A3000过程控制实验指导.docx

第一章A3000高级过程控制实验系统概述本章介绍A3000高级过程控制实验系统整个测试平台的构成。A3000包括物理硬件系统以及配置的软件系统。第一节总体架构A3000测试平台总体物理系统如图1.1所示，包括控制系统和现场系统，控制系统可有30多种，现场系统可具有现场总线。总体逻辑结构如图1.2所示。图1.1Au3000测试平台物理系统图1.2总体逻辑结构A3000现场系统特性：A尺寸：1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度），全不锈钢框架;A电力：三相接地四线制380V0%,单相三线制，220V10%；A能耗：最大额定用电kwho自来水120L,可重复使用；A3000控制系统特性：A尺寸：800（宽度）X60（深度）X1950（高度）。标准工业机柜；A电力：单相三线制，220V10%；A能耗：最大额定用电1kwh;第二节测试平台现场系统物理受控系统包括了测试对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器），从而组成为了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。下面使用示意图和流程图方式介绍现场系统的结构、原理、操作和维护。系统必须可靠接地，以防止因动力设备静电积累而造成触电或者设备损坏。-现场系统结构示意图现场系统结构示意图如图1.3所示。TTlOlQvI公XVl（H水箱XVISLTlOI iQVmlXVm i Elol锅炉LSlS用心器ITlOJ整出+QvIa ZPTioi Et?QVIS“04大储水箱QniTn:QVI19总体的测点清单如表1.1所示。表1.1整体流程测点清单序号位号或？代号设备名称用途原始信号类型工程量1TE-101热电阻锅炉水温PtWOAlO-100oC2TE-102热电阻锅炉回水温度PtWOAl0-100oC3TE-103热电阻换热器热水出口水温PtWOAlO-100oC4TE-104热电阻换热器冷水出口水温PtWOAlO-100oC5TE-105热电阻储水箱水温PtWOAl0-100oC6LSL-105液位开关锅炉液位极低连锁干接点DlNC7LSH-105液位开关锅炉液位极高连锁干接点DlNC8XV-101电磁阀一支路给水切断光电隔离DONC9XV-102电磁阀二支路给水切断光电隔离DONC10AL-101告警光电隔离DONC11FT-101涡轮流量计一支路给水流量4-20mADCAl03r3h12FT-102电磁流量计二支路给水流量4-20mADCAl03m3h13PT-101压力变送器给水压力4-20mADCAl150kPa14LT-101液位变送器上水箱液位4-20mADCAl2.5kPa15LT-102液位变送器中水箱液位4-20mADCAl2.5kPa16LT-103液位变送器下水箱液位4-20mADCAl2.5kPa17LT-104液位变送器锅炉/中水箱右液位4-20mADCAl0-5kPa18FV-101电动调节阀阀位控制4-20mADCAO0-100%19GZ-101调压模块锅炉水温控制4-20mADCAO0-100%20U-101变频器频率控制4-20mADCAO0-100%注：所列信号类型为原始信号，在控制柜中Ptwo经过变送器转换成为了420mA°普通两线制信号在IO面板上已经连接了24V和GND,可以按照四线制方式使用。执行机构普通210V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®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XVK>2电相圈VlOl上水箱FVIOiaTJM累境ElOl锅炉滞屈系褫WMetjHV1Q2中水箱LTIO2 中冰箱漕位PTK)I压力FTlo2置计P101HPIS水累XVIol电磁阀FTYOIXIitLT12懒炉， 中右水箱洎位V103下水箱LT103 下水箱清位图1.4现场系统示意图LTIol 上水篇港位1）上水箱上水箱位于框架右上方，摹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。防波做5sn值握方向图1.5上水箱透视图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。调整出口调整出口播竣方向播读方同引压孔1大出水管。图16中水箱透视图 引任孔图1.7中水箱顶视图OO防波板中水箱 左容器中水箱 右容善大出水管出水间板分碣丽板变容的实现过程：(1)将分隔闸板提得很高，例如2厘米以上，则中水箱摆布两边容器合在一起，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：分隔闸板作为摆布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，从而摹拟倒锥形工业容器。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。谓整出口4）常压锅炉图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。手阀温度传感器电磁阀图1.11换热系统示意图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。PtloO护言航空播头1引域图1.13PT100温度传感器温度变送器为两线制，24V直流供电。如图1.14所示。图1.14 PTlC）O温度变送器接线原理图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，另侧可以调节零点或者满量程，如图1.16所示。图1.16压力/液位变送器量程调节示意图3）流量检测设备现场系统普通包括一个涡轮流量计和一个电磁流量计。A、涡轮流量计参考手册：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420mA信号。涡轮流量计如图1.17所示，其接线如图1.18所示。图1.17涡轮流量计图1.18涡轮流量计接线图涡轮流量计如果阻塞，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，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。图1.20电磁流量计注意：不要在没有水的情况下给电磁流计加电。加电几分钟后才干获得准确数值。电磁流量计接线图如图1.21所示。图1.20电磁流量计接线图注意：只连接220V电源L和N线、信号“4-20亳安”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P101O由于变频器响应快速，所以控制时间会短一些。A、三菱变频器参考手册：三菱变频器FR-S500使用手册（基本篇或者高级篇）三菱变频器如图1.22所示。羯作面甄前m （图1.22二菱变频器FR-S520S)2M 7KCH FR-S54(M) 4K.37K-CH FR520S-15K-CH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（Wei）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。前盖桢的拆卸与安装请按箭头方向拉出则可拆卸下。安装时,请将董与机身正面却合直着安装上.接线差的折卸与安装向前拉出可方便的拆制下.安装时,请与身板相吻合.安装到机身上.图1.23变频器安装拆卸示意图相220交流电源喻入主回踣端子。控制回珞发入端子控制回珞健出端子图124:菱变频器接线图操作面板不能从史频上取下建作板RUN¾I运行时点亮/内叉PU示PUtl作模式的点亮示用3位LED表示依率/“款序号号x-外IMt作模式时片先鲜用或钻玄更蟆率设定.参做的Q定值.不能取下图1.25变频器操作面板PU/EXT显示RUNW运行播令正独反“用g17)ftASTOP/RESET城进行运行的停止.报的疑位SETWI定各设定MODEST切挨设定模式变频器操作模式有多种：今模式Pr79为模式0,切换PU操作或者外部操作。今模式Pr79为模式1,只执行PU操作。今模式Pr79为模式2,只执行外部操作。今模式Pr79为模式3,用设定旋钮进行4-2OmA频率设定，STF,STR启动。今模式Pr79为模式4,外部端子信号（多段速，DC05V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3420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），哈：键设置PU操作模式，PU显示灯亮女旋转©直到显示为希翼的频率值（设30）,约5秒闪灭。在数值闪灭期间，按SET键，设定频率数值。欧L_<3Hfc上闪烁3秒后，显示屏回到0.0显示状态，按RUN键运行。.VClZ按：千-键，变频器住手工作。2至-JQ（2）420mA电流控制首先断开STF和SD的连接（启动旋钮），按Gq键，进入参数设定模式，拨动G）选择参数Pr.79（操作模式选择），设定为3o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Pr79设为OoB、西门子变频器参考手册：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普通包括三个部份：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。图1.26西门子变频器DP模块如图1.27所示。图1.27西门子变频器DP模块西门子BOP面板如图1.28所示。图1-28两门子变频器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，左下角是住手按钮。具体功能如下：按钮功能功能说明0000状态显示LCD显示变频器当前的设定值II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=1I住手变频器0FF1：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。0FF2：按此键两次（或者一次，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（一）表示或者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=10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/由动机正在运行，按此键将不起作用。I©I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（八）3 .输出频率（HZ）4 .输出电压（用。表示-单位：V）5由POO05选定的数值（如果POOo5选择显示上述参数中的任何一个（3,4,或者5）,这里将再也不显示）。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或者PXXXX）l,短期按下此键将即将跳转到EOOO,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：PoOlO开始快速调试今0准备运行今1快速调试今30工厂的缺省设置值P0700选择接通/断开/反转(On/off/reverse)命令源今0工厂设置值今1基本操作面板(BOP)今2摹拟量输入端子/数字量输入今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=0oP1000选择目标频率设定值来源今0无频率设定值今1用BoP控制频率的升降今2摹拟设定值今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=0oP0004参数过滤器今2变频器今4Pl比例积分控制器今10设定值通道和斜坡函数发生器今20通讯今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Pooo3来选择。对于大多数应用对象，只要访问标准级(PoOO3=1)和扩展级(POOO3=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：令BOP面板操作：普通先P0010=30,P970=1,把其他参数复位，然后设定PoOlO=0、P0700=1P1000=1o令4-20亳安控制：普通先P0010=30,P970=1,把其他参数复位，然后POOIO=0、P0700=2sP1000=2o令ProfibUS总线控制:普通先P0010=30,P970=1,把其他参数复位,然后POOlo=0、P0700=6>P1000=60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：噂试在基本7叩皿状态下，按gg键进入参数设置状态。按静品键，直到显P0700(其值为1时才干启匐OP面板控制)，厚键，显示其参数值，解或晕键同以上操作，修改POOO3和POOO4参数值为2o修改POolO参数值为1,进入快速调试模式。设定PlooO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(OHz)、最大值(50Hz)。以上几个参数设置顺序可颠倒，设置完后，应将POoIo设为0,进入准备运行状态。核©或跄键，直到显示CoJo,按启动噌,显示数值从0变化到5,此时变频器已启动，按键，设W频率为3050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PP01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.pdfO频率对应的数值，00Hz,16385-50.00Hz,可以提供如下转换公式：AV：=REALJeLWORD(16385*IN50);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4-2OmA控制，也可以使用PRoF旧US-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。特殊的是：(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220Vo(2)启动端使用了变频器的STF功能，其控制线接端子5和8o(3)速度调节控制线接端子3和4,2-1C)V控制，并500欧姆电阻后为4-2OmA控制。(4)变频器的ProHbUSDP模块采用外部24V直流电源供电。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(Wei)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，再开始安装工、维护等工作。注意：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变频器面板拆卸示意如图1.30所示。按下卡子，把面板向外拉即可。图1.30西门子面板拆卸操作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，罗纹连接，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。22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2-1OVo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。图1.32调压模块四控制箱操作现场电气控制箱面板如图1.33所示。三相剩余电流保护器，合上该空气开关才干给锅炉加热。次单相剩余电流保护器，合上该空气开关所有设备才干上电。吨三相电源指示灯，三相电供电时亮起。今单相电源指示灯，单相电供电时亮起。气对象顶部照明电灯旋钮开关。区水泵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。口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者两个标准控制机柜中，控制系统可能有智能仪表、PCl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。-控制机柜和I。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24VIOA开关电源供电；如果部份控制系统为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。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420mA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。盘ttH三*上川曾U申"H#5©«：&：也6忌：/U4diH、6"'©电强:i-也公aa«21B©_U_。“图1.37压力、液位和流量K）面板图1.36温度传感器，直流电源I/O面板二通讯面板通讯面板具有三个串行口。普通情况下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。三普通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。普通控制系统I/O接口如图1.39所示。其中，ADAM4000,ADAM5000的DOM连接了24V,DlCOM连接GND0普通情况下PLC(S7-200,S7-300,ADAM8000,FX2N,SLC500)和MACSDCSfi<JDoCOM连接了GND,DICOM连接24V。现场的干接点闭上时，输入为0,否则为1o数字量输出1时，外部负载变化。图1.39普通控制系统面板图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AIO+、AIO-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A00+、AOO-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。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27板上的输入端DI0>DH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。注意：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。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。具体方法不是惟一的。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66o固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，取销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28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)设置最大或者最小输出值，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。