2、掌握復(fù)雜過程控制——串級控制方法。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參考資料
1．過程控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置—儀表控制模塊
2．計(jì)算機(jī)及MCGS組態(tài)軟件—儀表控制實(shí)驗(yàn).MCG
3．實(shí)驗(yàn)專用線若干及RS485轉(zhuǎn)232通訊線一根。
三、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖：
四、 實(shí)驗(yàn)原理
本實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)步驟
1、按要求接好實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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?jiān)敿?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(yùn)行計(jì)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(shí)驗(yàn)的上下水箱雙容串級控制實(shí)驗(yàn)。
9、選擇儀表控制方式。
10、觀察計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。
11、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給定加個(gè)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(gè)干擾信號，觀察液位變化曲線。
六、實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)
過程控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)整套系統(tǒng)分為：上位控制層系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)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(diǎn):整套系統(tǒng)安放在可移動的試驗(yàn)臺桌上，小巧且試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對象層系統(tǒng)：
過程控制綜合實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。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(gè)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(shí)驗(yàn)。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(gè)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(jì)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(shí)，把出水閥打開將水直接排出。
過程控制綜合實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(jì)＋流量變送儀。
液位傳感器：擴(kuò)散硅液位傳感器二個(gè)，分別用于檢測上下兩個(gè)水箱的液位。另外加熱鍋爐容器上還加一個(gè)擴(kuò)散硅壓力傳感器，做恒壓供水實(shí)驗(yàn)時(shí)檢測容器壓力。
溫度傳感器：Pt100熱電阻傳感器一個(gè)，Pt100熱電阻溫度變送器一個(gè)。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(gè)。用于檢測加熱鍋爐容器壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)的動態(tài)壓力。
變頻調(diào)速器：三菱變頻調(diào)速器一個(gè)。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(gè)。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(shí)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(shí)驗(yàn)面板
GK-1上位控制操作/實(shí)驗(yàn)臺同實(shí)驗(yàn)對象裝置一體制作安裝。上位上位控制操作/實(shí)驗(yàn)臺安裝在鋁合金實(shí)驗(yàn)臺桌上方。
（2）DB-CG13上位控制操作/實(shí)驗(yàn)面板
上位控制操作/實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)絲，同時(shí)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(shí)驗(yàn)者通過安全型接插式導(dǎo)線將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。
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(shí)驗(yàn)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(shí)帶通訊功能的儀表與上位計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)就地安裝時(shí)采用通訊方式向計(jì)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)和算法編程參考，方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程人才培養(yǎng)。
四、DB-CG13型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置配置清單
表1 DB-CG13型過程控制實(shí)驗(yàn)對象（一套）
| 序號 | 名 稱 | 功 能 | 型號 | 材質(zhì) | 數(shù)量 |
| 1 | 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺桌 | 標(biāo)準(zhǔn)鋁合金實(shí)驗(yàn)臺桌上安放控制對象（可移動儲水箱及水泵在不銹鋼實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí) | 2 | |
| 6 | 溫度傳感器 | Pt100熱電阻 | Pt100 | 1個(gè) | |
| 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(gè) |
| 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(gè) |
| 9 | 渦輪流量計(jì)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(gè) | ||
| 10 | 電動調(diào)節(jié)閥 | 額定流量為0.28-0.30立方米每小時(shí)， 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(gè) |
| 序號 | 硬件型號 | 型號 | 產(chǎn)地 | 數(shù)量 |
| 1 | 實(shí)驗(yàn)控制臺 | 上海 | 1 | |
| 2 | 鋼制噴塑實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)軟件 | 1套 | ||
| 3 | S7-200SMARTPLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件 | 1套 | ||
| 4 | DDC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件 | 1套 |
五、DB-CG13型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：
過程控制系統(tǒng)的組成認(rèn)識實(shí)驗(yàn)：
（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(shí)驗(yàn)。
（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(diǎn)遷移與量程調(diào)整）
對象特性測試實(shí)驗(yàn)
單容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測試實(shí)驗(yàn)
雙容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測試實(shí)驗(yàn)
鍋爐內(nèi)膽水溫特性測試實(shí)驗(yàn)
單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)
雙容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)
鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實(shí)驗(yàn)
單閉環(huán)流量定值控制實(shí)驗(yàn)
鍋爐內(nèi)膽壓力定值控制實(shí)驗(yàn)
串級控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
水箱液位串級控制實(shí)驗(yàn)
鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量串級控制實(shí)驗(yàn)
水箱液位與進(jìn)水口流量串級控制實(shí)驗(yàn)
比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
流量比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
變頻恒壓供水實(shí)驗(yàn)
工控制組態(tài)軟件組態(tài)控制實(shí)驗(yàn)
所有實(shí)驗(yàn)均包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)、圖形動畫、報(bào)表、曲線、報(bào)警組態(tài)、設(shè)備通訊組態(tài)、算法組態(tài)等實(shí)驗(yàn)
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(shí)驗(yàn)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(shí)對三個(gè)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(shí)驗(yàn)時(shí)，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(xiǎn)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(shí)驗(yàn)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。