自动化仪表实验指导书

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目录

安全注意事项 ............................................................................................................... 1 1、防止触电.............................................................................................................. 1 2、防止烫伤.............................................................................................................. 2 3、防止损坏.............................................................................................................. 2 第一章 过程控制设备简介 ......................................................................................... 4 第二章 实验内容 ......................................................................................................... 7 1.温度压力流量等仪表的使用及常识..................................................................... 7 2. 单容自衡水箱系统对象特性的测试 ................................................................. 17 3. 单容水箱液位PID控制系统 ............................................................................ 19

北京华晟高科教学仪器有限公司 第I页

安全注意事项

安全注意事项：

在安装、操作、维护或检查本系统之前．一定仔细阅读以下安全注意事项，并且要在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注意事项以后使用。在本使用说明书中，将安全注意事项等级分为“危险”和“注意”。

！危险：不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。 ！注意：不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。

注意：根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能造成严重后果。请遵循两个等级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。

1、防止触电

供电情况：

测试系统的控制系统供电一般为DC24V，漏电保护器和开关电源的端子上带有220V电压。正常漏电保护30毫安变化。

物理受控系统分别引入三相电和单相电，整个现场系统没有任何可以接触到的端子。正常漏电保护30毫安变化。

尽管系统经过多层保护，还是请用户注意以下安全事项。 ！危险

当通电或正在运行时，非专业人员不要进行任何维护、维修操作，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板，否则会发生触电的危险。

要求现场系统可靠接地。每隔一定时间，对漏电保护器进行漏电测试试验，即按下测试按钮。

！注意：

即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要打开控制箱接触变频器的输出裸露端子，可能会出现充电回路放电的现象，造成伤害。

水泵、电磁流量计，以及灯管都是220V供电，维修时请断开电源。

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对于交流220V或380V供电电缆，请不要损伤它，不要对它加过重的应力，使它承载重物或对它钳压。否则可能会导致触电。

2、防止烫伤

加热情况：

锅炉结构为内容器，内有4.5KW（部分产品6KW）加热管。外容器为隔热保护，不会有高温，同时封闭所有强电端子。锅炉常压，最高温度不超过100度，建议保持70度以下。

支路中会流通热水。 ！危险

在热水没有冷却时，不要进行任何打开锅炉维修维护工作。不要接触热水管道过长时间（例如3秒以上），避免高温烫伤。

！注意

锅炉中的水最好不要超过锅炉高度的2/3，请尽量控制水温在70度以下，以免高温烫伤，提高产品寿命。

3、防止损坏

！注意

尽量在水泵完全停止运行后，再重新进入运行状态，否则容易损坏水泵 ！注意

在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，否则可能损坏加热器。该系统增加了硬件的连锁保护，但是在操作时也要注意。

！注意

系统应远离可燃物体，系统发生故障时，请断开电源。 ！注意

操作的环境温度-10℃-50℃，湿度90%RH以下，存储温度-20℃-65℃（运输时短时间适用温度）。

计算机或其他不能溅水的设备最好距离三个水箱2米以外。

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4、漏电说明

如果现场系统偶尔出现跳闸现象，请您不要担心，这是我们为防止瞬间电流过大，损坏现场设备而安装了漏电保护器。例如在给变频器上电的时候，会有比较大的电流，就会偶尔出现跳闸现象。

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第一章 过程控制设备简介

本章介绍整个测试平台的架构。包括物理硬件系统，以及配置的软件系统。

1.1 总体架构

A3000测试平台总体物理系统如图1.1.1所示。

（

图1.1.1 A3000测试平台物理系统

逻辑结构如图1.1.2所示。

温度、压力、流量、液位、执行器 A3000现场系统 图1.1.2 总体逻辑结构

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计算机 编程 下装调试 控制系统 I/O模块AI,DI I/O模块AO,DO 组态 通讯调试

1.2 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、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。

为了防止动力设备静电积累而触电或者损坏设备，所以系统必须可靠接地。

1.2.1 现场系统工艺流程图

现场系统工艺流程图如图1.2.1所示。

(换热器)(滞后盘管)图1.2.1 系统工艺示意流程图(不含控制系统)

总体的测点清单如表1.2.1所示。

表1.2.1整体流程测点清单 序号 位号或设备名称 代号 1 TE-101 热电阻 2 TE-102 热电阻 用途 锅炉水温 锅炉回水温度 原始信号类型 Pt100 AI Pt100 AI 工程量 0～100℃ 0～100℃ 自动化教研室 第5页

3 TE-103 热电阻 热电阻 4 TE-104 5 TE-105 热电阻 换热器出口水温（II） Pt100 换热器出口水温（I） Pt100 储水箱水温 锅炉液位极低联锁 锅炉液位极高联锁 给水紧急切断I 给水紧急切断II 给水流量I 给水流量II 给水压力 上水箱液位 中水箱液位 下水箱液位 锅炉/中水箱右液位 阀位控制 锅炉水温控制 频率控制 Pt100 AI AI AI 0～100℃ 0～100℃ 0～100℃ NC NC NC NC NC 0～3m3/h 0～3m3/h 150kPa 2.5kPa 2.5kPa 2.5kPa 0～5kPa 0～100％ 0～100％ 0～100％ 6 LSL-105 液位开关 7 LSH-106 液位开关 电磁阀 8 XV-101 9 XV-102 10 AL-101 11 FT-101 12 FT-102 13 PT-101 14 LT-101 15 LT-102 16 LT-103 17 LT-104 18 FV-101 19 GZ-101 20 U-101 电磁阀 告警 涡轮流量计 电磁流量计 压力变送器 液位变送器 液位变送器 液位变送器 液位变送器 电动调节阀 调压模块 变频器 干接点 DI 干接点 光电隔离 光电隔离 光电隔离 4～20mADC 4～20mADC 4～20mADC 4～20mADC 4～20mADC 4～20mADC 4～20mADC 4～20mADC 4～20mADC 4～20mADC DI DO DO DO AI AI AI AI AI AI AI AO AO AO 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4～20mA。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。执行机构一般为2～10V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。

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第二章 实验内容

1. 温度、压力、流量等仪表使用及常识

一、实验目的

1、了解常用仪表的功能。

2、掌握常用仪表的信号及电源接线。 3、会正确使用仪表。 二、实验设备

A3000过程控制实验装置

三、实验内容 1、 温度检测及仪表 1.1 温度传感器

实验用的温度传感器为PT100。三线制。如图1-1所示。

图1-1 温度传感器为PT100

温度变送器为两线制，24V直流供电。如图1-2所示：

图1-2 温度变送器接线原理图

1.2 温度仪表

A3000智能仪表控制系统采用了福建百特公司的两个智能PID调节仪表。一个内给定，一个外给定。具有智能PID控制算法，可以实现自整定功能。

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1.2.1按键说明 SET键：

自动或手动工作态下，按SET键进入参数设定态。 参数设定态下，按SET键确认参数设定操作。 键和键：

自动工作态下，按键或键可修改给定值(SP),在附显示窗显示。 手动工作态下，按键或键可修改控制操作值(MV)。 参数设定时，键和键用于参数设定菜单选择和参数值设定。 A/M键：

手动工作态和自动工作态的切换键。 1.2.2 给定值设置

单设定点(本机设定点)的SP设定操作在自动工作态下，按、键可修改SP设定值，在附显示屏显示。

上电复位后将调出停电前的SP值作为上电后的初始SP值。

上电复位时，具有SP跟踪PV功能，即从时间程序曲线中最接近当前PV值的点开始程序运行。

手动操作。

不论本机单值给定工作态，还是时间程序给定工作态，按A/M键均进入手动工作态，可通过、键直接修改MV值，在附屏显示。

在手动工作态下，按A/M键将回到自动工作态。手动/自动状态的切换是控制操作MV双向无扰动的。

本机单值给定时，手动转自动时具有SP自动跟踪PV功能。即置SP=当前PV值。

t.SP给定时，手动转自动时同样具有SP自动跟踪PV功能，即从时间程序曲线中最接近PV的点开始运行。

PID自整定程序的启动

按操作说明“D”操作，可启动PID自整定程序。

启动后，若误差(SP-PV)/FS小于5%则继续维持常规PID运行，还不进PID参数自整定。

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若偏差大于5%，则作两个周期全开全关位式控制，算出系统合适的PID参数，按此参数进行常规PID控制。

自整定期间，附屏交替显示特定字符和MV值。 1.2.3 参数设定操作说明

图例说明如表1.2.1所示。

表1.2.1 按键图例说明

图 符 S 、 A/M

参数设定操作总框图如图1.2.1所示。

说 明 按SET键 按键或键 按A/M键 图 符 xxxx yyyy 说 明 主屏显示xxxx 附屏显示yyyy 自动化教研室 第9页

图1.2.1 百特表操作总图

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由于在仪表出厂设置当中，已将输入零点满度校正、室温校正、输出零点满度校正（这三个参数以下被称为非常规参数）各参数项锁定，所以当在‘工作态”时，按下Set 键后仪表显示的是

界面，如果再按Set键就进入PID参数设置项，

或者按△、▽键，选择进入其它的常规参数设置项。如果用户需要用到上述被锁定的参数项时，需要先找到参数上锁

这一项，选择ALL，输入密码18，将

这些常规参数全部锁定（常规参数的锁定和解锁的密码均为18），然后再回到

状态，按Set键，再按△、▽键输入密码22（非常规参数的解锁密码为22），再按Set键确认，这时再按△、▽键就可以找到所有参数项，进而可以对非常规参数进行参数设置及校正，当修改结束后，再用密码18将所有参数锁定后，再用密码18解锁，那么这些非常规参数就又被锁定了，而常规参数仍可通过△、▽键找到。建议老师，在常态下要把非常规参数锁定，以免学生乱改，避免出现测量不准、控制效果不佳等问题。

注意：当要对输入零点满度、输出零点满度进行校准时，需要使用标准信号源。本系统是电流型系统，所以在校准时要使用标准电流源，具体步骤如下：

1、按Set、△及▽键，找到2、再次找到

，选择ALL，输入密码18将所有参数锁定。

，输入密码22解锁。

3、对输入零点满度进行校准：首先将标准的零点信号接到输入端子上，然后找到

，按Set、△及▽键，找到

，再按Set，等候60s以后，再按Set,

然后将信号换为标准的满度信号，再等候60s，按Set确认，取下信号线。则输入的零点、满度已经校准。

4、将标准的信号源接到输出端子，然后采用同样的方法校准输出的零点和满度。

5、校准后，用密码18将所有参数锁定，再用密码18解锁。

6、用输入标准信号来检测表的输入端子的零点和满度，用万用表检测输出信号的零点和满度，如果误差仍然很大（校准时等待时间不够长等外部原因），则需重复以上各步，直至满足误差要求。 1.2.4 初始化仪表

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1、仪表地址与通讯波特率

两块表分别按图1.4.2接好线，用RS485-232模块连接仪表和计算机，然后给百特表通电，给仪表设置地址和通讯参数。首先设置内给定调节仪，按Set键和△键，找到主屏为屏显示

的一项，按Set键进入其内部，此时主屏显示

，附

，此项为地址设置项，百特表的地址范围是1～254,可以按△、▽键

来设置地址，因为这是我们所采用的第一块表，所以在此就将其设置为1。再按Set键，进入传输波特率设置项，此时主屏显示

，附屏显示

，根据

所需要的传输速率，按△、▽键来选择，由于我们是与计算机进行通讯，所以设为9600bps。同样的操作过程，把第二块表的地址设为2，传输速率设为9600bps。

2、设置量程范围

按Set键和△键，找到主屏为

的一项，按Set键进入其内部，设置范围

和标定分度。4-20毫安，最小值0，最大值100，1位或两位小数点。 1.2.5 常见错误及其解决方法

1．通电后，百特表没有任何显示

检查电源线的正负极是否接反，以及连接线的通断 2．通讯不上

（a）检查仪表地址和通讯波特率的设置 （b）检查仪表RS 485通讯端子接线 （c）检查上位机通讯串口的参数设置 （d）检测RS 485—232模块 3．主屏显示“

”

检查是否有输入信号

输入输出信号不对，检查表的输入输出接线 输出输入信号不准，用标准信号源进行校准。 1.2.6 控制器信号连接和操作

控制器的信号直接连接到面板上，通过插孔和锁紧连接线连接到现场系统的IO上。计算机和ADAM5510EKW/TP通过以太网联接。如果使用了交换机则使用直连线，如果和计算机直接连接，则使用交叉线。

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AS3010系统的内给定智能调节仪连接如图1.4.1所示：

图1.4.1 XMA5000(96×96mm)系列方表接线图

AS3010系统的接线如图1.4.2所示，对应面板的标号。

图1.4.2 XMA5000方表系列远程外给定接线图

备注：AS3010系统的一般只支持4-20毫安输入和输出。

2 压力和液位检测仪表

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。压力变送器如图1.2.13所示。

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图1.2.13

压力变送器

压力/液位变送器包括一个表头，两边都有盖子。打开盖子，一边的表内部可以调节零点或满量程。一边的表内部用于接线。如图1.2.14所示。

图1.2.14 变送器接线图和调节图

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3 流量检测设备

现场系统一般包括一个涡轮流量计，一个电磁流量计。 3.1涡轮流量计

涡轮流量计管道里有一个叶轮随着流量转动，通过霍尔效应产生脉冲，然后进行F/I转换为4~20mA信号。涡轮流量计如图1.2.15所示。

图1.2.15 涡轮流量计

接线如图1.2.16所示。

图1.2.16 涡轮流量计接线图

涡轮流量计如果堵塞，则需要拆卸清洗，拆卸如图1.2.17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。

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图1.2.17 涡轮流量计拆卸操作

3.2电磁流量计

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1.2.18所示。

图1.2.18 电磁流量计

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1.2.19所示。

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图1.2.19 电磁流量计接线图

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”。 三．实验报告

1、总结仪表的原理和功能。 2、给出仪表的接线方法。

2. 单容自衡水箱系统对象特性的测试

一、实验目的

1、掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2、根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数；

3、掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。

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二、实验设备

A3000过程控制实验装置 三、实验内容和步骤

1、设备简介

下水箱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1.2.6所示。

图1.2.6 下水箱透视图

下水箱顶视图结构如图1.2.7所示。

图1.2.7 下水箱顶视图

2、实验步骤

本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。

1）按照实验要求连接线路。

2）接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上

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电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

3）打开上位机组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入运行环境，在主菜单中点击“单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验的监控界面。

4）在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。

5）合上三相电源空气开关，水泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。 6）待下水箱液位平衡后，通过电磁阀突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水

箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值。 7）根据前面记录的液位值和仪表输出值，计算K值，再根据实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。

四、实验报告要求

1、画出单容水箱液位特性测试实验的结构框图。

2、根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。

3. 单容水箱液位PID控制系统

一、实验目的

1、了解常用调节器的功能。

2、掌握常用调节器的信号及电源接线。 3、分析调节器参数P、I、D的作用。 二、实验设备

A3000过程控制实验装置 三、实验内容和步骤

1、装置说明

单容下水箱液位PID控制流程图如图2.1.1所示。

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I图2.1.1 单容下水箱液位调节阀PID单回路控制

测点清单如表2.1.1所示。

表2.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单 序号 位号或代号 1 2 FV101 LT103 设备名称 用途 原始信号类型

工程量 电动调节阀 阀位控制 2～10VDC AO 0～100％ 压力变送器 下水箱液位 4～20mADC AI 2.5kPa 水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。

2、实验步骤

1）按照实验要求连接线路。

2）接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

3）打开上位机组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入运行环境，在主菜单中点击“单容水箱液位PID实验”，进入实验的监控界面。

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4）在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。

5）合上三相电源空气开关，水泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。 6）将TI设为12000，TD设为0，即将调节器设置为纯比例方式下，观察比例度的变化对系统的影响，记下响应曲线。

7）在比例度合适的条件下添加积分作用，观察积分时间常数的变化对系统的影响，记下响应曲线。

8）在比例度、积分时间合适的条件下添加微分作用，观察微分时间常数的变化对系统的影响，记下响应曲线。

四、实验报告要求

1、画出单容水箱液位PID控制实验的结构框图。

2、根据实验得到的数据及曲线，分析调节器参数对控制品质的影响。

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