控制裝置與儀表課程設計

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1、 課程設計報告 （2011-- 2012 年度第二學期 ) 名 稱： 控制裝置與儀表課程設計 題 目：除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設計 院 系 : 動力工程系 班 級： 測控 學 號： 學生姓名： 指導教師： 設計周數(shù)： 一 周 成 績： 日 期： 2012 年 6 月 28 日 《控制裝置與儀表》課程設計 任 務 書 一、

2、 目的與要求 認知控制系統(tǒng)的設計和控制儀表的應用過程。 1． 了解過程控制方案的原理圖表示方法（ SAMA圖）。 2． 掌握數(shù)字調(diào)節(jié)器 KMM的組態(tài)方法， 熟悉 KMM的面板操作、 數(shù)據(jù)設定器和 KMM數(shù)據(jù)寫入器的 使用方法。 3． 初步了解控制系統(tǒng)參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試的過程。 二、 主要內(nèi)容 1． 按選題的控制要求，進行控制策略的原理設計、儀表選型并將控制方案以 SAMA 圖表示 出來。 2． 組態(tài)設計 2 ． 1KMM 組態(tài)設計 以 KMM 單回路調(diào)節(jié)器為實現(xiàn)儀表并畫出 KMM 儀表的組態(tài)圖， 由組態(tài)圖填寫 KMM

3、 的各組態(tài)數(shù)據(jù)表。 2 ．2 組態(tài)實現(xiàn) 在程序寫入器輸入數(shù)據(jù)，將輸入程序寫入 EPROM 芯片中。 3． 控制對象模擬及過程信號的采集 根據(jù)控制對象特性， 以線性集成運算放大器為主構成反饋運算回路， 模擬控制對象的特性。 將定值和過程變量送入工業(yè)信號轉換裝置中，以便進行觀察和記錄。 4． 系統(tǒng)調(diào)試 設計要求進行動態(tài)調(diào)試。 動態(tài)調(diào)試是指系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場相連時的調(diào)試。 由于生產(chǎn)過程已經(jīng)處于運行或試運行階段，此時應以觀察為主，當涉及到必需的系統(tǒng)修改時，應做好充分的 準備及安全措施，以免影響正常生產(chǎn)，更不允許造成系統(tǒng)或設備故障。動態(tài)調(diào)試一般包括以下內(nèi)容

4、： ｌ）觀察過程參數(shù)顯示是否正常、執(zhí)行機構操作是否正常； ２）檢查控制系統(tǒng)邏輯是否正確，并在適當時候投入自動運行； ３）對控制回路進行在線整定； ４）當系統(tǒng)存在較大問題時，如需進行控制結構修改、增加測點等，要重新組態(tài)下裝。 三、 進度計劃 序號 設計 ( 實驗 ) 內(nèi)容 時間 備注 1 閱讀理解課程設計指導書的要求，根 D1 分組；確定小組負責人及每人的 據(jù)選題設計內(nèi)容， 小組討論控制方案， 分工，列出名單；討論控制方案。 進行 SAMA圖設計。確定小組負責人及 每人的具體分工。 2

5、 根據(jù) KMM調(diào)節(jié)器組態(tài)要求，設計 KMM D2 列出 KMM組態(tài)數(shù)據(jù)表。 組態(tài)圖，填寫 KMM組態(tài)數(shù)據(jù)表。 3 4 5 6  利用程序寫入器輸入組態(tài)數(shù)據(jù)，寫入 EPROM芯片。 進行系統(tǒng)接線和調(diào)試 上機答辯考核 撰寫課程設計報告  D3 D4～D5  上實驗室。 上實驗室。 檢驗設計結果。 確定設計成績（其中實驗前準備 工作占 20%，實驗考核內(nèi)容占 60%，設計報告占 20%）。 設計內(nèi)容分工參考： 小

6、組每人均參與控制方案的設計， 了解方案的 KMM儀表實現(xiàn)方法、 實驗系統(tǒng)組成、 系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)記錄的過程。 在此基礎上小組成員可作如下具體分工： 預習 KMM程序寫入器使用并具 體進行 EPROM芯片的制作（ 2 人）；設計實驗接線原理圖，進行實驗接線并熟悉掌握 KMM面板功能及 數(shù)據(jù)設定器使用（ 1-2 人）；確定記錄信號并利用工業(yè)控制信號轉換設備進行記錄信號的組態(tài)和實驗 曲線的打印工作（ 1 人）。 四、 設計（實驗）成果要求 1． 完成系統(tǒng) SAMA 圖和 KMM 組態(tài)圖，附出控制系統(tǒng)的調(diào)試曲線和控制參數(shù)。 2． 對系統(tǒng)設計過程進行總結

7、，完成并打印設計報告。 五、 考核方式 1． 按上述步驟逐項完成軟件內(nèi)容的設計，進行操作演示，控制結果滿足要求，并進行問答。 2． 設計報告格式規(guī)范，內(nèi)容詳實。 六、 選題參考 1 除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設計 2 爐膛壓力系統(tǒng)死區(qū)控制系統(tǒng)設計 3 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)設計 4 鍋爐給水三沖量控制系統(tǒng)設計 5 風煤比值控制系統(tǒng)設計 6 主汽壓力前饋控制系統(tǒng)設計 學生姓名： 指導教師： KMM 調(diào)節(jié)器組態(tài)、實現(xiàn)及控制系統(tǒng)模擬調(diào)試 一、 設計目的 1

8、 了解過程控制方案的原理圖表示方法（ SAMA圖）。 2 掌握數(shù)字調(diào)節(jié)器 KMM的組態(tài)方法， 熟悉 KMM的面板操作、 數(shù)據(jù)設定器和 KMM數(shù)據(jù)寫入器的使用方法。 3 初步了解控制系統(tǒng)參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試的過程。 二、 設計實驗設備 1 KMM數(shù)字調(diào)節(jié)器、 KMM程序寫入器、 PROM擦除器、控制系統(tǒng)模擬試驗臺 三、 設計正文： ㈠設計分析過程： 對如圖 1 所示的除氧器水位控制系統(tǒng)， 要求對除氧器內(nèi)水位進行單變量定值控制。 除氧器水位經(jīng)變送器測量后，由 KMM模入通道 2 送至調(diào)節(jié)器中。調(diào)節(jié)器輸出 AO1經(jīng)模 / 數(shù)轉換器控制調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)給

9、 水量，從而控制除氧器內(nèi)的水位。 測量值 pv 的擾動：當測量值的取值在給定值 sp 附近，并且變化范圍在給定值正負 15％時，通過投自動測量值會越來越趨近于給定值， 不管測量值變化多少 （只要不超出上下限， 否則不能投自動） ，測量值都會越來越趨近于給定值。 ㈡設計步驟： 1 . 由控制要求畫出控制流程圖。如附錄圖 1。 控制要求：當調(diào)節(jié)器的給定值 SP和測量值 PV之偏差超過給定的監(jiān)視值（ 15%）時，調(diào)節(jié)器自動 切換至手動（ M）方式。在偏差允許的范圍內(nèi)（ 15%），允許切入自動（ A）方式。 顯示要求：給定值（ SP）與測量值（ PV）指示表

10、（雙針動圈指示表） 輸出值指示 各種指示燈 操作要求：給定值和輸出值的增減操作。 2. 確定對可編程序調(diào)節(jié)器的要求。 控制系統(tǒng)要求一路模擬量輸入（模入）通道輸入水位信號，一路模擬量輸出（模出）通道輸出控 制信號控制水位調(diào)節(jié)閥。而 KMM具有 5 路模入通道、 3 路模出通道（其中第一路模出通道 AO1可另外 同時輸出一路 4～ 20mA電流信號），可滿足本系統(tǒng)控制要求。 3 . 設計控制原理圖（ SAMA圖）。 根據(jù)控制對象的特性和控制要求，進行常規(guī)的控制系統(tǒng)設計。并用 SAMA圖表達出控制方案。見 圖 2 所示。

11、 4. 繪制 KMM組態(tài)圖并填寫 KMM控制數(shù)據(jù)表 用所采用的控制儀表制造廠商提供的控制圖例和組態(tài)方法，在控制裝置中實現(xiàn)控制策略。 KMM的 組態(tài)方式是填表式組態(tài)方法， 要根據(jù)控制要求畫出 KMM組態(tài)圖并由組態(tài)圖按 KMM數(shù)據(jù)表格式填寫控制 數(shù)據(jù)表，為制作用戶 EPROM作準備。 (1) 繪制 KMM組態(tài)圖。 如附錄圖 3 所示，并且是根據(jù) SAMA圖繪制的 KMM系統(tǒng)組態(tài)圖。 （2）根據(jù) KMM組態(tài)圖填寫控制數(shù)據(jù)表。 KMM組態(tài)通過填入如附錄圖 4 所示的幾個數(shù)據(jù)表格實現(xiàn)。 5 . 掌握 KMM程序寫入器的使用方法并用

12、程序寫入器將數(shù)據(jù)寫入 EPROM中。 根據(jù)數(shù)據(jù)表中所填寫的代碼和數(shù)據(jù)用 KMM程序寫入器進行編程。 程序寫入器的具體使用方法參見 附錄中說明。按表格次序逐項輸入數(shù)據(jù)。程序輸入并檢查修改完畢后，按“ WRIT”、 “ ENT”鍵，將 程序寫入 EPROM中。寫入程序后的 EPROM移插到 KMM調(diào)節(jié)器的用戶 EPROM中，即可進行整機和系統(tǒng)調(diào)試工作。 6 . 按控制系統(tǒng)模擬線路原理圖接線。如附錄圖5。 由運算放大器構成的反饋網(wǎng)絡模擬控制對象特性，構成控制系統(tǒng)的模擬控制回路。 圖中實線連線表示已接連線，有三條，分別是 KM

13、M （ CZ6 ）端子 33－ 37（禁止外部聯(lián)鎖信號輸 入）、端子 3－ 4（模擬通道 1 的電流輸出構成閉合回路， 以避免產(chǎn)生開路報警信號） 和端子 1－ 11（供 電電源）。實驗時需檢查確認。彎虛線表示實驗時需接連線，按圖 4 逐條正確連接。 模擬的控制對象采用由兩個線性運算放大器構成的一階滯后反饋環(huán)節(jié)串連構成，以加大對象的滯 后時間?？刂苹芈分袦y量值和設定值信號分別送入工業(yè)控制信號轉換器中的 A/D 模擬量輸入通道中 進行顯示和記錄。 運算放大器構成的是一階滯后特性的反饋回路。運放的反饋網(wǎng)絡是電阻

14、和電容的并聯(lián)，等效阻抗 1 ，輸入網(wǎng)絡的等效阻抗 Z1 R1 ，這個放大器構成的閉環(huán)特性傳遞函數(shù)， R f s R f Z f C f 1 1 R f C f s Rf s C f Z f Rf / R1 設定 R f R1 ，則 1 因此，這是一個滯后時間 T R f C f W ( s) 1 R f C f s

15、W (s) Z 1 R f C f s 1 的一階滯后環(huán)節(jié)。設計實驗中選取R f R1 100 K ， C f 47 ，計算得這個滯后環(huán)節(jié)的滯后時間 T 4.7s 。因滯后時間較小，設計中將這樣的兩個環(huán)節(jié)串連而成。 工業(yè)控制信號轉換器是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 本設計中輸入系統(tǒng)的定值信號和測量值， 可完成信號 的數(shù)據(jù)存儲、顯示、打印等功能。 7. 進行控制參數(shù)調(diào)整，對控制系統(tǒng)各項功能進行模擬測試并記錄定值擾動控制曲線。 （1）上電準備。 ①檢查并確認接線正確；

16、② 對 內(nèi) 藏 有 “ 后 備 手 操 單 元 ” 的 KMM，要 預 先 將 此 單 元 的 “ 后 備 / 正 常 方 式 切換 開 關 ” （ Standby/Normal made Switch ）扳到“正常” （ Normal ）側。對使用“預置（ Preset ）型后備手操 單元”的場合，要預先設定好“預置（  Preset  ）輸出值”。 （2）通電。使調(diào)節(jié)器通電，初上電，調(diào)節(jié)器先處于“聯(lián)鎖手動”  （ Interlock Manmal mode  ）方 式。 （ 3）運行數(shù)據(jù)的確認。用

17、“數(shù)據(jù)設定器”來確認，對于運行所必需的控制數(shù)據(jù)、可變參數(shù)等是否被設定在規(guī)定值。必要時可進行數(shù)據(jù)的設定變更。 （ 4）按控制面板上的 R（ Reset ，復位）按鈕，解除 “聯(lián)鎖方式”后，調(diào)節(jié)器可進行輸出操作、方式切換等正常的運行操作。 （ 5）組態(tài)工業(yè)控制信號轉換設備的顯示畫面，以便記錄調(diào)試曲線。 （6）通過“數(shù)據(jù)設定器”進行 PI 參數(shù)的調(diào)整，使控制品質(zhì)達到控制要求。記錄定值擾動 10%時 的動態(tài)過程曲線。 設計實驗報告 姓名： 董博英 專業(yè)、班級： 測控 09K2 EPROM編號 2926 學號： 09191

18、2020202 同組人 王巍 張孝楠 朱騰翌 設計名稱 KMM組態(tài)及控制系統(tǒng)調(diào)試 1 . 設計功能說明 : 除氧器水箱的汽側和水側都有平衡管相連，其中的水平衡管保持除氧器的水位穩(wěn)定， 此外除氧器設置水位調(diào)節(jié)器，通過改變給水量來調(diào)節(jié)水箱水位，保證除氧器正常工作，此 次課程設計的系統(tǒng)目的在于在水箱水位改變時，通過 KMM調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)給水從而維持除氧器 水位在正常水平。 控制要求：當調(diào)節(jié)器的給定值 SP和測量值 PV 之偏差超過給定的監(jiān)視值（ 15%）時，調(diào)節(jié)器自動切換至手動（ M）方式。在偏差允許的范圍內(nèi)（ 15%），允許切入自動（ A）方式。

19、 2. PI 參數(shù)： 比例帶 δ=15.0% 積分時間 T I=0.10min 3. 記錄曲線：如附圖所示 4. 曲線分析：第一個峰值取值為 4.29 ，第二個峰值取值為 4.25 。 穩(wěn)態(tài)值為 4.22. 指導教師 設計日期 2012-06-28 四、課設試驗總結： 通過本次課設，基本達到了課設目的。認知了控制系統(tǒng)的設計和控制儀表的應用過程，對控制裝 置與

20、儀表這門課程有了更深入的了解與認識： 了解了控制系統(tǒng)的設計原理與設計思想； 了解過程控制 方案的原理圖表示方法（ SAMA圖）；掌握數(shù)字調(diào)節(jié)器 KMM的組態(tài)方法，熟悉 KMM的面板操作、數(shù)據(jù)設 定器和 KMM數(shù)據(jù)寫入器的使用方法；初步了解控制系統(tǒng)參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試的過程。 本次課設過程比較順利，出現(xiàn)問題不多，但在過程中需要注意的東西不少。首先，接線要認真仔 細，尤其注意檢查確認已連接的連線，即 KMM（ CZ6）端子 33－ 37（禁止外部聯(lián)鎖信號輸入） 、端子 3 －4（模擬通道 1 的電流輸出構成閉合回路，以避免產(chǎn)生開路報警信號）和端子 1－ 11（供電電源） 。

21、其次，數(shù)據(jù)讀入要細心，由于芯片是光可擦除的 EPROM，擦出過程非常耗時，最后，在比例帶與積分 時間的選取上，要有目的有針對性，并且要多次調(diào)整，以尋找最佳情況。在本次課程設計中把書本知識與實踐結合起來，學以致用，不僅對實驗原理及操作過程有了更清晰的了解，而且還鍛煉了動手能力和團隊合作能力。 五、參考文獻： 《控制儀表及裝置》第三版 《控制儀表與裝置實驗及課程設計指導書》  吳勤勤 主編 .化學工業(yè)出版社 韋根原 王秀霞 主編 華北電力大學 附錄圖 1

22、 KMM  給水 AIR2 AO1 除氧器 A/D 冷凝水 除氧器水位控制系統(tǒng)流程圖 附錄圖 2 PV AIR2 K I TRACK H/L < > OR M A/M M A I A T T I AO1 A/D f(x) 控制系統(tǒng) S

23、AMA 圖 附錄圖 3： AIR2 水位 輸入處理 LSP1 AI2 1 PID1 OFF PPAR1 SP1 0.0 P0001 2 LIM 5 DMS PPAR1 MSW 100.0 P1001 3 HLM 7 6 OR NOT OFF ASW

24、 P1002 4 9 8 MAN MOD AND SP1 OFF P0001 AO1 AO2 KMM 組態(tài)圖 附錄圖 4： 輸入的數(shù)據(jù)表如下： ①基本數(shù)據(jù)表 (F001-01- □□ -) 項目 代碼設定范圍 代碼 數(shù)據(jù) 省缺值 PROM管理編號 指定的四位數(shù) 01 2926 0 運算操作周期 1、 2、 3、 4、 5 02 2 2 調(diào)節(jié)器類型 0、 1、 2、 3 03 0 0 PV報警顯示

25、 PID 編號 1、 2 04 1 1 調(diào)節(jié)器編號 1～ 50 05 25 1 上位計算機控制系統(tǒng) 0、 1、 2 06 0 0 上位機故障時切換狀態(tài) 0、 1 07 0 0 PROM管理編號：作芯片記號，指定一個四位數(shù)。  PPAR3 15% PPAR4 0.0 運算操作周期： 1－ 100ms； 2－ 200ms； 3－ 300ms； 4－ 400ms； 5－ 500ms。

26、調(diào)節(jié)器類型： 0－ 1PID(A/M)1 ； 1－ PID(C/A/M) ；2－ 2PID(A/M) ； 3－2PID(C/A/M) 。 上位計算機控制系統(tǒng)： 0－無通信； 1－有通信（無上位機） ； 2－有通信（有上位機） 。 上位機故障時切換狀態(tài)： 0－MAN方式； 1－ AUTO方式。 ②輸入處理數(shù)據(jù)表 （ F002- □□ - □□ - ） 項目 代碼設定范圍 代碼 模擬輸入數(shù)據(jù) 缺省值 01 02 0 04 05 3 輸入使用 0、 1 01 1 0 按 工

27、 程 顯 示 小數(shù) 點 0、 1、 2、 3 02 2 1 位置 工 程 測 量 單 位的 下 -9999 ～9999 03 0.00 0.0 限值 工 程 測 量 單 位的 上 -9999 ～9999 04 99.99 100.0 限值 折線編號 0、 1、 2、 3 05 0 溫度補償輸入編號 0、1、2、3、4、 06 0 5 溫度單位 0、 1 07 0 設定（目標）溫

28、度 -9999 ～9999 08 0 壓力補償輸入編號 0、1、2、3、4、 09 0 5 壓力單位 0、 1 10 0 設定（目標）壓力 -9999 ～9999 11 0 開平方處理 0、 1 12 0 開方小信號切除 0.0 ～ 100.0(%) 13 0 數(shù)字濾波常數(shù) 0.0 ～ 999.9s 14 0.0 傳感器故障診斷 0、 1 15 0 1 輸入使用： 0－不用； 1－用。 按工程顯示小數(shù)點

29、位置： 0－無小數(shù)； 1－ 1 位小數(shù)； 2－ 2 位小數(shù)； 3－三位小數(shù)。 開平方處理： 0－直線； 0－開平方處理。 開方小信號切除：給 AI1 ～ AI5 設定的開方信號切除值。 傳感器故障診斷： 0－無診斷； 1－診斷。 ③ PID 數(shù)據(jù)表 （ F003- □□ - □□ - ） 項目 代碼設定范圍 代碼 PID 數(shù)據(jù) 缺省值 01 02 PID 操作類型 0、 1 01 0 0 PV輸入編號 1～ 5 02 1 1 PV跟蹤 0、 1

30、03 0 0 報警滯后 0.0 ～ 100.0(%) 04 0.0 1.0 比例帶 0.0 ～ 799.9(%) 05 100.0 100.0 積分時間 0.0 ～ 99.9min 06 1.5 1.0 微分時間 0.0 ～ 99.9min 07 0.00 積分下限 -200.0 ～ 08 0.0 200.0(%) 積分上限 -200.0 ～ 09 100.0 200.0(%) 比率 -699.9 ～ 10 100.0 799.9(%) 偏置

31、 -699.9 ～ 11 0.0 799.9(%) 死區(qū) 0.0 ～ 100.0(%) 12 0.0 輸出偏差率限制 0.0 ～ 100.0(%) 13 100.0 偏差報警 0.0 ～ 100.0(%) 14 15 10.0 報警下限 -6.9 ～ 106.9(%) 15 0.0 報警上限 -6.9 ～ 106.9(%) 16 100.0 PID 操作類型： 0－常規(guī) PID；1－微分先行 PID。 PV跟蹤：定值跟蹤功能， 0－無； 1－有。 ④可變變量表

32、 可使用百分型可變變量 20 個，時間型可變變量 5 個。 （ F005- □□ - □□ - ） 01( 百分型 ) 02( 時間型 ) 代碼 數(shù)據(jù) 代碼 數(shù)據(jù) 01 0.0 01 02 100.0 02 03 15.0 03 04 0.0 04 ～ 05 20 百分型數(shù)據(jù)：缺省值為 0.0 ；給定范圍為： -699.0 ～ 799.9%。 時間型數(shù)據(jù)：缺省值為 0.00min ；給定范圍為： 0.00 ～

33、99.99min ⑤輸出處理數(shù)據(jù)表  。 規(guī)定模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號從哪個模塊引出。 （ F006- □□ - □□ - ） 輸出 輸出端 代碼 連接的內(nèi)部信號名稱 信號名 代碼 01 AO1 01 U4 U0004 ( 模擬輸出 ) AO2 02 SP1 P0001 AO3 03 02 DO1 01 ( 數(shù)字輸出 ) DO2 02 DO3 03 連接的內(nèi)部信號缺省值為 U0000。 ⑥運算模塊數(shù)據(jù)表

34、 用來規(guī)定模塊的類型及模塊相互之間的連接。 （ F1□□ - □□ - ） 運算 運算式 H1 輸入信號 H2 輸入信號 P1 輸入信號 P2 輸入信號 模 名稱 編號 信號 代碼 信號名 代碼 信號名 代碼 信號名 代碼 塊編 名稱 稱 稱 稱 號 1 PID1 20 SP1 P0001 AI2 P0402 U4 U0004 OFF P0502 2 LLM 11 U1 U0001 PPAR1 P01

35、01 3 HLM 13 U2 U0002 PPAR2 P0102 4 MAN 19 U3 U0003 5 DMS 16 SP1 P0001 AI2 P0402 PPAR3 P0103 PPAR4 P0104 6 NOT 30 U5 U0005 7 OR 28 MSW P1001 U5 U0005 8 AND 27 ASW P1002 U6 U0006 9 MOD 45 OFF P0502

36、U7 U0007 U8 U0008 OFF P0502 10 11 12 ～ 30 運算模塊編號：由設計人員按模塊調(diào)入順序給出的序號。 運算模塊數(shù)據(jù)表參見教材：表 4-1 。 模塊輸入端能用的內(nèi)部信號參見教材：表 4-2 。 附錄圖 5： 24VDC 模擬機 KMM 100K 100K +24V 1 4.7u

37、 4.7u 100K 100K 25 AIR2+ AO1I+ 3 _ _ 26 AIR2- AO1I- 4 100K + K 100K K AO1V+ 5 +

38、 33 0V AO1V- 6 AO2V+ 7 37 INT`K AO2V- 8 47u 47u 0V 11 CZ6 A/D 模擬量輸入通道 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 計算機 打印機 地 工業(yè)控制信號轉換器 圖 4 模擬控制回路接線圖 模擬控制回路接線圖