2、掌握復(fù)雜過程控制——串級控制方法。
二、實驗設(shè)備及參考資料
1．過程控制綜合實驗裝置—儀表控制模塊
2．計算機(jī)及MCGS組態(tài)軟件—儀表控制實驗.MCG
3．實驗專用線若干及RS485轉(zhuǎn)232通訊線一根。
三、實驗系統(tǒng)流程圖：
四、 實驗原理
本實驗采用儀表控制,將上水箱液位控制在設(shè)定高度。串級回路是由內(nèi)反饋組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，屬于復(fù)雜控制范疇。根據(jù)下水箱的液位信號輸出給儀表,作為主調(diào)節(jié)器輸入，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的輸入，在串級控制系統(tǒng)中，兩個調(diào)節(jié)器任務(wù)不同，因此要選擇調(diào)節(jié)器的不同調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行控制，副調(diào)節(jié)器主要任務(wù)是快速動作，迅速抵制進(jìn)入副回路的擾動，至于副回路的調(diào)節(jié)不要求一定是無靜差。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持下水箱液位在設(shè)定值，因此，主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器也可考慮采用PID調(diào)節(jié)器。上下水箱雙容串級控制方塊原理圖如下：
五、實驗步驟
1、按要求接好實驗導(dǎo)線。
在傳感器信號輸出區(qū)域，將下水箱液位信號LT1輸出用實驗線連接到智能調(diào)節(jié)儀Ⅱ（addr：2）的 輸入 1-5V 信號輸入端，正負(fù)一一對應(yīng)。
將智能調(diào)節(jié)儀Ⅱ的輸出4-20mA 連接到智能調(diào)節(jié)儀I的輸入 1-5V 信號輸入端，正負(fù)一一對應(yīng)。
在傳感器信號輸出區(qū)域，將上水箱液位信號 LT1輸出用實驗線連接到智能調(diào)節(jié)儀I（addr：1）的 輸入 20-100mV 信號輸入端，正負(fù)一一對應(yīng)。
將智能調(diào)節(jié)儀I的輸出4-20mA 連接到執(zhí)行器控制信號輸入?yún)^(qū)的電動調(diào)節(jié)閥控制信號輸入端口，正負(fù)一一對應(yīng)。
2、使用485轉(zhuǎn)232通訊線將控制臺右側(cè)面的儀表通訊口 “COM2” 與上位機(jī)連接。
3、將手動閥門1V1、V3、V4打開，將手動閥門1V2關(guān)閉。
4、先打開控制臺左側(cè)的總電源開關(guān)，按“Start”按鈕啟動設(shè)備，再打開儀表電源。
5、設(shè)置智能調(diào)節(jié)器參數(shù)，其需要設(shè)置的參數(shù)如下：（未列出者用出廠默認(rèn)值）
（1）主調(diào)節(jié)器（智能調(diào)節(jié)儀Ⅱ）
SV=8 （參考值）
CtrL=nPID
Addr=2 InP=33 OPt=4-20mA dPt=1
比例系數(shù)P=10，積分系數(shù)I=40， D=0 Ctl = 2
SCL=0 SCH=1200
OPL=0 OPH=100
CF2=0
（2）副調(diào)節(jié)器 （智能調(diào)節(jié)儀I）
CtrL= nPID
Addr=1 InP=39 OPt=4-20mA dPt=1
比例系數(shù)P=10，積分系數(shù)I=40， D=0 Ctl = 10
SCL=0 SCH=1200
OPL=0 OPH=100
CF2=1
具體請詳細(xì)閱讀調(diào)節(jié)器使用手冊
6、在控制板上打開電動調(diào)節(jié)閥、水泵電源開關(guān)。
7、運行計算機(jī)上的儀表工程，選擇系統(tǒng)管理菜單中的用戶登錄，登錄用戶。
8、選擇串級控制實驗的上下水箱雙容串級控制實驗。
9、選擇儀表控制方式。
10、觀察計算機(jī)上的實時曲線和歷史曲線。
11、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給定加個階躍信號，觀察其液位變化曲線。
12、再等系統(tǒng)穩(wěn)定后，給系統(tǒng)加個干擾信號，觀察液位變化曲線。
六、實驗建議
調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)可以反復(fù)湊試，逐步逼近達(dá)到最佳的整定，實際中，采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是為了提高主被調(diào)量（下水箱）精度和改善動態(tài)特性而設(shè)置的，因此對副調(diào)回路的質(zhì)量指標(biāo)沒有要求。而對主回路的質(zhì)量指標(biāo)要求高。犧牲副回路的質(zhì)量，保證主回路的調(diào)節(jié)質(zhì)量。所以副調(diào)節(jié)器比例作用強(qiáng)一些，取消積分作用，主調(diào)節(jié)器設(shè)置P、I、D參數(shù)即可。
DB-CG13 過程控制綜合實驗裝置系統(tǒng)
過程控制綜合實驗裝置系統(tǒng)整套系統(tǒng)分為：上位控制層系統(tǒng)，實驗對象層，檢測傳感、變送、執(zhí)行設(shè)備，上位控制軟件四部分。系統(tǒng)特點:整套系統(tǒng)安放在可移動的試驗臺桌上，小巧且試驗裝置占地面積小。
1、上位控制層系統(tǒng)：①、智能儀表控制模塊；②、PLC控制系統(tǒng)；③DDC控制系統(tǒng)。
2、實驗對象層系統(tǒng)：
過程控制綜合實驗裝置系統(tǒng)控制對象：由鋁型材安裝框架、不銹鋼儲水箱、有機(jī)玻璃雙容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器、鋁塑復(fù)合管路等組成。
1、 標(biāo)準(zhǔn)鋁型材安裝框架：標(biāo)準(zhǔn)鋁型材安裝有機(jī)玻璃雙容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器。安裝底板鋪設(shè)不銹鋼桌面可安裝檢測傳感執(zhí)行裝置、管路等。
3、 外置不銹鋼儲水箱及水泵安裝在帶可移動腳輪的框架上作為一體。水泵出水口帶快插接頭，水泵同控制對象管路系統(tǒng)相連便可實驗。采用304優(yōu)質(zhì)不銹鋼，具有不生銹鏡面美觀大方。
4、 有機(jī)玻璃雙容串接水箱：
①有機(jī)玻璃雙容串接水箱：由進(jìn)口有機(jī)玻璃制作，上水箱(長200×寬200×高400mm)、下水箱(長200×寬200×高400mm)、上下水箱雙容串接安裝，每個水箱帶溢流管及下排水管及閥門，壓力液位傳感器接口。水箱容積大于17.5*10-3m3。
5、帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐容器：
利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內(nèi)膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，設(shè)置防干燒裝置，可利用它進(jìn)行溫度實驗。內(nèi)膽Φ100×500（通動態(tài)被加熱水），帶單相1.5KW電加熱管，夾套Φ150×400，內(nèi)膽安裝Pt100溫度傳感器。
6.管道流量壓力對象系統(tǒng)
整個系統(tǒng)管道由鋁塑管連接而成，不漏水。所有的手動閥門均采用優(yōu)質(zhì)球閥，流量計和壓力傳感器安裝在官道上以測量管道流量和水泵出水口壓力，其中儲水箱底部裝有出水閥，水箱需要更換水時，把出水閥打開將水直接排出。
過程控制綜合實驗裝置系統(tǒng)動力：功率可調(diào)的不銹鋼循環(huán)水泵:可組成不銹鋼泵＋電動調(diào)節(jié)閥＋渦輪流量計的動力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也可組成不銹鋼泵＋變頻器＋渦輪流量計的動力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。單相可控硅移相調(diào)壓裝置、單相電加熱管組成鍋爐加熱動力系統(tǒng)。
檢測傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：
流量傳感器：渦輪流量計＋流量變送儀。
液位傳感器：擴(kuò)散硅液位傳感器二個，分別用于檢測上下兩個水箱的液位。另外加熱鍋爐容器上還加一個擴(kuò)散硅壓力傳感器，做恒壓供水實驗時檢測容器壓力。
溫度傳感器：Pt100熱電阻傳感器一個，Pt100熱電阻溫度變送器一個。用于檢測帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐的內(nèi)膽溫度。
壓力傳感器：擴(kuò)散硅壓力傳感器一個。用于檢測加熱鍋爐容器壓力實驗時的動態(tài)壓力。
變頻調(diào)速器：三菱變頻調(diào)速器一個。用于調(diào)節(jié)變頻動力支路的供水壓力及流量。
電動調(diào)節(jié)閥：全不銹鋼電動調(diào)節(jié)閥一個。用于調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥動力支路的供水壓力及流量。
旁路干擾系統(tǒng)：
系統(tǒng)配有電磁閥作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，可以實現(xiàn)階躍和脈沖干擾，通過手動閥開度可調(diào)節(jié)階躍和脈沖干擾的大小。
二、DB-CG13系列上位過程控制系統(tǒng)
（1）DB-CG13上位控制操作/實驗面板
GK-1上位控制操作/實驗臺同實驗對象裝置一體制作安裝。上位上位控制操作/實驗臺安裝在鋁合金實驗臺桌上方。
（2）DB-CG13上位控制操作/實驗面板
上位控制操作/實驗面板：鋼制噴塑結(jié)構(gòu)。
強(qiáng)電控制面板：裝有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電流型漏電保護(hù)器，充分考慮人身安全保護(hù)；配置帶鑰匙的電源啟動控制回路和多組保險絲，同時每一組強(qiáng)電輸出都有旋鈕開關(guān)控制，保證設(shè)備安全，操作控制便捷；裝有分相電壓表、指示燈，直觀，強(qiáng)電信息一目了然；裝有變頻器及其控制接口面板，方便變頻器熟悉、操作和應(yīng)用。
控制器面板：變頻控制器面板、智能儀表控制面板。
信號接口面板：控制對象中的儀表信號和電氣信號轉(zhuǎn)移到信號接線板上，提供AI、AO、DO等傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號接口，便于學(xué)生自己連線組成不同的控制系統(tǒng)。實驗者通過安全型接插式導(dǎo)線將實驗板與信號板之間進(jìn)行不同的配線，以完成過程控制各類實驗。
三、DB-CG13上位過程控制系統(tǒng)基型配置：
控制系統(tǒng)提供PLC控制系統(tǒng)、智能儀表控制系統(tǒng)與DDC控制系統(tǒng)三種控制方式，并附帶DCS系統(tǒng)功能。
(1)S7-200SMART PLC控制系統(tǒng)
隨著科技的發(fā)展，PLC即使是Micro PLC，也可以勝任多種控制任務(wù)。本產(chǎn)品提供的PLC控制系統(tǒng)主機(jī)選用西門子的S7-200SMART系列，主要展示小型（Micro）PLC在滿足小規(guī)模的控制任務(wù)中的完美表現(xiàn)，為培養(yǎng)工程化人才提供更多更強(qiáng)的實驗平臺。
(2）智能儀表控制系統(tǒng)
儀表控制系統(tǒng)核心為帶通信功能的各種儀表，儀表內(nèi)集成了各種算法，根據(jù)現(xiàn)場情況整定儀表控制算法的各種參數(shù)，達(dá)到控制效果。同時帶通訊功能的儀表與上位計算機(jī)的軟件平臺通訊。儀表各種參數(shù)和過程值進(jìn)入軟件平臺（一般為工控組態(tài)軟件）的數(shù)據(jù)庫，再加上組態(tài)的流程畫面和操作界面，可以方便在上位計算機(jī)整定參數(shù)，對過程值進(jìn)行記錄分析。
DDC控制系統(tǒng)一般有兩種形式，一種采用外部數(shù)據(jù)采集模塊的形式，其核心為帶RS485通訊的數(shù)據(jù)采集模塊和計算機(jī)算法軟件；另一種采用工控機(jī)和ISA或PCI插槽的數(shù)據(jù)采集板卡。外部數(shù)據(jù)采集模塊由于安裝方便，同時就地安裝時采用通訊方式向計算機(jī)送數(shù)據(jù)不存在信號衰減，因此本產(chǎn)品采用第一種方式的應(yīng)用。用戶可根據(jù)自己學(xué)校的實際情況選用第二種方式的應(yīng)用（例如研華A/D、D/A、采樣板卡）。
在控制臺直接裝有數(shù)據(jù)采集模塊，同時利用工控軟件MCGS中強(qiáng)大的算法組態(tài)功能，便捷的組建一個帶人機(jī)界面的DDC控制系統(tǒng)。在DDC系統(tǒng)中提供開放的算法軟件供實驗和算法編程參考，方便實驗教學(xué)和工程人才培養(yǎng)。
四、DB-CG13型過程控制實驗裝置配置清單
表1 DB-CG13型過程控制實驗對象（一套）
| 序號 | 名 稱 | 功 能 | 型號 | 材質(zhì) | 數(shù)量 |
| 1 | 標(biāo)準(zhǔn)實驗臺桌 | 標(biāo)準(zhǔn)鋁合金實驗臺桌上安放控制對象（可移動儲水箱及水泵在不銹鋼實驗臺桌下面） | DB-1 | 鋁合金 | 1套 |
| 2 | 標(biāo)準(zhǔn)框架及標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼安裝底板 | 標(biāo)準(zhǔn)框架安裝有機(jī)玻璃雙容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器，方便安裝固定鋁合金支撐框架、檢測傳感執(zhí)行裝置、管路等。 | DB-1 | 鋁合金 | 1套 |
| 3 | 電加熱常壓鍋爐壓力容器 | 由不銹鋼內(nèi)膽加溫筒（帶220V 1.5KW進(jìn)口不銹鋼電加熱管）和封閉式帶保溫棉地不銹鋼夾套組成 | DB-1 |
封閉式帶保溫棉地不銹鋼夾套（1.5mm304 不銹鋼） 不銹鋼內(nèi)膽加溫筒(1.5mm304不銹鋼) |
1 |
| 4 | 水箱 | 儲水箱（由1.5mm厚不銹鋼鏡面板制作）可移動 | DB-1 | 不銹鋼（2個通道） | 1 |
| 有機(jī)玻璃上小水箱 | DB-1 |
底板20mm進(jìn)口有機(jī)玻璃板（300X300） 側(cè)板8 mm進(jìn)口有機(jī)玻璃板(250X250X400) 有機(jī)玻璃水箱前面直接刻有液位標(biāo)尺； |
1 | ||
| 有機(jī)玻璃下小水箱 | DB-1 |
底板20mm進(jìn)口有機(jī)玻璃板（300X300） 側(cè)板8 mm進(jìn)口有機(jī)玻璃板(250X250X400) 有機(jī)玻璃水箱前面直接刻有液位標(biāo)尺 |
1 | ||
| 5 | 水泵 | 低噪不銹鋼靜音泵（揚(yáng)程15米） | 功率0.37KW，揚(yáng)程15米,最大流量0.80-0.85立方米每小時 | 2 | |
| 6 | 溫度傳感器 | Pt100熱電阻 | Pt100 | 1個 | |
| 7 | 溫度變送器 | Pt100熱電阻標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換 | Pt100 | 輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號 | 1個 |
| 8 | 壓力液位傳感器 | 擴(kuò)散硅壓力/液位變送器 |
MB400 |
MB400 4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，0.5級測量精度 |
3個 |
| 9 | 渦輪流量計及變送器 |
額定流量0.28-0.30T/h，測量精度±1.0％，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出； |
2個 | ||
| 10 | 電動調(diào)節(jié)閥 | 額定流量為0.28-0.30立方米每小時， 4-20mA信號輸入； | |||
| 11 | 電磁閥 | 使用壓力范圍為0-7㎏/㎝3，工作溫度為-5--80℃； | |||
| 12 | 電加熱控制器 | 可控硅移相調(diào)壓裝置 | 1個 |
| 序號 | 硬件型號 | 型號 | 產(chǎn)地 | 數(shù)量 |
| 1 | 實驗控制臺 | 上海 | 1 | |
| 2 | 鋼制噴塑實驗屏桌 | 上海 | 1 | |
| 3 | 強(qiáng)電控制面板 | 上海 | 1 | |
| 4 | I/O信號接口控制面板 | 上海 | 1 | |
| 5 | RS232/485轉(zhuǎn)換器 | 通訊轉(zhuǎn)換器 | 武漢瑞普 | 1 |
| 6 | 變頻調(diào)速器 | 0.4KW | 1 | |
| 7 | AI智能調(diào)節(jié)儀（自帶Rs485通訊接口） | 萬訊 | 1 | |
| 8 | 開關(guān)電源 | 24V/3A | 臺灣明緯 | 1 |
| 9 | 鍋爐防干燒保護(hù)器 | 1 | ||
| 10 | 自鎖緊接頭插座及連接導(dǎo)線 | 南京 | 1 |
| 序號 | 硬件名稱 | 硬件型號 | 產(chǎn)地 | 數(shù)量 |
| 1 | 8路A/D ICP-7017 | 數(shù)據(jù)采集模塊 | 臺灣弘格 | 1 |
| 2 | 4路D/A ICP-7024 | 數(shù)據(jù)采集模塊 | 臺灣弘格 | 1 |
| 3 | RS232/485轉(zhuǎn)換器 | 通訊轉(zhuǎn)換器 | 臺灣弘格 | 1 |
| 4 |
工控機(jī) |
臺灣研華 | 臺灣 | 1 |
| 序號 | 硬件名稱 | 硬件型號 | 產(chǎn)地 | 數(shù)量 |
| 1 | 控制器 | S7-200SMART | 控制器 | 1 |
| 2 | 模擬量模塊 | EM235(4AI/1A0) | 模擬量模塊 | 1 |
| 3 | 通訊適配器 | PC/PPI | 通訊適配器 | 1 |
表5：軟件清單
| 序號 | 名 稱 | 型號 | 產(chǎn)地 | 數(shù)量 |
| 1 | 西門子S7-200SMARTPLC編程軟件 | 西門子 | 1套 | |
| 2 | GK-1智能儀表控制實驗軟件 | 1套 | ||
| 3 | S7-200SMARTPLC控制系統(tǒng)實驗軟件 | 1套 | ||
| 4 | DDC控制系統(tǒng)實驗軟件 | 1套 |
五、DB-CG13型過程控制系統(tǒng)實驗項目
實驗項目：
過程控制系統(tǒng)的組成認(rèn)識實驗：
（1）過程控制及檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)組成的認(rèn)識，控制方案的組成及控制系統(tǒng)連接實驗。
（2）智能調(diào)節(jié)儀表、智能變送儀表等各種智能儀表的操作及參數(shù)設(shè)定。
（3）傳感器的校正（零點遷移與量程調(diào)整）
對象特性測試實驗
單容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測試實驗
雙容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測試實驗
鍋爐內(nèi)膽水溫特性測試實驗
單回路控制系統(tǒng)實驗
單容水箱液位定值控制實驗
雙容水箱液位定值控制實驗
鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實驗
單閉環(huán)流量定值控制實驗
鍋爐內(nèi)膽壓力定值控制實驗
串級控制系統(tǒng)實驗
水箱液位串級控制實驗
鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量串級控制實驗
水箱液位與進(jìn)水口流量串級控制實驗
比值控制系統(tǒng)實驗
流量比值控制系統(tǒng)實驗
變頻恒壓供水實驗
工控制組態(tài)軟件組態(tài)控制實驗
所有實驗均包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)、圖形動畫、報表、曲線、報警組態(tài)、設(shè)備通訊組態(tài)、算法組態(tài)等實驗
六、技術(shù)指標(biāo)
工作電源：三相四線 380V±5% 50Hz或單相三線AC220V±10% 50Hz；
外形尺寸： 實驗臺1720mm×730mm×1600mm
整機(jī)容量：<5KVA，控制信號：電壓0～5V
技術(shù)功能：可以同時對三個參數(shù)進(jìn)行采集，比如，一組測流量，一組測溫度，一組測壓力。
七、安全保護(hù)體系
鍋爐加熱程控保護(hù)系統(tǒng)
1、 鍋爐加熱內(nèi)膽加由水位液位保護(hù)裝置，水位不達(dá)到一定的高度，控制系統(tǒng)不能控制可控硅調(diào)壓器工作。
2、 電加熱管電源控制開關(guān)采用鑰匙開關(guān)，不實驗時，由教師保護(hù)放置鑰匙，避免無關(guān)人員誤操作。
電源保護(hù)措施
1、 加有電流型漏電保護(hù)器。
2、 兩相電源加有保險管，防止斷路。
電源啟�？刂品绞�；
采用啟停按鈕控制接觸器來控制電源的啟停。
漏電保護(hù)裝置及安全性和安全承諾；
各種電源及各種儀表的可靠的保護(hù)功能
各種電源及各種儀表的強(qiáng)電采用開關(guān)控制，學(xué)生不自行接線，不存在強(qiáng)弱電混插的問題。
實驗強(qiáng)電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，防止觸電事故的發(fā)生。