自动控制系统综合实验 -基于MCGS的水箱液位串级控制实验.doc

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1、综综 合合 实实 验验 报报 告告 综合实验名称综合实验名称 自动控制系统综合实验 题题 目目 基于 MCGS 的水箱液位串级控制实验 指指 导导 教教 师师 设计起止日期设计起止日期 2011 年 12 月 22 日12 月 31 日 系系 别别 自动化学院控制工程系 专专 业业 自动化 学生姓名学生姓名 班级班级 学号学号 成成 绩绩 1 目目 录录 一、综合实验的目的一、综合实验的目的.3 二、实验前的准备及安全操作规程二、实验前的准备及安全操作规程.3 三、综合实验内容要求三、综合实验内容要求.3 四、自选项目介绍：四、自选项目介绍：.3 （一） 、实验目的 4 （二） 、实验设备 4

2、 （三） 、实验原理 4 （四） 、实验内容与步骤 5 五、实验装置介绍五、实验装置介绍.6 （一） 、被控对象 6 （二） 、检测装置 7 （三） 、执行机构 8 （四） 、实验控制台 8 （五） 、实验挂件 9 （六） 、常规仪表侧控制对象总貌图： 11 （7）调节器参数的整定方法 11 （一）经验法12 (二)临界比例度法.12 （三）衰减曲线法（阻尼振荡法13 六、软件介绍六、软件介绍.13 一、MCGS 组态软件13 二、REMODAQ8000-9000 软件14 三、ADVANTECH DEVICE MANAGER软件14 四、应用 MCGS 组态软件做的实验工程.15 五、智能调

3、节仪的认识 15 （一） 、 智能调节仪的功能及作用：15 （二） 、 智能调节仪的参数和使用：15 (三)、 智能调节仪的常用功能：.15 七、系统模块设计七、系统模块设计.16 （一） 、系统硬件设计框图与元器件选择 16 （二） 、系统软件功能模块设计图 18 1、控制系统的设计18 2、系统的组态设置19 3、修改通讯串口号和通讯地址并设置相关属性20 （2）实时数据库设置22 （3）组态策略设置23 4、工程整定24 八、思考题八、思考题.24 2 九、课设总结九、课设总结.25 十、参考文献十、参考文献.25 一、综合实验的目的一、综合实验的目的 自动控制系统综合实验是在完成了自控

4、理论，检测技术与仪表，过程控制系统等 课程后的一次综合训练。要求同学在给定的时间内利用前期学过的知识和技术在过程 控制实验室的现有设备上，基于 mcgs 组态软件或 wincc 组态软件设计一个监控系统， 完成相应参数的控制。在设计工作中，学会查阅资料、设计、调试、分析、撰写报告 等，达到综合能力培养的目的。 二、实验前的准备及安全操作规程二、实验前的准备及安全操作规程 实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方 法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。 实验前应了解实验装置中的对象、水泵和所用控制组件的名称、作用及其所在位置, 以便于在实验中

5、对它们进行操作和观察。熟悉实验装置面板图，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。 安全操作规程 1 实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置，储水箱中是否有充足的水； 2 开水泵前请务必保证管路通畅，阀门打开。 3 切忌禁止带电接线，尤其是与计算机连接的线缆严谨带电插拔。 4 若使用现场总线侧控制台，使用时应注意： 1）打开电源开关顺序：依次打开 PLC 控制柜中总电源开关、变频器开关（停大约 10S 后） 、控制站开关、24VDC 开关等。 2）关闭电源开关顺序：首先关闭控制站开关，再依次关闭其他电源开关，最后关闭总

6、电源开关。 3）STEP7 硬件组态下载程序时，请将 PLC 控制柜中 CPU 模块开关置于 STOP 状态，下载 完毕时切换至 RUN 状态。 4）小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏仪表及模块。 5）严格遵守实验室有关规定。 三、综合实验内容要求三、综合实验内容要求 本次在 THPCAT-2 型自动控制系统实验平台上完成，实验装置如图所示。该实验 平台的监控对象包括模拟锅炉和水箱，可以设计实现温度控制系统、液位控制系统或 流量控制系统。软件开发平台主要是监控组态软件 MCGS、Wincc 和 Matlab 等，根据设 计题目和要求在实验平台上选择相关设备及软件，完成设计调试和设计报告。 深入学

7、习 MCGS 软件的应用开发技术，根据题目要求设计合适的监控组态界面，完 成硬件组态和实时数据库的组态等，实现对特定参数数据的实时采集和监控，能够记 录实时曲线和历史曲线。 四、自选实验介绍 3 四、自选项目介绍：四、自选项目介绍： 基于基于 MCGSMCGS 的水箱液位串级控制实验的水箱液位串级控制实验 对下水箱液位进行控制，采用上水箱液位作为副参数，下水箱液位作为主参数构 成串级控制系统，要求 1用MCGS软件设计监控界面，实现下水箱液位的定值控制。 2打开电磁阀，加入阶跃干扰。 3观察下水箱液位过渡过程，以响应快速性和超调量小为控制目标。 （一）（一） 、实验目的、实验目的 1、通过实验

8、了解水箱液位串级控制系统组成原理。 2、掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3、了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4、掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。 5、深入学习 MCGS 软件的应用开发技术，根据题目要求设计合适的监控组态界面， 完成硬件组态和实时数据库的组态等，实现对特定参数数据的实时采集和监控，能够 记录实时曲线和历史曲线。 6、根据题目的功能要求，设计控制算法，画出软件流程图。深入学习 MCGS 编程 语言，进行控制算法组态或控制算法程序的编写，对控制算法的功能进行测试，实现 数据的自动采集和控制等主要功能。 （二）（二）

9、 、实验设备、实验设备 1THPCAT-2 型现场总线过程控制对象系统实验装置； 2AT-I 智能调节仪表挂件、RS485/232 转换器及 RS485 通讯线； 3PC 机、MCGS 组态软件。 （三）（三） 、实验原理、实验原理 下图是串级控制系统的方框图，该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联 工作，其中主调节器有自己独立的给定值 R，它的输出 m1作为副调节器的给定值，副 调节器的输出 m2控制执行器，以改变主参数 C1。 4 图图 1 1 串级控制系统方框图串级控制系统方框图 f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。 本实验为水箱液位的串级控制系

10、统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路 中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控 回路中的调节器称副调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，上水箱的液位为系统 的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系 统。副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。为了实 现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为 PI 或 PID 控 制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对 副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用 P 调节器。 （四）（四） 、实

11、验内容与步骤、实验内容与步骤 本实验选择上小水箱和下水箱串联作为被测对象（也可选择上大水箱和下水箱或 者上小水箱和上大水箱） 。以上小水箱和下水箱串联为例叙述实验步骤如下： 1. 实验前的准备工作： 1） 将“AT-I 智能调节仪” 挂件挂到网孔板上，并将挂件的通讯线插头通过 RS485 通讯线与 RS485/232 转换器连接到计算机串口 1。 （注意串口连线时至少保证 一方断电） 2） 将储水箱中贮足水量，然后将阀门 F1-1、F1-3、F1-4、F1-6 全开，将上小水 箱出水阀门 F1-10、下水箱出水阀门 F1-12 开至适当开度（要求 F1-10 开度稍大于 F1- 12 的开度）

12、 ，其余阀门均关闭。 3) 管路连接：将工频泵出水口和支路 1 进水口连接起来；将支路 1 出水口和上 小水箱进水口连接起来；将下水箱出水口和储水箱进水口连接起来。 2. 实验步骤： 1） 强电连线：单相 I 电源 L、N 端对应接到 AT-1 挂件电源输入 L、N 端。 2） 弱电连线：下水箱液位 LT3 的 1-5V+、-端对应接到智能调节仪 I 的 1-5V 电压 输入 1、2 端；智能调节仪 I 的输出 7、5 端并接本挂件上的 250 精密电阻后对应接 至智能调节仪 II 的 1-5V 电压输入 1、2 端；上小水箱液位 LT1 的 0.2-1V+、-端（红为 正、绿为负）对应接到智

13、能调节仪 II 的 0-1V 电压输入 3、2 端；智能调节 II 输出 7、5 对应接到电动调节阀控控制输入+ 、-端。 3） 管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开单相 I 开关、24V 电源开 关、电动调节阀开关。 4） 检查智能调节仪基本参数设置：Sn=33,DIL=0,DIH=50，run=0,dip=1。 5） 打开上位机 MCGS 组态环境，打开“THPCAT-2 智能仪表控制系统”工程，然后 进入 MCGS 运行环境，在主菜单中点击“水箱液位串级控制实验” ，进入监控界面。 6） 检查智能调节仪基本参数设置，关键参数有智能调节仪 I 的 Sn=33,DIH=50，dip

14、=1，Addr=1,智能调节仪 II 的 Sn=32, DIL=0,DIH=50, run=0，dip=1,Addr=2。 5 7） 将主控仪表设置为“手动” ，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过 调节仪表实现。 8） 将磁力泵开关打到手动值，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的 输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且上小水箱液位也稳定于某一值（此值一般 为 35cm，以免超调过大，水箱断流或溢流） 。 9） 选择 PI 或 PID 控制规律，根据经验法设定 PID 三个参数值，或者根据任一种 整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。 10）当液位趋于给定值时

15、，将手动状态切换为自动状态，待液位平衡后，施加干 扰。 待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： A.突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化。 B.适当改变上小水箱出水阀 F1-10 开度。 C.适当改变下水箱出水阀 F1-12 开度。 D.将电动调节阀的旁路 F1-5（同电磁阀）开至适当开度，将电磁阀开关打至“手 动”位置。 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的 515，干扰过大可能造成水箱中水溢 出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后， 水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值） ，记录此时的 智能仪表的设定

16、值、输出值和仪表参数，以及液位的响应过程曲线。 11）待液位再次平衡后，据实验曲线，合理整定 PID 参数，分析不同 PID 参数的 控制效果。 五、实验装置介绍五、实验装置介绍 （一）（一） 、被控对象、被控对象 由不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、单相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒 和封闭式锅炉夹套构成)、盘管、管道、阀门等组成。 1 1水箱：水箱：包括上水箱、下水箱和储水箱。上、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。有机玻璃 水箱尺寸：长宽高=350380300（mm） 。上水箱可以分为两个小水箱共五个槽组 成，分别为小水箱缓

17、冲槽、小水箱工作槽、大水箱缓冲槽、大水箱工作槽和溢流槽组 成，进水时水管的水先流入缓冲槽，然后才流入工作槽，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。两个小水箱底部均设置有采压口、出水口以 及并连水箱连通口。下水箱与上水箱不同，共有四个槽组成，分别为左进水缓冲槽、 溢流槽、右进水缓冲槽和工作槽，水箱底部设置有采压口，出水口。储水箱由不锈钢 板制成，尺寸为：长宽高=900m520430（mm） ，完全能满足有机玻璃水箱以及 加热锅炉的实验供水需要。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。 6 2 2模拟锅炉：模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加

18、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验。做温度实验时，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， 解耦控制等实验。 3 3盘管：盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长 21 米（24 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，在实验过程中可根据不同的实验需 要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过软管连接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验。 4 4

19、管道及阀门：管道及阀门：整个系统固定不动的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。有效提高了实验装置的使 用年限。实验用管道采用软管连接，软管连接部分均采用快速软管接头，方便软管插 拔，不同的实验需要连接不同的管路，完全开放，老师学生可以随意组合控制系统， 培养学生创新能力，使设备更具研究价值。 （二）（二） 、检测装置、检测装置 1 1压力传感器、变送器：压力传感器、变送器： 五个 DDZ-III 型压力传感器，用来对上小、上大、下水箱的液位以及常规仪表侧 管道压力进行检测，精度为 0.5 级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离 膜

20、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：420mADC。其中检测管道压力的压力变送器 量程为 0-200KPa，其余用于检测液位的四个变送器量程均为 0-5KPa。 西门子压力变送器用来对现象总线侧下水箱液位进行检测，数量 1 套。测量偏差 小于 0.1。采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯接口的压力传感器，SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器通过总线供电，不需要另外接工作电源。 2 2温度传感器：温度传感器：装置中采用了五个 Pt100 铂热电阻温度传感器和一个 K 型热

21、电偶 传感器，五个热电阻传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有 3 个测试点） 的水温。Pt100 测温范围：-200+420。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转 换成 420mA 直流电流信号。Pt100 传感器精度高，热补偿性较好。K 型热电偶传感器 用来检测锅炉内胆水温，测温范围：0-1100。 3 3流量计：流量计：一个模拟转换器（涡轮流量计）挂接在网孔板上，两端接有快速接头， 用来连接软管测量流量。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式， 工作时需提供 24V 直流电源。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出： 420mADC。 一个孔板流量计（需

22、要配合差压变送器） ，刻度流量 01.5m3/h，最大差压 60KPa。 一个西门子电磁流量计，公称直径 15mm，测量精度0.5。与流量转换器配合使 用。基于微处理器的变送器，带有数字显示，可连接多种传感器，采用SIEMENS 带 7 PROFIBUS-PA 通讯接口电磁式流量计。 4 4差压变送器：差压变送器：配合孔板流量计测量管道流量，采用电容式差压变送器， 4-20mA 信号输出，0.25 级测量精度。 5 5. .液液位位传传感感器器：由三个电接触点组成，分别对低、中、高水位进行检测，配合液位 控制器，可以对水位起到监视作用，本实验装置中共用了两个液位传感器，分别用来检 测锅炉内胆水

23、位和储水箱水位。 （三）（三） 、执行机构、执行机构 1 1电动调节阀：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：QSTP-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 420mADC 或 15VDC，输出为 420mADC 的阀位信号，使用和校正 非常方便。 2.2.气动调节阀（配套西门子阀门定位器）：气动调节阀（配套西门子阀门定位器）：额定流量 0.3T/h，等百分比特性。由 智能电气阀门定位器控制的气动调节阀，带有PROFIBUS-P

24、A 通讯功能。 3 3水泵：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。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。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。 4 4电磁阀：电磁阀：在本装置中作为电动调节阀、气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作 用。 5 5U U 型单相电加热管：型单相电加热管：一根 1KW U 型电加热管用来对锅炉内胆内的水进行加温。 6.6. 单相调压模块单相调压模块 单相调压模块安装在控制屏内部，它为单相交流 220V 输入，输出为单相交流 220V

25、 平滑可调，控制信号为 DC 420mA，利用智能调节仪的输出信号可控制调压模块的输 出电压，从而使加热介质水最终稳定在某一数值，实现温度的自动控制。 （四）（四） 、实验控制台、实验控制台 1.1. 电源控制屏面板：电源控制屏面板：装有漏电保护空气开关，三相电压指示表，各种执行器控制 开关，报警指示灯。 电磁阀开关，三位式开关，打到中间位置为电磁阀断电闭合状态；打到手动位置， 电磁阀得电打开；打到自动位置，只有当电磁阀的控制端子（信号面板上“电磁阀控 制”弱电接线柱或者接线端子 DF+与 DF-）接通时电磁阀才接通。 380V 磁力泵开关，三位式，中间为停止状态，打到中间位置，380V 磁力

26、泵断电； 打到手动位置，当储水箱有水时（此时水位报警指示灯为熄灭状态） ，磁力泵接通电源； 打到自动位置，只有当储水箱有水，同时磁力泵控制端子（信号面板上“磁力泵控制” 弱电接线柱或者接线端子 CL+与 CL-）接通时磁力泵才接通电源。 DC24V 电源开关，打到开位置，DC24V 开关电源得电，DDZ-III 型传感器工作的前 8 提条件是要有直流 24V 电源，故正常工作时要打开此开关。 调压模块开关，打到开位置，当锅炉内胆有水时，调压模块电源输入端得电，当 做温度实验时需打开此开关。 电动阀开关，打到开位置，智能电动调节阀得电。 单相 I，单相 II 开关，打到开位置，信号面板上的强电柱

27、“单相 I” 、 “单相 II” 分别得电，为给实验挂件供电提供条件。 锅炉报警、水位报警指示灯，当锅炉内胆没水时，锅炉报警指示灯亮，此时，不 能够给锅炉加热；当储水箱没水时，水位报警指示灯亮，此时不能用磁力泵抽水。 2.2. I/OI/O 信号面板：信号面板：测量信号、控制信号的连接均在此面板上完成，便于学生自行 连线组成不同的控制系统。 测量信号部分：LT1、LT2、LT3 分别对应上小、上大、下水箱的液位测量信号，红 色和蓝色弱电柱之间电压为 0.2-1V，蓝色和黑色弱电柱之间电压为 1-5V；FT1、FT2 分 别对应孔板流量计流量信号和涡轮流量计信号；PT 为管道压力的测量信号； T

28、T1、TT2、TT3、TT4、TT5、TT6 分别测量锅炉内胆、锅炉夹套、盘管上、盘管中、盘 管下、锅炉内胆水温的温度；K1、K2 分别为干烧报警，水位报警报警用触点，当报警 发生时，相应的报警继电器动作，常开触点（NO）或常闭触点（NC）与公共点（COM） 接通或断开。 控制输出部分：“电动阀”为电动调节阀 4-20mA 控制信号输入端；“电动阀阀位 反馈”为电动调节阀开度反馈信号（4-20mA） ；“温控模块”为调压模块控制信号输入 端；“变频器”为 FCS 控制柜里的西门子变频器 4-20mA 控制信号输入端，若要控制变 频器还需要给变频器通电和进行一些参数设置；磁力泵控制、电磁阀控制分

29、别为磁力 泵和电磁阀在自动状态时的控制输入端，当两个端子短接，相应的控制对象就接通电 源。 电源部分:为实验挂件等提供电源。 备用部分：用于扩展，主要用于测量信号远传至其他控制系统或其他系统的控制 信号远传至该控制系统。 接线端子：详见控制屏接线端子对应表。 （五）（五） 、实验挂件、实验挂件 1.AT-11.AT-1 AIAI 智能调节仪表挂件：智能调节仪表挂件： 采用上海万迅仪表有限公司生产的 AI 系列全通用人工智能调节仪表，其中智能调 节仪 I、智能调节仪 II 为 AI-818 型，流量积算仪为 AI-708H 型。AI-818 型仪表为 PID 控制型，输出为 420mADC 信号

30、；而 AI-708H 型仪表为流量积算仪，输出为继电器触 点型开关量信号。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。 2 2AT-2AT-2 比值、前馈补偿及解耦装置挂件：比值、前馈补偿及解耦装置挂件： 比值、前馈补偿装置同调节器一起使用，其原理如图 2 所示。上面一路作为比值 器，输入电压经过电压跟随器、反相比例放大器、反相器输出 05V 电压，可以实现 流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验；当上面一路作为干扰输入，下面一路 作为调节器输出时，两路相加或相减（通过钮子开关切换） ，再经过 I/V 变换输出 420mA 电流，这部分构成一个前馈

31、补偿器，可以实现液位与流量、温度与流量的前馈 9 -反馈控制系统实验。 图图 2 2 比值、前馈补偿器原理图比值、前馈补偿器原理图 解耦装置同调节器一起使用，其原理如图 3 所示。上面一路的输入对输出的影响， 以及下面一路的输入对输出的影响均为 1：1 的关系；两路之间相互的影响通过可调比 例放大器及加法器实现。 图图 3 3 解耦装置原理图解耦装置原理图 3 3AT-3AT-3 远程数据采集实验挂件：远程数据采集实验挂件： 远程数据采集控制即我们通常所说的直接数字控制（DDC） ，它的特点是以计算机 代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行 A/D、D/A 转换，控制算法 全部在

32、计算机上实现。在本装置中远程数据采集控制系统包括 8 路模拟量输入模块 R- 8017，4 路模拟量输出模块 R-8024， 万能模拟量输入模块 R-8019+；RS485-RS232 通 讯协议转换模块 R8520。 RemoDAQ8000 系列智能采集模块通过 RS485 等串行口通讯协议与 PC 相连，由 PC 中 的算法及程序控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出、 脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能。图 4 所示即为远程数据采集控制系统框图。 图中输入输出通道即为 RemoDAQ8000 智能采集模块。关于 RemoDAQ8000 智能模块的具 体使用请参考装置

33、附带的光盘中的相关内容。 10 图 1-5 远程数据采集系统框图 图图 4 4 远程数据采集控制系统框图远程数据采集控制系统框图 “THPCAT-2 远程采集控制系统”的信号通道与实际信号的对应关系详见附录。 3.AT-43.AT-4 数据采集卡实验挂件：数据采集卡实验挂件： PCI-1711 数据采集卡是功能强大的多功能 PCI 总线数据卡，完全符合 PCI 规格 Rev2.1 标准，支持即插即用，采样时可完成多路选通开关的控制，可根据每个通道不 同的输入电压类型，来进行输入范围的确定。其配备了 16 路单端 AI 模拟量输入，12 位 A/D 转换器，采样速率可达 100K，每个输入通道的

34、增益可编程，具有自动通道/增益 扫描功能，卡上有 1K 的采样 FI/FO 缓冲器，2 路 AO 位模拟量输出，16 路 DI，16 路 DO。支持相关软件（如 VB、VC、LabVIEW、Matlab 等）编程连接，实现控制系统算法 的研究。同时提供相关了软件的测试应用软件，给学生做设计性实验提供了前提和基 础。 “THPCAT-2 数据采集卡控制系统”的信号通道与实际信号的对应关系详见附录 。 （六）（六） 、常规仪表侧控制对象总貌图：、常规仪表侧控制对象总貌图： 11 图图 5 5 常规仪表侧控制对象总貌图常规仪表侧控制对象总貌图 （7）调节器参数的整定方法）调节器参数的整定方法 调节器

35、参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学 模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是 工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节 器的相关参数。工程实验整定法有以下四种： （一）经验法（一）经验法 若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系 统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。 表 1 为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若 需加微分作用，微分时间常数按 TD=()TI 计算。 3 1 4 1 表表 1 1 经

36、验法整定参数经验法整定参数 参 数 系 统 (%)TI(min)TD(min) 温 度20603100.53 流 量401000.11 压 力30700.43 液 位2080 (二二)临界比例度法临界比例度法 图图 6.6.具有周期具有周期 TSTS 的等幅振荡的等幅振荡 这种整定方法是在闭环情况下进行的。设 TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情 况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图 3 所示。根据 临界比例度 k 和振荡周期 TS，按表 2 所列的经验算式，求取调节器的参考参数值， 12 这种整定方法是以得到 4：1 衰减为目标。 表表 2 2 临界比例度法整定

37、调节器参数临界比例度法整定调节器参数 调节器参数 调节器名称 TI(S)TD(S) P2k PI2.2kTS/1.2 PID1.6k0.5TS0.125TS 临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控 变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一 阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线 时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。 （三）衰减曲线法（阻尼振荡法（三）衰减曲线法（阻尼振荡法） 图图 7.7. 4 4：1 1 衰减曲线法图形衰减曲线法图形 在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例

38、度由大逐渐减小，加 阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图 4 所示的 4：1 衰减过程为止。这时的 比例度称为 4：1 衰减比例度，用 ,S 表示之。相邻两波峰间的距离称为 4：1 衰减周 期 TS。根据 S 和 TS，运用表 3 所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。 表表 3 3 衰减曲线法计算公式衰减曲线法计算公式 调节器参数 调节器名称 （% ） TI(min)TD(min) PS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1 TS （四）动态特性参数法 所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的 方法，即根据第二章中对象特性的阶跃

39、响应曲线测试法测得系统的动态特性参数 （K、T、 等） ，利用表 4 所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为 4：1 时调节 器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若 用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1 衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进 行整定。 表表 4 4 经验计算公式经验计算公式 13 调节器参数 调节器名称 （%）TITD P100% T K PI1.1100% T K 3.3 PID0.85100% T K 20.5 六、软件介绍六、软件介绍 一、一、MCGS 组态软件组态软件 MCGS（Monitor and Control Gener

40、ated 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 Windows95/98/NT/2000/XP 等操作系统。 MCGS 软件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。 有关 MCGS 软件的使用参考配套的手册及光盘。 二、二、RemoDAQ8000-9000 软件软件 远程数据采集控制方案采用 RemoDAQ8000 系列智能采集模块，RemoDAQ8000-9000 是其

41、配套的模块调试软件。软件安装完以后，会在桌面创建快捷方式，双击 “RemoDAQ-8000-9000 Series Utility”图标，运行程序自动检测模块，当检测到模 块后，可双击模块进行模块参数的显示及修改。若模块通讯失败，请检查通讯线是否 已按实验要求连接；若上位机 MCGS 组态与模块通讯失败，请用 RemoDAQ-8000-9000 软 件检查模块地址，并作正确修改。 远程采集模块地址：模拟量输入模块 R8017 地址为 1，万能模拟量输入模块儿地址 为 2，模拟量输入模块地址为 3。 三、三、Advantech Device Manager 软件软件 PCI1711 数据采集卡使

42、用 Advantech Device Manager 作为 测试软件，可对板卡各个通道进行 测试。在使用“THPCAT-2 数据采 14 集卡控制工程”组态工程前，也必须要先安装该测试软件。 可以使用该软件查看获得 PCI1711 数据采集卡的基地址，具体方法是： 打开 AdvantechAdvantech DeviceDevice ManagerManager 软件，在“SupportedSupported DevicesDevices”选择框中选中 “AdvantechAdvantech PCI-1711PCI-1711” ，单击“AddAdd”按钮，在“InstalledInstalle

43、d DevicesDevices”选择框中，可 以看到 PCI-1711 的 IO 基地址，为 16 进制 图图 8 8 数据采集卡数据采集卡 1616 进制显示进制显示 显示，如图所示。 软件的安装与使用详见 PCI1711 数据采集卡使用说明书。 四、应用四、应用 MCGS 组态软件做的实验工程组态软件做的实验工程 本装置中智能仪表控制方案、远程数据采集控制方案和 PCI1711 数据采集卡控制 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。 五、智能调节仪的认识五、智能调节仪的认识 （一）（一） 、 智能调节仪的功能及作用：智能调节仪的功能及作用： 智能调节仪不仅

44、可以采集本套装置中所有传感器和变送器的输出信号在仪表上进 行显示，还可以进行设定值控制、变送输出、输出 420mA 线性电流信号控制执行器 动作、与上位机建立 RS485 通讯关系等等，即可作为现场独立控制器，也可与上位机 组成监控网络，是工业现场最常见且可靠的控制器之一。 （二）（二） 、 智能调节仪的参数和使用：智能调节仪的参数和使用： 详见智能调节仪的使用说明书，本套装置的 AI-818 智能调节仪与使用说明书上介 绍的 AI-808P 仪表相同（仪表在上电时会显示本块仪表的型号） 。 (三三)、 智能调节仪的常用功能：智能调节仪的常用功能： 1.1. 数据的采集：数据的采集： 在仪表进

45、行数据采集前，需要知道本套装置传感器、变送器的输出信号的规格： 液位检测： 0-5KPa 扩散硅压力变送器：DC15V 流量检测： 孔板流量计（0-60KPa 差压变送器）：DC15V 涡轮流量计：DC15V 压力检测： 管道静压变送器(0-200KPa 扩散硅式)：DC15V 温度检测： 15 锅炉内胆温度检测传感器热电偶：K 型热电偶 其他温度传感器：PT100 热电阻 综上说述，所有传感器及变送器的输出信号分为三种：15VDC、PT100 热电阻、 K 型热电偶信号。当采集液位、信号时，仪表需要设置参数为： 输入规格 Sn=33，输入下限显示值 DIL0cm，输入上限显示值 DIH50c

46、m，如果 想提高显示范围，可将输入下限设为 0mm，输入上限设为 500mm。设置范围为 050cm 是与装置上传感器的量程一一对应的。其它电压输出的变送器输入规格同样 Sn=33，只 是量程要根据传感器的量程来设置。 当采集孔板流量计（差压变送器）信号时，仪表基本设置为： Sn=33，DIL0，DIH60(KPa)；采集涡轮流量计信号时，仪表基本设置为： Sn=33，DIL0，DIH20（L/min） ；当采集管道压力信号时，仪表基本设置为： Sn=33，DIL0，DIH200（KPa） 。 当采集 PT100 热电阻的温度信号时，仪表需要设置参数为： 输入规格 Sn=21，输入下限显示值

47、DIL 和输入上限显示值 DIH 均不用设置，仪表 会对采集到阻值激励出来的电压信号进行自动运算，得出结果送到测量区进行显示输 出，但前提就是 Sn=21，以便使仪表转入 PT100 热电阻温度算法程序。采集 K 型热电偶 信号信号时，只需将 Sn 设置为 0。 采集热电阻温度信号时，要将热电阻输出信号的 a、b、c 三端对应接到仪表的 E、S、C 输入端即可。采集热电偶信号时需将热电偶正负输入端对应接到仪表的 0-1V 电压输入 3、2 端。 2.2. 仪表的给定值设定：仪表的给定值设定： 当仪表用于 PTD 算法控制时，需要设定控制变量的设定值，也就是需要控制仪表 采集上来的传感器、变送器

48、数据变量到达设定值，具体设置可参考仪表使用说明书。 3.3. 仪表的输出：仪表的输出： 本 AI-818 智能调节仪有 420mA 线性电流信号，以控制执行器动作，以调节被控 参量的变化到达给定值。输出有手动和自动两种状态，当用于算法控制时需设置输出 到自动状态才能启动 PID 算法，需要手动控制执行器时，可以先将仪表的输出状态切 换到手动输出状态，具体设置详见仪表使用说明书。 4.4. 仪表的变送输出：仪表的变送输出： 本 AI-818 智能调节仪还有变送输出的功能，可以将 PT100 的温度信号线性变送输 出 420mA 电流信号，充当变送器的作用。基本设置是：Sn=21,CtrL=0,

49、DIL0，DIH100（）,OPL=40, OPH=200，这样仪表输出便是对 PT100 温度信号的 变送输出，0-100线性对应 420mA 电流输出，注意此时主窗口将不再有显示，也不 再具有调节输出功能。不详之处参见仪表使用说明书。 七、系统模块设计七、系统模块设计 （一）（一） 、系统硬件设计框图与元器件选择、系统硬件设计框图与元器件选择 实验设备包括： 1、THJ-2 型高级过程控制系统试验装置 16 2、计算机、MCGS 工控组态软件、RS232/485 转换器 1 只、串口线一根 3、万用表一只 液位控制系统主要是基于 THJ-2 型远程控制数据采集过程控制装置。系统的主要 目的是控制下水箱的液位。主要干扰为随机流入水箱中的使水位上涨，超过警戒水位； 同时出于某种考