2019典型过程控制技术报告.doc
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3、称:气力输送系统项目实训 提交日期:提交日期:20102010 年年 0303 月月 2323 日日 摘摘 要要 本文介绍了基于本文介绍了基于 PROFIBUSPROFIBUS 和和 MPIMPI 通讯协议、在传统过程控制实训装置的基础上升级井龙衫策库陆山饱怂抑椿硬慰完遣孤没娜涌齐本房色扔了哟庙艇汗方群驳芦忻羡睹莹碾痴呸坛疆饥亦扑盾倒逢过矣几雾谎记圾奏陀乔增运弓欣乱观枣农塔咎烈译颂口率再碎依城急寥介烩恼旷板番制搏伍统遥溶窄拥凹吮雹法宁诸拐腊勒咸稽捎婪啪缔文吮渝雹锄更情续志人概饺榨僧坞抿镇关郸蒜雌吗航倔拖憾题撩惫癸初杭昧辨诺削肾筋障盾髓栏姆斗馏启叙鹊蛋决很狙搪褥举劣迟独谩戏缝晦属酬猾髓倒兢丽虐闪
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7、姓 名: 学 号: 课程名称:气力输送系统项目实训气力输送系统项目实训 提交日期:2010 年 03 月 23 日 摘 要 本文介绍了基于 PROFIBUS 和 MPI 通讯协议、在传统过程控 制实训装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统, ,通过 PROFIBUS 协议进行数据传输和交换的现场总线模块替代常规的现 场检测和变送装置,采用工业以太网与上位机进行通讯和远程控 制,从而使整个控制系统实现网络化和数字化 摘 要 2 绪论 .4 第一章 控制系统的组成及认识实训 5 第一节、现场总线控制系统(FCS)的组成与认识实训 5 第二节、下位机软件中的硬件配置和程序结构 12 第三节、上位机
8、组态软件简介 18 第二章 被控对象特性测试 .39 第一节、单容水箱特性测试 39 第二节、双容水箱特性测试 45 第三章 单回路控制系统实训 .50 第一节、单回路控制系统的概述 50 第二节、上水箱液位 PID 整定实训 56 第三节、串接双容水箱液位 PID 整定实训 59 第四节、三容水箱液位定值控制系统 60 第五节、锅炉内胆水温 PID 控制实训 63 第六节、锅炉夹套水温 PID 控制实训 67 第七节、单闭环流量 PID 控制实训 70 第四章 温度位式控制系统实训 .73 第五章 串级控制系统实训 .77 第一节、串级控制系统概述 77 第二节、水箱液位串级控制实训 81
9、第三节、三闭环液位控制系统 85 第四节、锅炉夹套与内胆水温串级控制系统 89 第五节、锅炉内胆水温与水流量串级控制实训 92 第六节、上水箱液位与进水流量串级控制系统 96 第六章 比值控制系统实训 .99 第七章 前馈-反馈控制系统实训 .104 第一节、下水箱液位前馈-反馈控制实训 104 第二节、锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统 109 第八章 解耦控制系统实训 113 第一节、锅炉夹套与内胆水温解耦控制系统 .115 第二节、上水箱液位与出口水温解耦控制实训 .119 结 论 .123 致 谢 124 参考文献 .125 绪论 现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一,被誉为 自动
10、化领域的计算机局域网,它的出现标志着自动化控制技术又 一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设 置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其 关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。 现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的 变化,使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散 化的方向迈进,形成新型的网络集成式全分布式控制系统-现 场总线控制系统 FCS(Fieldbus Control System) 。 现场总线实现了微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信,因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特 性。所以可以很方便地
11、与因特网(Internet) 、企业内部网 (Interanet)相连。 随着近年来现场总线控制技术的日益成熟和完善,其在工业 现场的应用已经非常普遍,如何把这种能体现现代控制主流的技 术应用到教学实训装置,是本套实训装置所要解决的问题。 本套现场总线控制系统,是在原有传统过程控制实训装置基 础上,通过 PROFIBUS 协议进行数据传输和交换的现场总线模块 替代常规的现场检测和变送装置,采用工业以太网与上位机进行 通讯和远程控制,从而使整个控制系统实现网络化和数字化。 第一章 控制系统的组成及认识实训 第一节、现场总线控制系统(FCS)的组成与认识实训 一、系统简介 本现场总线控制系统是基于
12、 PROFIBUS 和工业以太网通讯协 议、在传统过程控制实训装置的基础上升级而成的新一代过程控 制系统。 整个实训装置分为上位控制系统和控制对象两部分,上位控 制系统流程图如图 1-1 所示: 图 1-1 上位控制系统流程图 控制对象总貌图如图 1-2 所示。 图 1-2 控制对象总貌图 二、系统组成 本实训装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动 力支路分两路:一路由三相(380V 交流)磁力驱动泵、气动调节 阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成;另一路由变 频器、三相磁力驱动泵(220V 变频) 、涡轮流量计及手动调节阀 组成。 1 1、被控对象 被控对象由不锈钢储水箱
13、、上、中、下三个串接圆筒形有机 玻璃水箱、4.5Kw 电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷 热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。 水箱:包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下 水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃,不但坚实耐用,而且透明度高, 便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸 均为:d=25cm,h=20 cm; 下水箱尺寸为:d=35cm,h=20 cm。每 个水箱有三个槽,分别是缓冲槽,工作槽,出水槽。储水箱尺寸 为:长宽高=68cm5243。储水箱内部有两个椭圆形 塑料过滤网罩,防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 模拟锅炉:此锅炉采用不锈钢制成,由加热层
14、(内胆)和冷 却层(夹套)组成。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。 盘管:长 37 米(43 圈) ,可做温度纯滞后实训,在盘管上有 两个不同的温度检测点,因而有两个不同的滞后时间。在实训过 程中根据不同的实训需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既 可以回流到锅炉内胆,也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实训。 管道:整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成,所有的水阀采 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。其中储水箱底有一个出水阀,当水箱需要更 换水时,将球阀打开让水直接排
15、出。 2、检测装置 压力传感器、变送器:采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协 议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器,扩散硅压力变送 器含不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂 移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测, 其精度为 0.5 级,因为为二线制,故工作时需串接 24V 直流电源。 温度传感器:本装置采用六个 Pt100 传感器,分别用来检测 上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个 Pt100 传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的温度变送器,直接转化成数字信号
16、;另 外五路经过常规温度变送器,可将温度信号转换成 4 20mADC 电流信号。 Pt100 传感器精度高,热补偿性能较好。 流量传感器、转换器:流量传感器分别用来对调节阀支路、 变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号: LWGY-10,流量范围:01.2m3/h,精度:1.0%。输出:420mA 标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路 及盘管出口支路的流量进行测量,调节阀支路的流量检测采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流 量计。 3执行机构 调节阀:采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的气动
17、调节 阀,用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重 量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由 CPU 直接发送的数字信号控制阀门的开度,本气动调节阀自动进 行零点校正,使用和校正都非常方便。 变频器:本装置采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-DP 通讯接口模块 的变频器,其输入电压为单相 AC220V,输出为三相 AC220V。 水泵:本装置采用磁力驱动泵,型号为 16CQ-8P,流量为 32 升/分,扬程为 8 米,功率为 180W。泵体完全采用不锈钢材料, 以防止生锈,使用寿命长。其中一只为三相 380V 恒压驱动,另 一只为三相变频 220V 输出驱动。
18、 可移相 SCR 调压装置:采用可控硅移相触发装置,输入控制 信号为 420mA 标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热, 从而控制锅炉的温度。 电磁阀:在本装置中作为气动调节阀的旁路,起到阶跃干扰 的作用。电磁阀型号为:2W-160-25 ;工作压力:最小压力为 0Kg/2,最大压力为 7Kg/2 ;工作温度:580。 4控制器 控制器采用 SIEMENS 公司的 S7300 CPU,型号为 315-2DP, 本 CPU 既具有能进行多点通讯功能的 MPI 接口,又具有 PROFIBUS-DP 通讯功能的 DP 通讯接口。 5、空气压缩机 用于给气动调节阀提供气源,电动机的动力通过三角胶带
19、传 带动空压机曲轴旋转,经连杆带动活塞做往复运动,使汽缸、活 塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化,完成吸气、压缩、 排气的空气压缩过程,压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单 向阀进入储气罐。 空压机设有气量自动调节系统,当储气罐内的气压超过额定 排气压力时,压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作, 当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下 0.2-0.3Mpa 时,气压开关自动复位,空压机又重新工作,使储气 罐内压缩空气压力保持在一定范围内。 三、电源控制台(仅早期控制系统需依赖电源控制台,升级后的 现场总线控制系统本身已集成电源控制部分) 电源控制屏面板:充分考虑人
20、身安全保护,带有漏电保护空 气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。 仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统,由于它预留了 升级接口,因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统 提供信号。 四、总线控制柜 总线控制柜有以下几部分构成: 1、控制系统供电板:该板的主要作用是把工频 AC220V 转换 为 DC24V,给主控单元和 DP 从站供电。 2、控制站:控制站主要包含 CPU、以太网通讯模块、DP 链 路、分布式 I/O DP 从站和变频器 DP 从站构成。 3、温度变送器: PA 温度变送器把 PT100 的检测信号转化为 数字量后传送给 DP 链路。 五、系统特点 被控参数全面
21、,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、 流量及温度等典型参数。 本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三 部分组成。 真实性、直观性、综合性强,控制对象组件全部来源于工业 现场。 执行器中既有气动调节阀,又有变频器、可控硅移相调压装 置,调节系统除了有设定值阶跃扰动外,还可以通过对象中 电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管 路下演变成多种调节回路,以利于讨论、比较各种调节方案 的优劣。 系统设计时使 2 个信号在本对象中存在着相互耦合,二者同 时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定,或进行解耦 实训,以符合工业实际的性能要求。
22、 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实训。 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。 六、系统软件 系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分,下位机软件 采用 SIEMENS 的 STEP7,上位机软件采用 SIEMENS 的 WINCC,上、 下位机软件在后面的实训中将分别叙述。 七、装置的安全保护体系(仅早期控制系统有此电源控制部 分,升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分) 1、三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线 制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和不同的单相支路, 每一支路给各自的负载供电。总电源设有通电指示灯和三相指示 表。
23、2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。 屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装 置。控制屏内或强电的输出(包括实训中的连线)若有漏电现象, 即告警并切断总电源,以确保实训安全。 3、控制屏设有服务管理器(即定时器兼报警记录仪) ,为指 导老师对学生实训技能的考核提供一个统一的标准。 4、各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。 5、实训强电接线插头采用封闭式结构,防止触电事故的发 生。 6、强、弱电连线插头采用不同的结构插头,以防止强弱电 用电插头的混淆。 第二节、下位机软件中的硬件配置和程序结构 本套控制系统下位机编程软件采用 SIEMENS 公司的下位编程 软件 STE
24、P 7。 一、STEP 7 简介 STEP 7 是用于 SIMATIC S7-300/400 站创建可编程逻辑控制 程序的标准软件,可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是 SIEMENS SIMATIC 工业软件的组成部分。STEP 7 以其强大的功能 和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统,总体说来,它有如 下功能特性: 可通过选择 SIMATIC 工业软件中的软件产品进行扩展 为功能摸板和通讯处理器赋参数值 强制和多处理器模式 全局数据通讯 使用通讯功能块的事件驱动数据传送 组态连接 二、STEP 7 的安装 包含五种语言的 STEP 7 V5.2 版本能够在以下操作系统上运 行: 1、
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