过程控制实验指导书 - 图文

《过程控制》

实验指导书

信息与通信工程学院

2016年4月

前 言

一、课程性质

本课程是自动化专业必修的专业实验课程。

通过本课程的教学，使学生深刻体会到过程控制的应用，掌握组态软件和PLC设备的使用，具备一定的工业控制系统设计能力。 二、项目设置

本课程总学时为8，开设的具体实验项目如下： ? 实验1 单容水箱对象特性测试（2学时，必修） ? 实验2 双容水箱对象特性测试（2学时，选修） ? 实验3 单容水箱液位定值控制（2学时，选修） ? 实验4 双容水箱液位定制控制（2学时，选修） ? 实验5 锅炉内胆水温定值控制（2学时，选修） ? 实验6 水箱液位串级控制（2学时，选修） ? 实验7 单闭环流量比值控制（2学时，选修） ? 实验8 双闭环流量比值控制（2学时，选修） 实验1-2为验证性实验，实验3-8为综合性实验。 三、专业安排

自动化专业选修4个实验项目。 四、本书特点

本指导书的特点是引入工程项目机制来管理实验项目，着重培养学生的方案设计、算法分析和现场调试能力，为将来成为卓越工程师打下坚实的基础。

I

目 录

第1章 实训平台 ............................................................................................................. 1 第2章 软件平台 ........................................................................................................... 19 第3章 操作规范 ........................................................................................................... 21 第4章 实验项目 ........................................................................................................... 22

4.1 单容水箱对象特性测试 .................................................................................. 22 4.2 双容水箱对象特性测试 .................................................................................. 30 4.3 单容水箱液位定值控制 .................................................................................. 38 4.4 双容水箱液位定制控制 .................................................................................. 48 4.5 锅炉内胆水温定值控制 .................................................................................. 50 4.6 水箱液位串级控制 .......................................................................................... 57 4.7 单闭环流量比值控制 ...................................................................................... 65 4.8 双闭环流量比值控制 ...................................................................................... 73

II

第1章 实训平台

一、系统概述

“THJDS-1A型过程控制系统实训平台”是由对象系统实训平台、S7-200PLC控制系统、智能仪表及远程数据采集控制系统和上位监控PC机四部分组成。本装置是专门为高等院校、职业院校开设的自动化、过程控制装置及自动化、自动控制等专业而研制的，可满足各大高校所开设的《传感器检测与转换技术》、《过程控制》、《自动化仪表》和《PLC可编程控制》等课程实训的教学要求。装置选用当前工业现场的典型的被控对象、被控参量和控制流程，可开展现场仪表的调校、被控对象流程的组建、控制系统线路连接、控制算法及组态软件的编程以及控制系统的分析等工作任务，适合职业学校、本科院校的技能训练和研究。

学生通过本实训装置进行综合实训后可掌握以下内容： （1）传感器特性的认识和零点迁移； （2）自动化仪表的初步使用； （3）变频器的基本原理和初步使用； （4）电动调节阀的调节特性和原理； （5）测定被控对象特性的方法； （6）单回路控制系统的参数整定； （7）串级控制系统的参数整定； （8）复杂控制回路系统的参数整定； （9）控制参数对控制系统的品质指标的要求；

（10）控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养； （11）各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。

实训平台的被控参数非常全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量和温度等典型参数。

实训平台具有多样化的控制参数和控制方案，通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控制系统实训项目。

各种控制算法和调节规律在开放的实训软件平台上都可以实现。实训数据和图表在上位机软件系统中很容易存储和调用，以便实训者进行实训后的比较和分析。

实训平台具有三种控制方式，分别是AI智能仪表控制、S7-200PLC控制和远程数据采集模块控制。

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二、对象系统实训平台

实训对象的整体结构如图1-1所示：

图1-1 实训对象的整体结构

本实训装置对象主要由水箱、锅炉、盘管和管路四大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、耐震压力表、电动调节阀、交流电磁阀、电磁流量计、压力变送器和手动调节阀组成；另一路由变频器、耐震压力表、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计和手动调节阀组成。

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1、被控对象

由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、3KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

（1）水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。同时，结合行业和产业实际生产过程的对象，在上水箱和中水箱的出水口均增加了电动球阀和流量计，可以实现水箱出水流量的自动控制。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱实训供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

（2）模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实训。做温度实训时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实训。

（3）盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实训。

（4）管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实训装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

2、检测装置

（1）压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其中三只采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。其量程为0～5KP，精度为0.5级。

（2）温度传感器、变送器：装置中采用了6只Pt100铂电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内

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胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）、上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200～+650℃。经过2只温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号，然后送入二次仪表进行温度的测量。Pt100传感器精度高，热补偿性较好，可用于做标准校验用热电阻。

（3）流量传感器、变送器：采用3台涡轮流量计。涡轮流量计的传感器部分为涡轮结构，是一种速度式检测仪表，用于检测水流量的大小，当流量很小时其精度也不会降低。变送器为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度1.0级，是高精度型传感器、变送器一体式结构的流量检测装置，用来对电动调节阀支路流量、变频泵支路流量及盘管出口流量进行检测。

3、执行机构

（1）电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

（2）水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

（3）电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。工作压力：最小压力为0MPa，最大压力为1.0MPa ；工作温度：－5～80℃；工作电压：AC220V。

（4）三相电加热管：由三根1KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。

三、过程控制系统

“THJDS-1A型过程控制系统”主要由电源控制、智能仪表控制系统、PLC控制系统、数据采集模块控制系统、调压器及变频控制、电气控制辅助和信号转接端子组件等几部分组成。

1、电源控制组件 （1）总电源控制指示面板

总电源控制指示面板如图1.3.1所示。合上总电源空气开关和三相电源空气开关，此时三相电源各相指示灯亮，指示各相电压接通。

图1-2 总电源控制指示面板

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（2）电控旋钮开关面板

该面板的作用主要是通过面板上的各个旋钮开关手动控制各个动力设备、执行器、控制系统。

图1-3 电控旋钮开关面板

注意：连接实训系统时，一定要确保空气开关打关的状态，各旋钮开关也旋在关的位置。 2、智能仪表控制系统组件

智能仪表控制系统组件如图1.3.3所示，采用AI系列全通用人工智能调节仪表，型号为TH-AI818AXS。TH-AI818AXS型仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

（1）仪表面板说明及操作说明

图1-4 智能仪表控制组件

① 输出指示灯 ② 报警1 指示灯 ③ 报警2 指示灯

④ AUX辅助接口工作指示灯 ⑤ 显示转换（兼参数设置进入）

⑥ 数据移位（兼手/自动切换及程序设置入） ⑦ 数据减少键（兼程序运行/暂停操作） ⑧ 数据增加键（兼程序停止操作） ⑨ 给定值显示窗 ⑩ 测量值显示窗

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（2）显示状态

图1-5 智能仪表显示状态

（3）使用说明

a）显示切换：按 键可以切换不同的显示状态。TH－AI818系列仪表可在①、②两种状态下切换；TH－AI708系列仪表只能显示①，无需切换。

b）修改数据：如果参数锁没有锁上，仪表下显示窗显示的数值除自动输出值不可直接修改外，其余数据均可通过按 、 或 键来修改下显示窗口显示的数值。例如：需要设置给定值时，可将仪表切换到显示状态①，即可通过按 、 或 键来修改给定值。AI仪表同时具备数据快速增减法和小数点移位法。按 键减小数据，按 键增加数据，可修改数值位的小数点同时闪动（如同光标）。按键并保持不放，可以快速地增加/减少数值，并且速度会随小数点右移自动加快（3级速度）。而按 键则可直接移动修改数据的位置（光标），操作快捷。

c）手动/自动切换：在显示状态②下，按A/M键（即 键），可以使仪表在自动及手动两种状态下进行无扰动切换。在显示状态②且仪表处于手动状态下，直接按 键或 键可减少或增加手动输出值。通过对run参数设置（详见run参数功能说明），也可使仪表不允许由面板按键操作来切换至手动状态，以防止误入手动状态。

d）设置参数：在基本状态（显示状态①或②）下按键并保持约2秒钟，即进入参数设置状态（显

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示状态⑤）。在参数设置状态下按 键，仪表将依次显示各参数，例如上限报警值HIAL、参数锁Loc等等，对于配置好并锁上参数锁的仪表，只出现操作工需要用到的参数（现场参数）。用 、 或 键可修改参数值。按 键并保持不放，可返回显示上一参数。先按键 键不放接着再按 键可退出设置参数状态。如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。如果参数被锁上（后文介绍），则只能显示被EP参数定义的现场参数（可由用户定义的，工作现场经常需要使用的参数），而无法看到其它的参数。不过，至少能看到Loc参数显示出来。

（4）参数说明

TH-AI系列仪表是通用的人工智能调节器，输入输出规格很多，功能丰富，如果不正确的配置各项参数，就不能有效的投入使用。这里特别说明几个常用设置：

CtrL：控制方式。CtrL＝0，采用位式控制；CtrL＝1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL＝2，启动自整定参数功能；CtrL＝3，自整定结束。

Sn：用于选择仪表的输入规格，必须将Sn设定值和输入规格相符； DIL：输入下限显示值，一般DIL＝0。

DIH：输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH＝50；输入为热电阻信号时，DIH＝100；输入为流量信号时，DIH＝100。

oP1：输出方式，一般OP1＝4为4～20mA线性电流输出。

oPL、oPH：用于限制调节输出极限值，互相配合使用，控制oP1的调节输出； Ctrl：用于选择仪表的控制方式，是位式控制、PID调节或者启动自整定；

dF： 避免因测量输入值波动而导致频繁通断或报警频繁产生/解除，用于仪表的位式调节，此时P、I、d、CtI等人工智能算法的控制参数不起作用；人工智能调节的自整定值和dF设定有关；

CF：系统功能选择。CF＝0为内部给定，反作用调节；CF＝1为内部给定，正作用调节；CF＝8为外部给定，反作用调节；CF＝9为外部给定，正作用调节。

Addr：通讯地址。单回路实训Addr＝1；串级实训主控为Addr＝1，副控为Addr＝2；三闭环实训主控为Addr＝1，副控为Addr＝2，内环为Addr＝3。实训中各仪表通讯地址不允许相同。

P、I、D参数可根据实训需要调整，其他参数请参考默认设置。 （5）智能仪表与实训工程通讯参数设置

智能仪表与实训工程通讯参数设置编辑窗口如图1.3.5所示；此时的串口端口号一定要与现在计算机正使用的端口号相同，否则通讯不上。其余组态工程上的参数都按照图1-6进行设置。

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图1-6 通用串口设备窗口参数设置

此时的模块地址一定要与现在正被使用的智能调节仪的地址相同，否则也通讯不上，其余组态工程上的参数都按照图1-7进行设置。

图1-7 AI818智能调节仪表属性窗口参数设置

3、S7-200PLC控制系统

现场总线控制系统主要包括主机CPU224、EM235四入一出模拟量输入/输出模块。S7-200PLC控制系统如图1-8所示。

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图1-8 S7-200PLC控制系统

（1）S7-200PLC主机CPU224

图1-9 S7-200PLC主机CPU224

S7-200PLC主机CPU224与PC的连接如图1-10所示。

图1-10 S7-200PLC主机CPU224和PC连接

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7-200PLC主机CPU224的接线如图1-11所示。

图1-11 S7-200PLC主机CPU224接线

（2）模拟量输入/输出模块EM235

本设备所采用的EM235模拟量输入输出模块为直流输入输出模块，通过24V直流电压供电，输入0~20mA电流信号或者0-5V电压信号，输出0-20mA电流信号。可在149μ秒之内将模拟信号输入转换为其相应的数字值。

每当用户程序存取模拟点时，模拟信号输入都将进行转换。这些转换时间必须加到用于访问模拟量输入的指令的基本执行时间上。

EM235提供一个未经处理的数字值（未经线性化或滤波），它对应于模拟量输入端处出现的模拟量电压或电流。由于这种模块是高速模块，它们可以跟踪模拟量信号中的快速变化（包括内部和外部噪声）。

对一个恒定或缓慢变化的模拟量输入，由噪声引起的信号读数之间的差异，可通过对读数值取平均值的方法使其影响为最小。但由于计算平均值而增加读取信号的次数（即采样次数），会相应地降低对外部输入信号的响应速度。

订货号为：6ES7 235-0KD22-0XA8。 该模块的端子接线如图1-12所示：

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图1-12 EM235模块端子接线

用DIP开关来设置EM 235模块。EM 235的模拟量输入范围选择和分辨率设置开关如表1-1所示。下表中，ON为接通开关，OFF为断开开关。

表1-1 EM 235模拟量输入范围选择和分辨率设置开关

单极性 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF ON OFF ON ON OFF OFF OFF ON ON OFF ON ON OFF OFF ON ON ON ON ON ON ON ON ON 满量程输入 0到50mV 0到100mV 0到500mV 0到1V 0到5V 0到20mA 0到10V 满量程输入 ±25mV ±50mV ±100mV ±250mV ±500 ±1V ±2.5V ±5V ±10V 分辨率 12.5μV 25μV 125uA 250μV 1.25mV 5μA 2.5mV 分辨率 12.5μV 25μV 50μV 125μV 250μV 500μV 1.25mV 2.5mV 5mV 11

OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF 双极性 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF ON OFF ON OFF OFF OFF ON OFF ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON ON OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF

EM 235的模拟量极性和增益衰减设置开关如表1-2所示。

表1-2 EM 235模拟量极性和增益衰减设置开关

EM235开关 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF 单/双极性选择 单极性 双极性 增益 选择 X1 X10 X100 无效 衰减 选择 0.8 0.4 0.2 OFF OFF OFF ON ON OFF ON ON ON OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF ON 4、数据采集模块控制系统

RemoDAQ-8000系列是基于RS-485网络的数据采集和控制模块。它们提供了模拟量输入、模拟量输出/数字量输入输出、定时器/计数器和其他功能，这些模块可以由命令远程控制。

（1）模拟量输入模块RemoDAQ-8017

RemoDAQ-8017是一个8通道模拟量输入模块，通过24VDC供电，采样数率10次/秒，精确度±0.1%。模拟量输入模块具有3000VDC隔离和24位ADC提供极高的精确度。

图1-13 模拟量输入模块R8017

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RemoDAQ-8017主要由输入、电源、通讯、控制器和光隔离几部分组成，如图1-14所示：

图1-14 模拟量输入模块R8017结构

（2）模拟量输出模块RemoDAQ-8024

RemoDAQ-8024是4路模拟量输出模块并有3000VDC光隔离模拟量输出、模拟量输出值可编程、输出斜率可编程和软件校准等特性。

图1-15 模拟量输出模块R8024

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RemoDAQ-8024的结构如图1-16所示：

图1-16 模拟量输出模块R8024结构

5、调压器及变频器

该组件包括LSA-TH3P40Y三相全隔离一体化交流调压器模块、FR-D720S-0.4K-CHT交流变频器及HS-100-24 DC24V开关电源模块等。

LSA-TH3P40Y三相交流调压器 FR-D720S-0.4K-CHT三菱变频器 FS-100-24DC24V开关电源

图1-17 调压器及变频器 （1）三相全隔离一体化交流调压器模块

三相全隔离一体化交流调压器模块，采用多控制信号输入设计，可以通过标准4～20mA、0～10V、0～5V等信号，对调压模块进行输出调压控制，控制输出与控制信号具有很高的线性度，调压效果好。

三相调压器模块的上面端口为电源输入端，左侧端口为控制信号输入端，下面端口为调压信号输出端。

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图1-18 三相调压器模块

（2）交流变频器

采用日本三菱公司的FR-D720S-0.4K-CHT型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

图1-19 交流变频器FR-D720S-0.4K-CHT

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FR-D720S-0.4K-CHT的主电路如图1-20所示。

图1-20 FR-D720S-0.4K-CHT主电路

FR-D720S-0.4K-CHT的控制电路如图1-21所示。

图1-21 FR-D720S-0.4K-CHT控制电路

主电路的端子与电源、电机的接线如图1-22所示。

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图1-22 FR-D720S-0.4K-CHT主电路端子接线

用变频器面板旋钮手动控制变频器的输出来驱动三相磁力驱动泵。 变频器常用参数设置：P1＝50；P160＝0；P161＝1；P182＝4；P79＝6。

注意：连接实验导线时，切勿将变频器的输出接到380V三相磁力驱动泵输入端，更不能将380V电源输出接到220V三相变频磁力泵的输入端，否则将损坏磁力驱动泵。

6、电气控制

电气控制辅助组件如图1-23所示，主要由电源输出端子排、液位继电器、交流接触器、执行器电源输入端子排、信号输入输出端子排等组成。

图1-23 液位继电器和交流接触器

执行器的电源输入端子如图1-24所示。

图1-24 执行器电源输入端子

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执行器的电源输入端子说明如图1-25所示。

图1-25 执行器电源输入端子说明

信号的输入输出端子如图1-26所示。

图1-26 信号输入输出端子

信号的输入输出端子说明如图1-27所示。

图1-27 信号输入输出端子说明

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第2章 软件平台

一、MCGS组态软件

本装置中三种控制方案均采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows操作系统。

MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

MCGS 5.5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

MCGS 5.5软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。

图2-1 MCGS组态软件系统组成

MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。

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MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。

MCGS组态软件的具体操作和使用请自行阅读MCGS用户。

二、PLC编程软件

本套控制系统下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位机编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0。STEP 7-Micro/WIN V4.0是S7-200PLC系列产品的最新版编程软件，包括以下升级功能：PID自整定控制面板、超级项目树形结构、状态趋势图、PLC历史记录和事件缓存区、项目文件的口令保护、存储卡支持、TD200和TD200C支持、PLC内置位置控制向导、数据归档向导、配方向导、PTO指令向导、诊断LED组态、数据块页、新的字符串和变量。STEP 7-Micro/WIN V4.0的兼容性极强，支持当前所有S7-200 CPU 22X系列产品。增加了数据记录指令、配方指令、PID自整定指令、夏令时指令、间隔定时器指令、诊断LED（DIAG_LED）指令和线性斜坡脉冲指令等。

用户可以用语句表、梯形图和功能块图编程，不同的编程语言编制的程序可以相互转换。可以通过PC/PPI电缆在Windows下实现CPU和PC的通讯。总体说来，它的功能强大，使用方便，简单易学。

图2-2 西门子STEP 7-Micro/WIN软件界面

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第3章 操作规范

一、实训准备

实训前应复习教科书有关章节，认真研读实训指导书，了解实训目的、项目、方法与步骤，明确实训过程中应注意的问题，并按实训项目准备记录等。

实训前应了解实训装置中的对象、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置。以便于在实训中对它们进行操作和观察。熟悉实训装置面板图，要求做到：由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置。熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。

二、实训流程

（1）明确实训任务； （2）提出实训方案； （3）画实训接线图；

（4）进行实训操作，做好观测和记录； （5）整理实训数据，得出结论，撰写实训报告。

三、实训操作规程

（1）实训之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。

（2）接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。

（3）在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实训指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。

（4）在进行温度实验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。

（5）实训之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。

（6）仪表应通电预热15分钟后再进行校验。 （7）小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表。

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第4章 实验项目 4.1 单容水箱对象特性测试

实验类型：验证型

一、实验目的

（1）掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； （2）确定单容水箱的特征参数K、T和传递函数。

实验学时：2学时

二、实验原理

单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图4-1所示为单容自衡水箱特性测试系统结构图和方框图。阀门F1-1、 F1-3和F1-7全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-8的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。

图4-1 单容自衡水箱对象特性测试系统

根据动态物料平衡关系有

在平衡时，Q1=Q2,?dh dtd?h?Q1??Q2?A

dtQ1?Q2?A(4-1) (4-2)

dh?0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变dt化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀门F1-8的阻力R成反比，即

?Q2??h R(4-3)

22

将式(4-2)和式(4-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为

G(s)?H(s)RK ??Q1(s)RCs?1Ts?1(4-4)

式中，C为水箱的容量系数；K为放大系数，K=R；T为水箱的时间常数，T=RC。 如果Q1(s)为阶跃扰动，则式(4-4)可改写为

对上式取拉氏反变换得

H(s)?xxx0K/T?0?k0?k

s?1/Tsss?1/T(4-5)

当t→∞时，有

h(t)?Kx0(1?e?1/T)

(4-6)

当t=T时，有

K?h(?)输出稳态值 ?x0阶跃输入(4-7)

h(T)?Kx0(1?e?1)=0.632Kx0=0.632h(?)

(4-8)

式（4-6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图4-2(a)所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间就是时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点A对应的时间就是该时间常数T。求得K和T后，就能确定单容水箱的传递函数。

图4-2 单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图4-2(b)，在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

三、预习要求

Ke??sG(s)?

Ts?1(4-9)

（1）在预习报告上写出单容水箱对象特性测试的工作原理；

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（2）了解单容水箱的传递函数。

四、实验任务

选择下水箱作为被测对象，掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，确定单容水箱的特征参数和传递函数。实验前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3和F1-7全开，将下水箱出水阀门F1-8的开度开到50%左右，其余阀门均关闭。

五、实验步骤

1、智能调节仪控制

（1）将控制柜上的智能仪表用RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的实训接线图4-3连接实训系统。

图4-3 单容自衡水箱对象特性测试系统

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智能调节仪1常用参数设置如下，其他参数按照默认设置：

HIAL=9999，LoAL=-1999,dHAL=9999, dLAL =9999, dF=0, CtrL=1,Sn=33, dIP =1, dIL =0, dIH =50, oP1=4, oPL=0, oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。

（2）在控制柜上，合上三相四线空气开关、三相和单相空气开关给控制柜上电，旋开智能仪表电源，给智能仪表上电；旋开电动调节阀电源开关，给电动调节阀上电。

（3）打开上位机MCGS组态环境，打开“智能调节仪控制”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实训一的监控界面。

（4）将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值。

（5）在控制柜上，旋开三相磁力泵旋钮开关，给三相泵力驱动泵上电打水，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。

（6）待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图4-4所示。

图4-4 单容下水箱液位阶跃响应曲线

（7）根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式(4-7)计算K值，再根据图4-4中的实训曲线求得T值，写出对象的传递函数。

2、PLC控制

（1）用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC主机CPU224的口连接到计算机上的串口1上，并按照下面的实训接线图4-5连接实训系统。

（2）在控制柜上，合上三相四线空气开关、三相和单相空气开关给控制柜上电，旋开PLC电源，给PLC上电；旋开电动调节阀电源开关，给电动调节阀上电。

（3）打开STEP 7-Micro/WIN V4.0软件，打开“THJDS-1A”程序进行下载，然后将S7-200PLC主机CPU224置于运行状态，然后运行MCGS组态软件，打开“S7-200PLC控制”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实训一的监控界面。

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（4）以下步骤请参考前面“1、智能调节仪控制”的步骤4～7。

图4-5 S7-200PLC单容自衡水箱对象特性测试接线图

3、数据采集模块控制

（1）把数据采集模块用RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的实训接线图4-6和图4-7连接实训系统。

（2）在“THJDS-1A型 过程自动化控制系统”控制柜上，合上三相四线空气开关、三相和单相空气开关给控制柜上电，旋开DDC电源，给数据采集模块上电；旋开电动调节阀电源开关，给电动调节阀上电。

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（3）打开MCGS组态软件，打开“数据采集模块控制”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实训一的监控界面。

（4）以下步骤请参考前面“1、智能调节仪控制”的步骤4～7。

图4-6 数据采集模块控制输入接线图

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图4-7 数据采集模块控制输出接线图

六、实验成绩评定

类别 项目 分值 备注 预习报告 10 实验操作 无预习报告，完成液位阶跃响应曲线的记录 20 （50分） 不能做实验 完成特征参数的测量 20 阐述实验原理 10 实验报告 抄袭他人报记录液位阶跃响应曲线 20 （50分） 告，计0分 确定单容水箱的特征参数和传递函数 20

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七、思考题

1、做本实验时，为什么不能任意改变出水阀F1-11开度的大小？ 2、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？ 3、如果采用中水箱做实验，其响应曲线有什么异同？并分析差异原因。

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4.2 双容水箱对象特性测试

实验类型：验证型

一、实验目的

（1）掌握双容水箱的阶跃响应测试方法；

（2）确定双容水箱的特征参数K、T1、T2和传递函数。

实验学时：2学时

二、实验原理

由图4-8所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，依靠其自身重新恢复平衡的过程。

图4-8 双容自衡水箱对象特性测试系统

根据单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：

G(s)?G1(s)G2(s)?k1K2K?? T1s?1T2s?1(T1s?1)(T2s?1)(4-10)

式中，K＝K1K2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。

被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图4-9所示。上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数，如图4-9(a)所示；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线，如图4-9(b)所示，即下水箱的液位响应滞后了，滞后时间与阀电动球阀V2和F1-8的开度大小密切相关。

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（a）中水箱液位 （b）下水箱液位

图4-9 双容水箱液位的阶跃响应曲线

双容对象两个惯性环节的时间常数可在图4-10所示的阶跃响应曲线上求取。 （1）h2(t1)=0.4 h2(∞)时，曲线上的点B对应的时间t1； （2）h2(t2)=0.8 h2(∞)时，曲线上的点C对应的时间t2。

图4-10 双容水箱液位的阶跃响应曲线

然后，利用下面的近似公式计算

K?h2(?)输出稳态值 ?x0阶跃输入T1?T2?t1?t2 2.16(4-11)

(4-12) (4-13)

TTt112?(1.74?0.55)

(T1?T2)2t2其中，0.32

在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间τ。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：

三、预习要求

Ke??s G(s)?(T1s?1)(T2s?1)(4-14)

（1）在预习报告上写出双容水箱对象特性测试的工作原理； （2）了解双容水箱的传递函数。

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四、实验任务

选择中水箱和下水箱串联作为被测对象，掌握双容水箱的阶跃响应测试方法，确定双容水箱的特征参数和传递函数。实验前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3、F1-6全开，将中水箱出水阀门V2开到70%左右，下水箱出水阀门F1-8开到50%左右，其余阀门均关闭。

五、实验步骤

1、智能调节仪控制

（1）将控制柜上的智能仪表用RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的实训接线图4-11连接实训系统。

图4-11 智能仪表双容自衡水箱对象特性测试接线图

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智能仪表1常用参数设置如下，其他参数按照默认设置：

HIAL=9999，LoAL=-1999,dHAL=9999, dLAL =9999, dF=0, CtrL=1,Sn=33, dIP =1, dIL =0, dIH =50, oP1=4, oPL=0, oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。

（2）在控制柜上，合上三相四线空气开关、三相和单相空气开关给控制柜上电，旋开智能仪表电源，给智能仪表上电；旋开电动调节阀电源开关，给电动调节阀上电。

（3）打开上位机MCGS组态环境，打开“智能调节仪控制”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实训二的监控界面。

（4）将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值。

（5）在控制柜上，旋开三相磁力泵旋钮开关，给三相泵力驱动泵上电打水，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。

（6）待下水箱液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图4-12所示。

图4-12 双容下水箱液位阶跃响应曲线

（7）根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式(4-11)计算K值，再根据图4-12中的实训曲线求得T值，写出对象的传递函数。

2、PLC控制

（1）用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC主机CPU224的口连接到计算机上的串口1上，并按照下面的实训接线图4-13连接实训系统。

（2）在控制柜上，合上三相四线空气开关、三相和单相空气开关给控制柜上电，旋开PLC电源，给PLC上电；旋开电动调节阀电源开关，给电动调节阀上电。

（3）打开STEP 7-Micro/WIN V4.0软件，打开“THJDS-1A”程序进行下载，然后将S7-200PLC主机CPU224置于运行状态（如果前面做过这一步可省略）。运行MCGS组态软件，打开“S7-200PLC控制”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训二、双容自衡水箱对象特性测试”，

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进入实训二的监控界面。

（4）以下步骤请参考前面“1、智能调节仪控制”的步骤5～7。

图4-13 S7-200PLC控制双容自衡水箱对象特性测试接线图

3、数据采集模块控制

（1）把数据采集模块用RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的实训接线图4-14和图4-15连接实训系统。

（2）在控制柜上，合上三相四线空气开关、三相和单相空气开关给控制柜上电，旋开DDC电

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源，给数据采集模块上电；旋开电动调节阀电源开关，给电动调节阀上电。

（3）打开MCGS组态软件，打开“数据采集模块控制”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实训二、双容自衡水箱对象特性测试”，进入实训二的监控界面。

（4）以下步骤请参考前面“1、智能调节仪控制”的步骤5～7。

图4-14 数据采集模块控制输入接线图

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图4-15 数据采集模块控制输出接线图

六、实验成绩评定

类别 项目 分值 备注 预习报告 10 实验操作 无预习报告，完成液位阶跃响应曲线的记录 20 （50分） 不能做实验 完成特征参数的测量 20 阐述实验原理 10 实验报告 抄袭他人报记录液位阶跃响应曲线 20 （50分） 告，计0分 确定双容水箱的特征参数和传递函数 20

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七、思考题

1、做本实验时，为什么不能任意改变两个出水阀门开度的大小？ 2、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？

3、如果采用上水箱和中水箱做实验，其响应曲线有什么异同？并分析差异原因。 4、引起双容对象滞后的因素主要有哪些？

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