CS4000dcs实验指导书.docx

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1、cs4000高级过程控制实验装置DCS 实验指导书 1 2目录一、概述3二、软件配置及安装说明4三、 CS4000系统介绍9一）、CS4000型系统主要特点9二）、CS4000型实验对象组成结构10四、系统主题实验11实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验11实验二、二阶双容水箱对象特性测试实验15实验三、加热水箱温度特性测试实验19实验四、加热水箱温度二位式控制实验21实验五、单容水箱液位PID 控制实验25实验六、双容水箱液位PID 整定实验28实验七、加热水箱温度PID 控制实验30实验八、短滞后温度PID 控制实验33实验九、电磁流量PID 控制实验36实验十、双容水箱液位串级控制实验3

2、9一、概述生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求的目标，在18 世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用以后，自动化技术时代开始了。 随着工业技术的更新，特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化已经进入了计算机控制装置时代。在过去的十多年里，随着生产车间自动化和过程自动化中分散结构的迅速增长， DCS（分布式集散控制系统）的应用日益普遍。其原因之一是： DCS系统实现了数字和模拟输入 / 输出模块、智能信号装置和过程调节装置与 PC之间的数据传输，把 I/O 通道分散到实际需要的现场设备附近， 使安装和布线的费用减少到最小，从而使成本费用大大的节省。其原因之二是

3、： DCS具有“开放”的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散I/O 装置和现场设备。本书所叙述的控制系统采用开放的的DCS系统设备，本装置的目的是使自动化专业的学生能尽快的入门， 使研究生和高校教师能容易地利用DCS实现所设计的自动化任务。 3二、软件配置及安装说明1、系统网络图：CS4000 过程控制系统DCS 控制网络图1号站2号站iMaciMacPORT-PORT-BAABDCS 控制站1号站2 号站PORT-A 网络 IP:128.128.1.130128.128.1.131PORT-B 网络 IP:128.128.2.130128.128.2.131注： IP地址可以根据规则要

4、求更改，并不唯一2、硬件和软件配置要求：一、 DCS工程师站：软硬件特殊配置： 1、网卡 2 张2、 IP 地址： 128 1281130(A 口 )128 1282130(B 口 )3、浙大中控 AdvanTrol-X3.16安装盘（工程师站）二、软件安装说明： 4按照安装提示，安装的 算机作 工程 站 安装工程 站，安装的 算机作 操作 站 安装操作 站。 若要根据自己要求安装 自定 安装。3、DCS 工业标准机柜的组成1. 源部分：控制柜上方 系 供 源部分（5V、24V） .2，DCS部分：从左往右卡件安排：序号卡件名称 格功能 明1SP243X主控制卡2SP243X主控制卡（冗余）3

5、SP233数据 卡4SP233数据 卡（冗余）0SP3144 路 信号 入卡1SP3144 路 信号 入卡2SP3144 路 信号 入卡3SP3144 路 信号 入卡4SP3144 路 信号 入卡5SP3224 路模 量 出卡6SP3224 路模 量 出卡7SP000空卡件8SP3638 路触点型开入卡9SP3648 路 器开出卡10SP000空卡件4、CS4000 过程控制系统控制软件1DCS 件体系 构 52DCS组态控制软件1）SCKey.exe组态软件，应用于对DCS硬件和软件的组态。如图1-1 所示：图 1-1在组态好以后需要下载在不同的控制站中，需选择不同的控制站。如图 1-2 所

6、示： 6图 1-2上图所表示的是128.128.1.4控制站的组态 .2）AdvanTrol.exe监控软件实验运行软件，运行界面如图1-3 所示：图 1-3 73) DCS I/O 定义DCS卡件号卡件通道类型地址SP31400模拟量输入通道（15V）SP31401模拟量输入通道（15V）SP31402模拟量输入通道（15V）SP31403模拟量输入通道（15V）SP31410模拟量输入通道（15V）SP31411模拟量输入通道（15V）SP31412模拟量输入通道（15V）SP31413模拟量输入通道（15V）SP31420模拟量输入通道（15V）SP31421模拟量输入通道（15V）SP

7、31422模拟量输入通道（15V）SP31423模拟量输入通道（15V）SP31430模拟量输入通道（15V）SP31431模拟量输入通道（15V）SP31432模拟量输入通道（15V）SP31433模拟量输入通道（15V）SP31440模拟量输入通道（15V）SP31441模拟量输入通道（15V）SP32250模拟量输出通道 （ 420mA）SP32251模拟量输出通道 （ 420mA）SP32252模拟量输出通道 （ 420mA）SP32260模拟量输出通道 （ 420mA）SP32261模拟量输出通道 （ 420mA）SP32262模拟量输出通道 （ 420mA）I/O 信号输入 / 输

8、出内容定义AI01 号左上水箱液位信号AI11 号右上水箱液位信号AI21 号左下水箱液位信号AI31 号右下水箱液位信号AI41 号加热水箱温度信号AI51 号短滞后温度信号AI61 号长滞后温度信号AI71 号电磁流量信号AI81 号涡轮流量信号AI92 号左上水箱液位信号AI102 号右上水箱液位信号AI112 号左下水箱液位信号AI122 号右下水箱液位信号AI132 号加热水箱温度信号AI142 号短滞后温度信号AI152 号长滞后温度信号AI162 号电磁流量信号AI172 号涡轮流量信号AO01 号电动调节阀控制信号AO11 号变频器控制信号AO21 号单相可控硅信号AO32 号

9、电动调节阀控制信号AO42 号变频器控制信号AO52 号单相可控硅信号 8三、 CS4000 系统介绍CS4000 型过程控制实验装置是根据我国工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的 C3000 智能仪表、 S7-200PLC、DDC控制系统、 DCS工业以太网控制系统，经过精心设计、多次实验和反复论证后，推出的一套基于本科生、研究生教学和学科基地建设的实验设备。 该设备涵盖了信号和信息处理、传感技术、工程检测、模式识别、控制理论、自动化技术、智能控制、过程控制、自动化仪表、计算机应用和控制、计算机

10、控制系统等课程的教学实验与研究。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。CS4000型过程实验装置的检测信号、 控制信号及被控信号均采用 ICE 标准，即电压 15V，电流 420mA。实验系统供电要求：单相 220V 交流电。一）、 CS4000 型系统主要特点1被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。2执行器中既有电动调节阀（或气动调节阀）、单相 SCR移相调压等仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器。3调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过另一动力支路或电磁阀和手操作阀制造各

11、种扰动。4一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可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。5某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，它们同时和工作时需对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。6各种控制算法和调节规律在开放的组态实验软件平台上都可以实现。 97实验数据及图表可以永久存储，在MCGS组态软件中也可随时调用，以便实验者在实验结束后进行比较和分析。二）、 CS4000 型实验对象组成结构过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱、 串接圆筒有机玻璃上水箱、 单相 2.5KW电加热水箱、短滞后和长滞后水箱。 系统动力支路分

12、为两路组成： 一路由磁力驱动循环泵、 电动调节阀、 电磁流量计、 自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由磁力驱动循环泵、变频调速器、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。 对象系统中的检测变送和执行元件有： 液位传感器、 温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、压力表、电动调节阀。5334412121VVVVV五三号四号调压号左上右上模块加LT 3液位LT 4液位控制控制热水水箱水箱箱02112TT153344VVVVVTT 3TT 211222121VVVV六号一号二号纯左下右下滞LT 1液位LT 2液位后控制控制主副水水箱水箱管管箱路路00通储水箱12VVV 60CS4000实验对

13、象的检测及执行装置包括：检测装置：扩散硅压力液位传感器、电磁流量计、涡轮流量计、Pt100 热电阻温度传感器。执行装置：单相可控硅移相调压装置用来调节单相电加热管的工作电压；电动调节阀调节管道出水量；变频器调节小流量泵。 10四、系统主题实验实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验一实验目的（ 1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。（ 2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二实验设备CS4000型过程控制实验装置， PC 机， DCS控制系统与监控软件。三、系统结构框图单容水箱如图 1-1 所示：丹麦泵电动调节阀V1Q1EPA控制系统手动输出hV2Q

14、2图 1-1 、 单容水箱系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。图解法是确定模型参数的一种实用方法。不同的模型结构， 有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取 11对象参数。如图 1-1 所示，设水箱的进水量为 Q1，出水量为 Q2 ，水箱的液面高度为 h，出水阀 V2 固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变

15、换，得：式中， T 为水箱的时间常数（注意：阀 V2 的开度大小会影响到水箱的时间常数） ，T=R2*C，K=R2 为单容对象的放大倍数， R1、 R2 分别 为 V1、 V2 阀的液阻， C 为水箱的容量系数。令输入流量 Q1 的阶跃变化量为 R0，其拉氏变换式为 Q1（S）=RO/S ， RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当 t=T 时，则有：h(T)=KR0(1-e -1 )=0.632KR0=0.632h( )即 h(t)=KR 0(1-e -t/T )当 t 时， h（） =KR0，因而有K=h（） /R0=输出稳态值 / 阶跃输入式（1-2 ）表示一阶惯性环节的响应曲线是一

16、单调上升的指数函数，如图 1-2所示。当由实验求得图1-2 所示的阶跃响应曲线后，该h1( t )曲线上升到稳态值h1( )的 63%所对应时间，0.63h1()就是水箱的时间常数 T，该时间常数 T也可以通过坐标原0T点对响应曲线作切图 1-2、阶跃响应曲线线，切线与稳态值交点 所对应的时间就 12是时间常数 T，其理论依据是：上式表示h（ t）若以在原点时的速度h（） /T 恒速变化，即只要花T 秒时间就可达到稳态值h（）。五实验内容步骤1) 对象的连接和检查：(1) 关闭出水阀 , 将 CS4000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度） 。(2) 打开以丹麦泵、电动调节阀、电磁流量计组成

17、的动力支路至右上水箱的出水阀门，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。(3) 打开右上水箱的出水阀至适当开度。2）实验步骤(1) 打开丹麦泵、电动调节阀的电源开关。(2) 启动 DCS与 Advantrol Pro2.5 上位机组态软件，进入主画面，然后进入实验一画面。(3) 用鼠标点击调出 PID 窗体框，然后在“ MV”栏中设定电动调节阀一个适当开度。（此实验必须在手动状态下进行）（4）、观察系统的被调量：右上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录系统输出值，以及水箱水位的高度 h1 和上位机的测量显示值并填入下表。系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0100cmcm（5）、迅速增

18、加系统输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，它们均可在上位软件上获得。以所获得的数据绘制变化曲线。T（秒）水箱水位 h1(cm) 13上位机读数 (cm)（ 6）、直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：系统输出值水箱水位高度h1上位机显示值0100cmcm（7）、将系统输出值调回到步骤 5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。填入下表：t （秒）水箱水位 h1(cm)上位机读数 (cm)（8）、重复上述实验步骤。六、实验报告要求（1）作出一阶环节的阶跃响应曲线。（2）根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。七、注意

19、事项（1）本实验过程中，右上水箱出水阀不得任意改变开度大小。（2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。一般阶跃信号取正常输入信号的 5%15%。(3) 在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。八、思考题（1）在做本实验时，为什么不能任意变化右上水箱出水阀的开度大小？(2) 用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点? 14实验二、二阶双容水箱对象特性测试实验一、实验目的1) 、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2）、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。二、实验设备CS4000

20、型过程控制实验装置，PC 机， DCS控制系统与监控软件。三、实验原理丹麦泵电动调节阀V1Q1EPA控制系统手动输出h1V2Q2h2V3Q3图 2-1 双容水箱系统结构图如图 2-1 所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。当输入量有一个阶跃增加 Q1 时，输出量变化的反应曲线如图 2-2 所示的 h2 曲线。它不再是简单的指数曲线， 而是就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。 在图中 S 形曲线的拐点 P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间 OA。这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以C代表之。设流量Q1

21、 为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2 为输出量，根据物料动态平衡关系， 15并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：H 2( S)K* es1G ( S)1* S1)(T2* S( 2 - 1)Q (S)(T1)式中 K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3 分别为阀 V2 和 V3 的液阻， C1 和 C2 分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1 和 T2 须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在图2-3 所示的阶跃响应曲线上取：1）、 h2（t ）稳态值的渐近线h2( ) ；h 2(t)2（t ） |t=t12( ) 时曲线上的2）、 h=0.4 h

22、点 A 和对应的时间 th2(00)1；0.8 h2( 00)B3）、 h2（t ） | t=t2=0.8 h 2( ) 时曲线上的点 B 和对应的时间 t 2。0.4 h 2(00)A然后，利用下面的近似公式计算式2-1 中的参数 K、T1 和 T2。其中：0t1t2t图 2-3 、阶跃响应曲线h2( )输入稳态值K阶跃输入量RO4)、T 1 T2t1 t22.16对于式（ 2-1 ）所示的二阶过程， 0.32 t 1/t 20.46 。当 t 1/t 2=0.32 时 ，可近似为一阶环节；当 t/t=0.46 时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时125)、T1T 2t1(T

23、T )2(1.740.55)t122T1=T2=T=(t 1+t 2)/2* 2.18）四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查：（ 1）、开通以丹麦泵、电动调节阀、电磁流量计以及右下水箱出水阀所组成的水路系统 ; 关闭通往其他对象的切换。 16（ 2）、将右下水箱的出水阀开至适当开度。（ 3）、检查电源开关是否关闭。2、实验步骤1）、开启电源开关。启动计算机组态软件，进入实验系统相应的实验二。2）、开启单相泵电源开关， 启动动力支路。 在上位机软件界面用鼠标点击调出 PID 窗体框，然后在“ MV”栏中设定电动调节阀一个适当开度。 （此实验必须在手动状态下进行）将被控参数液位高度控制在 30%

24、处（一般为 10cm）。3）、观察系统的被调量水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录系统输出值，以及水箱水位的高度h2 和上位机的测量显示值并填入下表。系统输出值水箱水位高度h2上位机显示值0100cmcm4）、迅速增加系统手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程变化曲线。T（秒）水箱水位 h2(cm)上位机读数 (cm)5）、直到进入新的平衡状态。再次记录测量数据，并填入下表：系统输出值水箱水位高度h2上位机显示值0100cmcm6）、将系统输出值调回到步骤4）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数

25、与曲线。填入下表：T（秒）水箱水位 h2(cm)上位机读数 (cm)7）、重复上述实验步骤。 17五、注意事项1）做本实验过程中，阀10 不得任意改变开度大小。2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止影响对象特性参数的精确性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%15%。3）在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。六、实验报告要求1）作出二阶环节的阶跃响应曲线。2）根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。3）试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。七、思考题1）在做本实验时，为什么不能任意变化右下水箱出水阀的开度大小？2）用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各

26、有什么特点？ 18实验三、加热水箱温度特性测试实验一、实验目的1) 、熟悉温度特性的数学模型及其阶跃响应曲线。2）、根据由实际测得的温度阶跃响应曲线，分析温度的飞升特性。二、实验设备CS4000型过程控制实验装置，PC 机， DCS控制系统与监控软件。三、实验原理加热水箱系统如图 3-1 所示，水箱中装有电加热管， 通过调压模块调压的方式来调节加热功率。 循环水流量可调， 流入的冷水通过电加热管加热流出。 在循环水流量恒定的情况下， 出口水温可以认为主要受电加热管影响。 加热水箱对象可以被看作一阶对象，与液位系统相比变化较慢，且存在着较大的滞后。Q调压模块手动设定加热水箱Q TT图 3-1 加

27、热水箱系统示意图四、实验内容和步骤此实验以加热水箱的水温为检测对象，循环水流量恒定。1、打开储水箱进水阀，主管路泵阀，副管路泵阀，旁路阀，关闭其他手阀，将储水箱灌满水。打开五号加热水箱进水阀。2、实验步骤开启电源开关，启动计算机组态软件，进入实验系统相应的实验三。1. 点击输出的设置按钮，设定输出值的大小，设定值为一个01 的小数，对应调压模块。首先设定一个初始开度，如0.5。观察水温变化，当水温趋于平衡时，将调压模块开度（输出值）及水温填入下表。 19调压模块开度（输出值）水温 t1（）2.点击输出的设置按钮，改变输出值的大小，如0.9，记录阶跃响应得过程参数，填入下表，以此数据绘制变化曲线

28、，上位软件上亦可得到此曲线。t（s）t1（）3. 观察水温变化，当水温趋于平衡时，将调压模块开度（输出值）及液位高度填入下表。调压模块开度（输出值）水温 t1（）1. 点击输出的设置按钮，将输出值的大小改回步骤 5 前的调压模块开度，如0.5，记录阶跃响应得过程参数，填入下表，上位软件上亦可得到此曲线。t（s）t1（）2. 重复上述实验步骤。五、实验报告1、作出加热水箱系统的阶跃响应曲线。2、根据实验一实验原理中所述的方法，求出加热水箱系统的相关参数。3、 试比较温度系统与液位系统的不同之处。六、注意事项1、做本实验过程中，加热水箱出水阀不得任意改变开度大小，且不可过大。2、 在输入阶跃信号前

29、，过程必须处于平衡状态。七、思考题1、在做本实验时，为什么不能任意变化加热水箱进水阀的开度大小？2、温度系统的滞后与二阶液位系统的滞后引起的原因是否相同。 20实验四、加热水箱温度二位式控制实验一、实验目的1）、熟悉实验装置，了解二位式温度控制系统的组成。2）、掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性。二、实验设备CS4000型过程控制实验装置，PC 机， DCS控制系统与监控软件。三、实验原理1、 温度传感器温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度关系式如下：Rt Rt0 1+( t-t 0)式中 Rt温度为

30、 t( 如室温 20) 时的电阻值； Rt 0温度为 t 0( 通常为 0) 时的电阻值；电阻的温度系数。可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化， 但是它们并不能都作为测温用的热电阻。作为热电阻材料的一般要求是： 电阻温度系数大、 电阻率要小、热容量要小；在整个测温范围内， 应具有稳定的物理、 化学性质和良好的重复性；并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。本装置使用的是铂电阻元件 PT1

31、00，并通过温度变送器（测量电桥或分压采样电路或者 AI 人工智能工业调节器）将电阻值的变化转换为电压信号。铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料制成， 具有很高的稳定性和耐震动等特点，还具有较强的抗氧化能力。 21在 0650的温度范围内，铂电阻与温度的关系为：23RtRt0(1+At+Bt +Ct )式中 Rt温度为 t( 如室温 20) 时的电阻值；Rt0温度为t 0( 通常为0 ) 时的电阻值；A 、B、C是常数，这里的铂电阻为： A=3.90802*103 1/ ，B=-5.802*10 71/ ， C=-4.2735*10 121/ 。Rt-t的关系称为分度表。不同的测温元件用分度号来区

32、别，如Pt100、CU50等，它们都有不同的Rt-t关系。2、二位式温度控制系统二位控制是位式控制规律中最简单的一种。 本实验的被控对象是 1.5KW电加热管，被控制量是复合小加温箱中内套水箱的水温 T，智能调节仪内置继电器线圈控制的常开触点开关控制电加热管的通断，图 3-1 为位式调节器的工作特性图，图 3-2 为位式控制系统的方块图。图 4-1 、位式调节器的特性图由图 4-1 可见，在一定的范围内不仅有死区存在，而且还有回环。因而图4-2所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”或“关”两种极限输出状态，故称这种控制器为两位调节器。该系统的工作原理是当被控制的水温测量值 VP=T 小于给定值 VS时，即测量值给定值，且当 e=VS-VP dF 时，调节器的继电器线圈接通，常开触点变成常闭，电加热管接通 380V 电源而加热。随着水温 T 的升高， Vp 也不断增大， e 相 22应变小。若 T 高于给定值，即Vp Vs，e 为负值