A3000过程控制实验指导 第一章(14页).doc

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1、-A3000过程控制实验指导 第一章-第 16 页第一章 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。A3000现场系统特性： 尺寸：1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度），全不锈钢框架； 电力：三相接地四线制380V 0%，单相三线制，220V 10%； 能耗：最大额定用电6kw/h。自来水120L，可重复使用；A

2、3000控制系统特性： 尺寸：800(宽度)X60（深度）X1950（高度）。标准工业机柜； 电力：单相三线制，220V 10%； 能耗：最大额定用电1kw/h； 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设备损坏。一 现场系统结构示意图 现场系统结构示意图如图1.3所示。总体的测点清单如表1.1所示。 整体流程测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信

3、号类型工程量1TE-101热电阻锅炉水温Pt100AI0100C2TE-102热电阻锅炉回水温度Pt100AI0100C3TE-103热电阻换热器热水出口水温Pt100AI0100C4TE-104热电阻换热器冷水出口水温Pt100AI0100C5TE-105热电阻储水箱水温Pt100AI0100C6LSL-105液位开关锅炉液位极低连锁干接点DINC7LSH-105液位开关锅炉液位极高连锁干接点DINC8XV-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4-20mADCA

4、I03m3/h12FT-102电磁流量计二支路给水流量4-20mADCAI03m3/h13PT-101压力变送器给水压力4-20mADCAI150kPa14LT-101液位变送器上水箱液位4-20mADCAI2.5 kPa15LT-102液位变送器中水箱液位4-20mADCAI kPa16LT-103液位变送器下水箱液位4-20mADCAI kPa17LT-104液位变送器锅炉/中水箱右液位4-20mADCAI05kPa18FV-101电动调节阀阀位控制4-20mADCAO0100%19GZ-101调压模块锅炉水温控制4-20mADCAO0100%20U-101变频器频率控制4-20mADCA

5、O0100%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420mA。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 工艺设备结构和操作 1) 上水箱 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

6、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。5) 换热系统 该换热器采用工业高效板式

7、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。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 l 温度传感器为PT100，采用三线制，如图1.13所示。l 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

8、送器如图1.15所示。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 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。 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。B、电磁流量计 参考手册中文

9、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。注意：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 参考手册：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

10、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。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，DC05V等），RU

11、N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3 4-20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) 420mA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

12、Pr.79(操作模式选择)，设定为3。输入一个420mA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 参考手册：MICROMASTER 420通用型变频器操作说明书、MICROMASTER PROFIBUS Optional Board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。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

13、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=

14、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：V） 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

15、 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

16、 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 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。 P0004参数过滤器 2 变频器 4 PI 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

17、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： u 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。u 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。u 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

18、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(0 Hz)、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

19、化到5，此时变频器已启动，按 键，设定频率为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

20、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Profibus DP 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

21、号电缆不要和变频器电缆并行过长。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。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。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

22、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800 mm

23、宽X600 mm深X1900 mm高。如果控制系统均为 24V 供电，则提供 24V 10A 开关电源供电；如果部分控制系统为220V供电，则提供24V 5A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420mA信号。直流电源提

24、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1.36 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。一般情况下1#串口连接智能 PID 控制器，2#串口连接ADAM4000 DDC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

25、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MACS DCS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

26、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。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。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

27、 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。