TkJ-2型高级过程控制实验指导书-(2).doc
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1、TkJ-2型高级过程控制实验指导书 (2) 作者: 日期:2 个人收集整理 勿做商业用途TkJ2型高级过程控制系统实验指导书杭州天科教仪设备有限公司前言本实验指导书是根据杭州天科教仪设备有限公司推出的全新TKJ2型、TKJ3型高级过程控制实验装置的相关内容编写的,可以满足各大高等院校所开设的传感器检测与转换技术、过程控制、自动化仪表、自动控制理论、计算机控制等课程实验的教学要求。过程控制是生产过程自动控制的简称,这是自动化技术的一个重要组成部分.通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。在现代工业生产过程中,过程控制技术正在为实
2、现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。TKJ2型、TKJ3型过程控制系统是以工业现场工艺设备为背景,以现行教材的教学内容为依据研发出的新一代的实验装置。它不仅能满足本、专科工业自动化、自动控制等专业的相关课程实验教学的要求,而且也适用于研究生对课题的研究与开发.例如,在这两套实验装置中增加了如比值控制、解耦控制和Smith预估控制等复杂控制的内容。本实验指导书共分两大部分。第一部分是实验装置的使用说明,讲述了系统的组成、硬件的特点和技术指标、软件的使用介绍.第二部分是实验项目部分,叙述了实验的原理、步骤及注意事项等。通过对实验装
3、置各个仪表的原理、工作情况及实验原理、软硬件的详细介绍,既使教师和学生对TKJ-2型、TKJ-3型高级过程控制实验装置有一个充分的认识,又有益于他们对工业生产现场控制系统的了解。由于本实验指导书编写时间较为仓促,书中的缺点和错误在所难免,敬请各大专院校师生和广大读者批评指正。目录绪论4第一章 TKJ-2型高级过程控制系统的概述6第二章 被控对象特性测试16第一节 单容水箱特性的测试第二节 双容水箱特性的测试第三节 锅炉内胆特性的测试第四节 电动调节阀流量特性的测试第三章 单回路控制系统实验29第一节 单回路控制系统的实践第二节 上水箱(或中水箱或下水箱)液位定值控制系统 第三节 双容水箱液位定
4、值控制系统第四节 三容水箱液位定值控制系统第五节 锅炉内胆静态水温定值控制系统第六节 锅炉内胆动态水温定值控制系统第七节 锅炉夹套水温定值控制系统第八节 电动阀支路流量的定值控制系统第九节 变频调速磁力泵支路流量的定值控制系统第四章 温度位式控制系统实验64第一节 锅炉内胆水温位式控制系统第五章 串级控制系统的实验67第一节 串级控制系统连接实践第二节 水箱液位串级控制系统第三节 三闭环液位控制系统第四节 下水箱液位与电动调节阀支路流量的串级控制系统第五节 下水箱液位与变频调速磁力泵支路流量的串级控制系统第六节 锅炉夹套水温与锅炉内胆水温的串级控制系统第七节 锅炉内胆水温与内胆循环水流量的串级
5、控制系统第八节 盘管出水口水温与热水流量的串级控制系统第九节 盘管出水口水温与锅炉内胆水温的串级控制系统第六章 比值控制系统实验96第一节 单闭环流量比值控制系统第二节 双闭环流量比值控制系统第七章 滞后控制系统实验103第一节 盘管出水口温度纯滞后控制系统第二章 盘管出水口温度滞后控制系统第三节 流量纯滞后控制系统第八章 前馈反馈控制系统实验112第一节 锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统第二节 下水箱液位的前馈-反馈控制系统第九章 解耦控制系统实验122第一节 上水箱水温与液位的解耦控制系统第二节 锅炉内胆水温与锅炉夹套水温解耦控制系统绪论过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、
6、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,它是自动化技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中,过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。“TkJ-2型高级过程控制系统实验装置”是为了配合过程控制工程与自动化仪表、计算机控制等相关课程的教学而设计开发的。该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用当今工业现场常用的对象,如水箱、锅炉。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪,上位机监控软件采用MCGS工控组态软件.对象系统还留有扩展连接口,扩展信号
7、接口便于控制系统二次开发,以便进行DCS控制,亚当模块控制,PLC控制开发。学生通过对该系统的了解和使用,进入企业后能很快地适应环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发平台。在当今高校教学改革的大潮中,各高校的老师明显地意识到学生素质教育的重要性,国内一些重点、名牌大学为了更好地提高学校的知名度,要求建设高档次、开放性的实验室,甚至有些学校为了扩大研究生的招生,要求建设研究生实验基地等。但目前各高校的教学中理论和实践严重脱节,基于这一现象,并响应各大高校的呼吁,征求了广大教师的意见,我公司设计开发了“TKJ2型高级过程控制系统实验装置”。学生在本实验装置进行综合实
8、验后可掌握以下内容: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。实验过程的基本程序:1、明确实验任务;2、提出实验方案;3、画实验接线图;4、进行实验操作,做好观测和记录;5、整理实验数据,得出结论,撰写实验报告。在进行本书中的综合实验时,上述程序应尽量让学生独立完成,老师给予必要的指导,以培养学生的实
9、验动手能力,要做好各主题实验,就应做到:实验前有准备;实验中有条理,实验后有分析。第一章 TkJ-2型高级过程控制系统的概述一、系统简介“TkJ2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象,它集自动化仪表技术,计算机技术,通讯技术,自动控制技术为一体的多功能实验装置,该装置是本企业根据自动化及其它相关专业教学的特点,吸收了国内外同类实验装置的特点和长处,经过精心设计,多次实验和反复论证,推出了一套全新的实验装置,该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数,可实现系统参数辨识,单回路控制,串级控制,前馈-反馈控制,比值控制,解耦控制等多种控制形式.本装置还可根据用户的需要设计构成D
10、DC,DCS,PLC,FCS 等多种控制系统。该实验装置既可作为本科,专科,高职过程控制课程的实验装置,也可为研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供物理模拟对象和实验手段。二、系统组成本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路:一路由三(380V交流)磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成;另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵(220V变频)、涡轮流量计及手动调节阀组成。1、 被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4。5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管
11、和敷塑不锈钢管道组成。水箱:包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃,不但坚实耐用,而且透明度高,便于学生直接观察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。水箱结构非常独特,有三个槽,分别是缓冲槽,工作槽,出水槽.上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。储水箱是采用不锈钢板制成,尺寸为:长宽高=68cm5243 完全能满足上、中、下水箱的实验需要.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
12、:本装置采用模拟锅炉进行温度实验,此锅炉采用不锈钢精制而成,设计巧妙,由二层组成:加热层(内胆)和冷却层(夹套)。做温度单回路实验时,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。冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度,可完成温度的串级控制,前馈-反馈控制,解耦控制等实验。盘管:长37米(43圈),可做温度纯滞后实验,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,在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间常数。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验.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
13、系统生锈的可能性.有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀,当水箱需要更换水时,将球阀打开将水直接排出。2、检测装置压力传感器、变送器:采用工业用的扩散硅压力变送器,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。经过调节器的温度变送器,可将温度信号转换成4 20mADC电流信号。 Pt100传感器精度高,热补偿性较好。流量传感器、转换器:流量传感器分别用
14、来对电动调节阀支路、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:LWGY10,流量范围:01.2m3/h,精度:1。0%.输出:420mA标准信号。本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。3执行机构电动调节阀:采用智能型电动调节阀,用来进行控制回路流量的调节.电动调节阀型号为:QSVP16K.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,控制信号为420mA DC或15V DC,输出420mA DC的阀位信号,使用和校正非常方便.技术指标:电源220VAC 50HZ输入控制信号:420mA DC或15V DC公称压力:1
15、.6Mpa公称直径:20mm重复精度:1%介质温度:4200行程:10mm功耗:5VA变频器:本装置采用日本三菱(FRS520S0。4K-CH(R)变频器,控制信号输入为420mADC或05VDC,220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。 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。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。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
16、度。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.电磁阀型号为:2W16025 ;工作压力:最小压力为0Kg/2,最大压力为7Kg/2 ;工作温度:580.4控制器本实验装置基本配置的控制器有调节仪表、比值器/前馈反馈补偿器、解耦装置.(还可根据需要扩展远程数据采集和PLC可编程控制系统)调节仪表本系统实验装置采用厦门宇光仪表有限公司的AI系列仪表,其主要特点有: AI系列仪表操作方便、通俗易学,且不同功能档次相互兼容。 具有国际上同类仪表的几乎所有功能,通用性强、技术成熟可靠。 全球通用的85246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电,并具备多种外形尺寸. 输入采用数字校正
17、系统,内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格,测量精确稳定。 采用先进的AI人工智能调节算法,无超调,具备自整定(AT)功能. 采用先进的模块化结构,提供丰富的输出规格,能满足各种应用场合的需要。 通过ISO9002质量认证,品质可靠.具备符合要求的抗干扰性能.本装置有4台调节器。其中三台型号是AI818,另一台型号是AI-708。(1)技术规格热电偶:K、S、R、E、J、T、B、N热电阻:Cu50、Pt100线性电压:05V、15V、01V、0100mV、020mV等线性电流(需外接分流电阻):010mA、020mA、420mA等(2)测量范围K(-501300)、s(501700)、R(50
18、1650)、T(-200550)E(0800)、J(01000)、B(01800)、N(01300)Cu50(50150)、Pt100(200600)(3)测量精度0.2级(热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿或冰点补偿冷端时)0.2%FS2.0(热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时)(4)响应时间0。5秒(设置数字滤波参数dL=0时)注:仪表对B分度号热电偶在0-600范围时可以进行测量,但测量精度无法达到0.2级,在600-1800范围可保证0.2级测量精度。位式调节方式(回差可调)(5)AI人工智能调节,包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。(6)
19、输出规格(模块化)继电器触点开关输出(常开+常闭):250VAC/1A或30VDC/1A可控硅无触点开关输出(常开或常闭):100240VAC/0.2A(持续),2A(20mS瞬时,重复周期大于5S)SSR电压输出:12VDC/30mA(用于驱动SSR固态继电器)可控硅触发输出:可触发5500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块线性电流输出:010 mA可4-20 mA可定义(安装X模块时输出电压10。5V;X4模块输出电压7V)(7)报警功能上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式,最多可输出3路,有上电免除报警选择功能。(8)手动功能自动/手动双向无扰动切换(仅A1808/
20、808P系列具备此功能)(9)电源:100240VAC,15%,+105060HZ;电源消耗:5W(10)环境温度:050比值器、前馈反馈装置此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验,又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈反馈控制系统实验.解耦控制装置此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。三、仪表综合控制台仪表控制台面板由三部分组成:1、电源控制屏面板:充分考虑人身安全保护,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.2、仪表面板:1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面板、1
21、块智能位式调节AI/708A仪、解耦装置面板,比值器/前馈反馈装置面板,各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出.3、I/O信号接口面板:该面板的作用主要是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连,再通过航空插头同对象系统连接,便于学生自行连线组成不同的控制系统,进行几十种过程控制系统的实验.四、系统特点l 被控参数全面,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。l 本装置由控制对象、智能仪表综合控制台、计算机三部分组成,系统结构布局合理,造型美观大方。l 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。l 具有广泛的扩展性和后续开发功能,所有I/O信
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