时，磁力传动器的主、从动部件会自动滑脱，保护机泵。

此时磁力传动器上的永磁体在主动转子交变磁场的作用下，将产生涡损、磁损，造成永磁体温度升高，磁力传动器滑脱失效。

5.霍尼韦尔电动执行器ML7420A8088-E调节型控制执行机构描述

霍尼韦尔电动阀门执行器ML7420A8088-E，600N，20MM行程，调节型，无弹簧复位功能。

霍尼韦尔电动阀门执行器ML7420A8088-E可为阀门提供调节型控制并且输出2~10V位置反馈信号,它们可广泛应用于加热、通风及空调系统。

特点：

（1）无需连杆，安装简单快捷

（2）低能耗，免维护 ;自适应功能 

（3）终点限位开关 ;手动开关 

（4）动作方向可选 ;正反作用可选;故障安全位置可选（控制信号缺失时）

（5） 阀门定位准确

防腐设计型号参数 :

供电压:

24Vac±15%;50/60Hz功耗:

5VA输入信号:

0

（2）Vdc

阀门连接件位于顶端输入信号:

10Vdc

阀门连接件位于底端额定行程:

20mm运行时间:

（50Hz）1min

推力:

600N

6.PID算法介绍

众所周知，要使控制系统具有良好的控制性能，除了必须正确的选取、设计控制方案以外，还必须正确的选择控制算法并进行参数整定。

在控制系统中，按照给定信号和反馈信号之间的偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器[8]。

它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象─“一阶惯性＋纯滞后”与“二阶惯性＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，可以方便的改变为PI、PD、PID等控制器。

  比例调节作用对系统性能的影响：

比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；比例系数偏大，振荡次数加多，调节时间加长；系统会趋于不稳定；比例系数太小，又会使系统的动作缓慢。

比例系数可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。

积分调节作用对系统性能的影响：

是使系统消除稳态误差。

提高无差度。

因为有误差积分调节就进行，直至无差积分调节停止，积分调节输出一个常值。

积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。

Ti越小积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用对系统性能的影响：

微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。

因此能产生超前的控制作用，可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强地加大微分调节对系统抗干扰不利。

此外微分反应的是变化率，当输入没有变化时微分作用输出为零，因此微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合组成PD或PID控制器。

7.组态王参数设置

P：

比例系数

I：

积分系数

D：

微分系数；在这里一直为0

SP：

设定值

U（K）：

实时显示电动调节阀的开度

PV：

实时显示液位值

实习步骤

1.液位控制系统硬件搭建

MM420变频器可以通过数字量输入端口控制电动机的正反转，由模拟输入端控制电动机转速大小。

MM420变频器的模拟量输入为0-10V电压，在模拟量输入端接一电位器便可。

在前馈控制和单回路控制方案中电机是给一个恒定的频率。

只有在串级控制回路中才通过组态王来进行控制。

通过设置组态王中的SP的参数值，使电动调节阀的开度变化，进而使水箱液位改变，直至水箱的液位值达到SP设定的值。

具体的硬件搭建如下图所示：

图1

液位控制系统的硬件总体图

2.工艺流程图

前馈控制

前馈控制是一种按扰动变化的大小实施控制的系统。

控制作用产生在扰动发生的同时，而不是等到扰动引起被控制变量发生波动之后。

如图2所示为前馈控制系统，该系统是由差压变送器检测出气压信号回传给上位机，由于在差压变送器之前有两个涡轮流量计，因此产生的压力与流量有一定的关系。

图2前馈控制系统

压力与与流量关系如表1

流量

0.051

0.105

0.158

0.214

0.264

0.3

压力

0.07

0.11

0.16

0.23

0.24

0.24

表格1流量，压力对应关系

（注：

压力单位为KPa，流量单位m^3/min）

单回路控制

如图3所示为反馈控制系统，当压力变送器将压力信号回传给上位机时，这时，将上位机的设定值与压力变送器返回的数值进行比较，然后再控制电动调节阀，以达到平衡水位。

图3反馈控制系统

串级控制

1、串级控制系统的组成

图4串级控制系统的组成

2、控制过程分析

（1）扰动进入副回路

（2）扰动进入主回路（3）干扰同时进入主、副回路

串级控制系统有很强的克服扰动的能力，特别是对进入副环的扰动，控制力度更大。

3、串级控制的特点

①主回路为定值控制系统，而副回路是随动控制系统。

②结构上是主、副控制器串联，主控制器的输出作为副控制器的外设定，形成主、副两个回路，系统通过副控制器操纵执行器。

③抗扰动能力强，对进入副回路的扰动的抑制力更强，控制精度高，控制滞后小。

因此，它特别适用于温度对象等滞后大的场合。

4、如图5所示为串级控制系统的流程图，在这个图中，下水箱的液位为控制对象，压力变送器-电动调节阀为主控制回路；上水箱-差压变送器-水泵为副回路控制系统。

图5串级控制系统的流程图

综上三种控制系统，均用到了PID控制算法，前两种通过PID来控制电动调节阀的开度，在上位机中电动调节阀的范围在（0~1000）分别对应4~20ma电流，第三种控制系统通过PID控制算法分别控制电动调节阀和变频器，再通过变频器改变水泵的频率，来改变水位的上升速率。

系统调试及运行

1.前馈控制

打开组态王工程名：

前馈控制系统。

图6前馈平衡调节图

图7前馈平衡图

2.单回路控制

打开组态王工程名：

一阶液位控制系统。

图8纯比例控制液位变化图

图9加入积分且比例变为原来的80%的液位变化图

图10液位平衡图

图11加入扰动后得到的4:

1衰减比振荡图

3.串级控制

由于时间的原因，串级控制液位的试验，没有做完，所以使用Simulink仿真。

设被控对象的传递函数为：

其中主控对象为：

副控对象为：

二次扰动为有限带宽的白噪声，一次扰动为阶跃信号。

在单回路控制系统中得到的输出响应仿真图如下，其Simulink仿真模型结构图见附录程序图1：

图12

采用串级控制，外环采样时间

；内环采样时间

:

Simulink仿真，仿真图见附录图2,得到输出响应图如下：

实习心得

一周的实习很快结束了，在本次实习中我学到了很多的东西。

理论联系实际，将书本上的理论知识应用于实际操作中，让它们发挥出自己本身的光彩。

在以后的学习中我将更注重实际的操作能力的学习。

在实习期间通过理论联系实际，不断的学习和总结经验，巩固了所学的知识，提高了实际处理问题的能力，为生产实习的顺利进行总结经验。

在一周的实习里，我第一次接触到了实实在在的集散控制系统，不再是书本上那整齐而枯燥的框图，也不再是网络里那鲜艳而古板的照片。

那些仪器仪表也是实实在在的，不再是一个字母或几个数字可以代替的。

在这段时间里，充分体会到了自动控制的魅力。

那些几种金属组成的仪器仪表及控制线路，给上电源就可以按照人的意愿来控制似乎虚无有实实在在的温度，让它乖乖的听话。

在这段时间里，我学到最多的就是理论与实践的相结合。

实习虽然结束了，但学到的知识永远的陪伴着我。

理论联系实际，将书本上的理论知识应用于生产实习中，让它们发挥出自己本身的光彩。

在以后的学习中我将更注重实际的操作能力的学习。

本次实训是分组完成，遇到问题和同学互相讨论交流就和同学讨论。

我们在做实训的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使调试的过程中没有方向。

讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。

总之，这次的实训给予了我不同的学习方法和体验，让我深切的认识到实践的重要性。

在以后的学习过程中，我会更加注重自己的操作能力和应变能力，多与这个社会进行接触，让自己更早适应这个陌生的环境，相信在不久的将来，可以打造一片属于自己的天地。

附录

程序图1

参考文献

[1]《过程控制工程》（第三版）于玲王树青电子工业出版社

[2]《组态软件应用技术》孙立坤侯冰涛电子工业出版社

[3]《集散控制系统（第2版）》；作者：

刘翠玲；出版地：

北京大学出版社；出版年份：

2013年；

[4]《集散控制系统》；作者：

周富荣；出版地：

北京大学出版社；出版年份：

2011年