过程控制(实训)总结报告

原创 2020-06-20 12:10  阅读

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  XXXX 学院 学生实习(实训)总结报告 院(系):_ XXXXXXXXXXXXXXXX 专业班级:_ XXXXXXXXXXXX _ 学生姓名:__XXXX __ __ 学 号:_ XXXXXXXXXXX 实习(实训)地点:_ _ 报告题目: 报告日期: 年 月日 指导教师评语: _______________________________________ _____________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ ______________________________________ 成绩(五级记分制):______ _______ 指导教师(签字):_____________________ 目录 1 实训具体内容 ................................................................................................................ 1 2 实验平台电气原理图的绘制 ........................................................................................ 2 2.1 TkJ-2 型高级过程控制系统实验装置介绍........................................................ 2 2.2 AS3010 智能仪表介绍 ........................................................................................ 2 2.3 电动调节阀 ML7420A6033 介绍 ...................................................................... 5 2.4 压力变送器 FB0803 介绍 .................................................................................. 6 2.5 压力控制系统的电气连接图 ............................................................................. 7 3 控制对象传递函数的测试 ............................................................................................ 8 3.1 单容水箱特性的测试.......................................................................................... 8 3.2 双容水箱特性的测试 ......................................................................................... 9 4 复杂控制系统 .............................................................................................................. 10 4.1 液位-流量的串级控制系统............................................................................... 10 4.2 单闭环流量比值控制系统................................................................................ 13 4.3 下水箱液位的前馈-反馈控制系统................................................................... 15 5 典型过程控制系统的投运、关闭操作的心得体会................................................... 17 1 实训具体内容 本学期的过程控制系统综合实训为期两个星期,分为两个小组,我们第二小组的具 体实训内容安排如下表 1 所示: 表 1 实训内容安排 实训日期 具体安排 2010.12.13 指导老师具体讲解实训期间的任务安排 2010.12.14 2010.12.15 用 protel 软件绘制 TkJ-2 型高级过程控制系统实验装置压力控制系 统的电气原理图 间歇反映过程控制仿真系统的投运、关闭操作 2010.12.16 连续反映过程控制仿真系统的投运、关闭操作 2010.12.17 热交换过程控制仿真系统的投运、关闭操作 2010.12.20 2010.12.21 2010.12.22 典型过程控制仿真系统开车成果检查验收及单容、双容水箱对象特性 的测试 串级控制系统的参数整定 比值控制系统的参数整定 2010.12.23 前馈-反馈控制系统的参数整定 2010.12.24 撰写实训总结报告 1 2 实验平台电气原理图的绘制 本次绘制的 TkJ-2 型高级过程控制系统实验装置压力控制系统由 AS3010 智能仪表、 ML7420A 电动阀门执行器、FB0803CE2R 压力变送器以及一个变频器组成。 2.1 TkJ-2 型高级过程控制系统实验装置介绍 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。其系统结构图如图 2.1 所示: 图 2.1 Tkj-2 型过程控制系统结构图 2.2 AS3010 智能仪表介绍 AS3010 子系统包括福光百特一台内给定智能调节仪,和一台外给定智能调节仪。 该系统由 24V 直流供电,可以通过 RS485-RS232 转换器连接到计算机,或者通过 RS485到以太网转换,连接到上位机。具有智能 PID 控制算法,可以实现自整定功能。 AS3010 智能仪表具有以下功能特点: 2 1.适用范围 适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套。 2.技术与工艺 采用单片计算机技术设计,可保证全量程不超差,长期运行无时漂、零漂。 严格按ISO9002认证的工艺生产,可保证长期无故障运行,平均可利用率达99.98%。 信号输入、控制操作,全部采用软件调校。 输入分度号、操作参数、控制算法按键可设定。 3.万能输入信号 只需做相应的按键设置和硬件跳线设置(打开盖子跳线),即可在以下所有输入信号 之间任意切换,即设即用。 热电阻:Pt100、Pt100.0、Cu50、Cu100、Pt10。 热电偶:K、E、S、B、T、R、N。 标准信号:0-10mA、4-20mA、0-5V、1-5V。 霍尔传感器:mV输入信号,0-5V以内任意信号按键即设即用。 远传压力表:30-350W,信号误差现场按键修正。其它用户特殊订制输入信号。 4.多种给定方式 内给定智能调节仪具有本机给定的功能(LSP): 可通过面板上的增减键直接修改给定值(也可加密码锁定不允许修改)。 时间程序给定(TSP)。每段程序最长6000分钟。曲线通讯给定。 注意:外给定调节仪只具有外部模拟给定的功能。10mA/4-20mA/0-5V/1-5V通用, 不能任意选择它的输入信号。 5.多种控制操作方式可选择 10mA、4-20mA、0-5V、1-5V控制操作(选购时指定)。 时间比例控制继电器操作(1A/220VAC阻性负载)。 时间比例控制5-30VSSR控制信号操作。 时间比例控制双向可控硅操作(3A,600V)。 单相2路可控硅过零或移相触发控制操作(独创电路可触发3-1000A可控硅)。 三相6路可控硅过零或移相触发控制操作(独创电路可触发3-1000A可控硅)。外挂三 相SCR触发器。 3 其中AS3010系统选择了4-20mA控制操作。 6.专家自整定算法 独特的PID参数专家自整定算法,将先进的控制理论和丰富的工程经验相结合,使 得PID调节器可适应各种现场,对一阶惯性负载,二阶惯性负载,三阶惯性负载,一阶 惯性加纯滞后负载,二阶惯性加纯滞后负载,三阶惯性加纯滞后负载,这六种有代表性 的典型负载的全参数测试表明,PID参数专家自整定的成功率达95%以上。 7.其他特点 可带RS485 /RS232/Modem隔离通讯接口或串行标准打印接口。 单片机智能化设计。 满度自动跟踪,长期运行无漂移,全部参数按键可设定。 AS3010 系统的内给定智能调节仪连接如图 2.2 所示: 图 2.2 AS3010 系统的内给定智能调节仪连接图 AS3010 系统的接线 所示,对应面板的标号。 4 图 2.3AS3010 系统的接线 介绍 本系统采用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:QSVP-16K。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 4~20mA DC 或 1~5V DC,输出 4~20mA DC 的阀位信号,使用和校正非常方便。其技术指标如下: 电源 220VAC 50HZ 输入控制信号:0~10V DC 或 2~10V DC 公称压力:1.6Mpa 公称直径:20mm 重复精度:±1% 介质温度:-4~+200℃ 行程:20mm 功耗:7VA 图 2.4 为电动调节阀 ML7420A6033 的实物图 图 2.4 ML7420A6033 实物图 5 2.4 压力变送器 FB0803 介绍 FB0803 系列扩散硅压力变送器采用具有国际先进水平的传感器,配合高精度电子 元件,经严格的工艺过程装配而成。它采用无中介液的压力测量技术,充分发挥了传感 器的技术优势,使变送器具有优异的性能。它抗过载和抗冲击能力强,温度漂移小,稳 定性高,具有很高的测量精度。FB0803 的主要技术参数见表 2.1 表 2.1 FB0803 技术参数 工作电压: 12~30VDC 输出信号: 测量范围: 精度: 工作条件: 4~20mA(模拟,二线MPa 绝 压 0~20KPa 至 0~35MPa 负 压 -0.1 MPa~2MPa 精度等级 0.1、0.25 温 漂 +0.15%F.S/10℃ 稳 定 性 优于±0.2%F.S/年 位置影响 安装位置不影响零点 正常工作温度 -20℃~+70℃ 膜片 -20℃~+80℃(短时可达 130℃) 贮存温度 -20℃~ +80℃ 高低温型 -65℃~+150℃ 相对湿度 0~95%RH 大气压力 86 KPa~106KPa 振动影响: 冲击影响: 防护等级: 负载特性: 在任何方向上振动频率为(20~200)Hz 时,变化量 小于±0.02%F.S 任何方向 100G 冲击 11ms 后,变化量小于±0.02%F.S 优于 IP65 二线 系列扩散硅压力变送器由传感器和信号处理电路组成。其中传感器压面设 有惠斯顿电桥,当增加压力时,电桥各桥臂电阻值发生变化,通过信号处理电路,转换 成电压变化,最终将其转换成标准(4~20)mA 信号输出。其原理见图 2.5。 6 图 2.5 FB0803 系列扩散硅压力变送器原理图 FB0803 系列扩散硅压力变送器外形结构见图 2.6 图 2.6 FB0803 系列扩散硅压力变送器 2.5 压力控制系统的电气连接图 本次绘制的压力控制系统的电气连接图如图 2.7 所示: +2 4V J2 0 V C C o u t+ 3 1 G ND o u t- 2 PM3 00 J1 2 1 22 0V AC U0 0 19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A I0 + A I0 - 3 4 百特仪表 A O0 - 6 A 8 O0B+AITE L N TX + TX 2B 2A IB 1A 18 17 16 15 14 13 12 11 U1 0 1 2 3 4 5 6 L N ST F ST R RH RM RL U V W M ITSU B IS HI 9 10 11 7 SD 5# 13 8 4 -2 0 mA 15 A GN D G ND 12 图 2.7 压力控制系统电气连接图 J0 1 2 R S-4 8 5 MG1 M O TO R A C 7 3 控制对象传递函数的测试 3.1 单容水箱特性的测试 我们使用阶跃响应法来测试单容水箱的特性。阶跃响应测试法是系统在开环运行条 件下,待系统稳定后,通过调节器或其他操作器,手动改变对象的输入信号(阶跃信号)。 同时,记录对象的输出数据或阶跃响应曲线,然后根据已给定对象模型的结构形式,对 实验数据进行处理,确定模型中各参数。 图 3.1 单容水箱特性测试结构图 根据图 3.1 将实验设备连接完毕,检查无误后,打开设备的电源,手动输入电动调 节阀的开度为 50%,当水箱内的液面达到稳定后,增加电动调节阀 10%的输出,观察它 的响应曲线。实验中单容水箱的响应曲线 单容水箱响应曲线 根据实验中所得到的曲线,该曲线%所对应的时间就是水箱的时间 8 常数 T,该时间常数 T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,切线与稳态值交点所对 应的时间就是时间常数 T,由响应曲线求得 K 和 T 后,就能求得单容水箱的传递函数。 在实验过程中,不能随意改变出水口阀开度的大小,因为改变出水口阀开度的大小 会改变水箱的时间常数,同时,每次给的阶跃信号不能太大,以免影响正常运行,也不 能太小,以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取 10%~15%之间。在输入阶跃信 号之前,系统必须处于平衡状态。 3.2 双容水箱特性的测试 双容水箱由两个水箱串联相接而成,如图 3.3 所示,被控制量是下水箱的液位,由 于有两个贮水的容积,当输入量有一阶跃增量变化时,两水箱的液位变化曲线 可见,上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图 3.4 (a)),而下水箱 液位的响应曲线(b))。显然,多了一个水箱,液位响应就更加滞后。 图 3.3 双容水箱对象特性结构图 图 3.4 双容液位阶跃响应曲线 实验开始前,调节手动阀,使它们的开度满足下列关系:V1 的开度V2 的开度V3 的开度,接通总电源和相关仪表的电源。 手动输入电动调节阀输出为 50%,使下水箱液位处于平衡状态。突增调节器的输出 10%,使下水箱的液位由原平衡状态开始变化,经过一定的调节时间后,液位进入另一 个平衡状态。下水箱液位的响应曲线 双容水箱特性曲线 在实验过程中,不能随意改变出水口阀开度的大小,因为改变出水口阀开度的大小 会改变水箱的时间常数,同时,每次给的阶跃信号不能太大,以免影响正常运行,也不 能太小,以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取 10%~15%之间。在输入阶跃信 号之前,系统必须处于平衡状态。 4 复杂控制系统 4.1 液位-流量的串级控制系统 串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路时一个定值控制系统。对于主参数的 选择和主回路的设计,基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接 与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若调节许 可,可以选用质量指标作为主参数,应为它最直接液最有效。否则应选用一个与产品质 量有足够的灵敏度,并符合工艺过程的合理性。 副参数的选择应使副回路的时间常数小,时延小,控制通道短,这样可使等效过程 的时间常数大大减小,从而加快需要的工作频率,提高响应速度,缩短过渡过程时间, 10 改善系统的控制品质。 副回路应包括生产过程中变化剧烈、频率而且幅度大的主要扰动,并可能多地包括 一些扰动。 在选择副参数进行副回路设计时,必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。这是 串级控制系统正常运行的主要条件,是保证安全生产、防止共振根本措施。 图 4.1 液位-流量串级控制系统的结构图 如图 4.1 所示本实验系统的主控量为下水箱的液位高度 H,副控量为电动调节阀支 路流量 Q,它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个恒 值控制系统,使系统的主控制量 H 等于给定值;副回路是一个随动系统,要求副回路的 输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律,以达到对主控制量 H 的控制目的。 其系统方框图如图 4.2 所示。 图 4.2 液位-流量串级控制系统的方框图 不难看出,由于主对象下水箱的时间常数较大于副对象管道的时间常数,因而当主 扰动(二次扰动)作用于副回路时,在主对象未受到影响前,通过副回路的快速调节作 11 用已消除了扰动的影响。 在串级控制系统中,主、副调节器所气的作用是不同的。主调节器起定控制作用, 副调节器起随动控制作用,这是选择控制规律的进本出发点。 主参数是工艺操作的主要指标,允许波动的范围很小,一般要求无余差,因此,主 调节器应选 PI 或 PID 控制规律,副参数的设置是为了保证主参数的控制质量,允许在 一定范围内变化,允许有余差,因此副调节器可以选 P 控制规律就可以了。一般可不引 入积分控制规律。 串级控制系统的投运和整定有一步整定法;也有两步整定法:即先整定副回路,后整 定主回路。在整定过程中主调节器选用 PI 调节规律,副调节器选用 P 调节规律。 首先整定副回路的参数: 将主调节器的反馈接上,主调节器置于手动状态,系统加阶跃时只需手动改变主调 节器的输出值,通过不断地调节副调节器的比例带 P,使上小水箱的阶跃响应曲线的前两 个波头所对应的超调量为 4:1。 再整定主回路的参数: 将副调节器的比例度置于 13%,把主调节器的反馈连上,用相同的方法,将主调节 器的比例度由大到小逐渐变化,直至出现下小水箱的阶跃响应曲线的前两个波头所对应 的超调量为 4:1。 根据以上整定的参数,运用 4:1 衰减曲线法整定计算公式,计算主、副调节器的整 定参数。根据整定后的参数,把参数设到仪表中,系统投入运行,对主回路加阶跃扰动 得到下面阶跃响应曲线 参数整定后的阶跃响应曲线 由上图可以看出,整定后对主回路加阶跃扰动,系统具有很好的抗干扰能力。响应 速度也比较快。而副回路只是一个随动环节,对余差要求不高,副调节器的主要任务是 12 快速动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动,一般情况下,P 调节器就足够了,也可以 采用 PD 调节器,但增加了系统的复杂性,而效果并不是很大。当主、副环节的频率相 差很大时,也可以考虑采用 PI 调节器,但一般情况下副回路中调的副节器不设计为 PI 调节器。 因为内环具有快速作用,它能够有效地克服二次扰动的干扰,当二次扰动出现时就 很快地被副调节器所克服,提高了系统的抗扰动性; 串级控制系统由于副回路的存在,改善了对象的特征性,使等效副对象的时间常数 减小,系统的工作频率提高,从而改善了系统的动态性能,使系统的响应加快,控制及 时; 同时,由于串级系统具有主副两只控制器的总放大倍数增大,系统的扰干扰能力的 增强。因此,它的控制质量要比单回路控制系统高。 4.2 单闭环流量比值控制系统 在工业生产过程中,往往需要几种物料以一定的比例混合参加化学反应。如果比例失 调,则会导致产品质量的降低、原料的浪费,严重时还发生事故。例如在造纸工业生产 过程中,为了保证纸浆的浓度,必须自动地控制纸浆量和水量按一定的比例混合。这种 用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统,均称为比值控制 系统。 本实验是流量比值控制系统。其实验系统结构图如图 4.4 所示。该系统中有两条支 路,一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量 Q1,它是一个主动量;另一路是来自于 电动阀支路的流量 Q2,它是系统的从动量。要求从动量 Q2 能跟随主动量 Q1 的变化而 变化,而且两者间保持一个定值的比例关系,即 Q2/Q1=K。 图 4.4 单闭环流量比值控制系统结构图 13 由图 4.5 可知,主控流量 Q1 经流量变送器后为 I1(实际中已转化为电压值,若用电 压值除以 250Ω 则为电流值,其它算法一样),如设比值器的比值为 K,则流量单闭环系 统的给定量为 KI1。如果系统采用 PI 调节器,则在稳态时,从动流量 Q2 经变送器的输 出为 I2,不难看出,KI1=I2。 图 4.5 单闭环流量比值控制系统方框图 由于实验中对 Q1 与 Q2 的比值 K 没有工艺要求,且两个流量传感器的量程相同, 因此将仪表比值系数 K′定为 1。 按单回路的整定方法对控制回路二进行参数整定,等系统的从动流量 Q2 趋于不变 时(系统进入稳态),适量改变主动流量 Q1 的大小,观察到的动态曲线 比值控制系统动态曲线 下水箱液位的前馈-反馈控制系统 反馈控制是按照被控参数与给定值之差进行控制的。它的特点是,调节器必须在被 控参数出现偏差后才能对它进行调节,补偿干扰对被控参数的影响。基于过程控制系统 总具有滞后特性,因而从干扰的产生到被控参数的变化,需要一定长的时间后,才能使 调节器产生对它进行调节作用,从而对干扰产生的影响得不到及时地抑止。为了解决这 个问题,提出一种与反馈控制在原理上完 全不同的控制方法。由于这种方法是一种开环控制,因而它只对干扰进行及时地补 偿,而不会影响控制系统的动态品质。即当扰动一产生,补偿器立即根据扰动的性质和 大小,改变执行器的输入信号,从而消除干扰对被控量的影响。由于这种控制是在扰动 发生的瞬时,而不是在被控制量产生变化后进行的,故称其为前馈控制。 前馈-反馈控制系统中的主要扰动由前馈部分进行补偿,这种扰动能测定,其它所 有扰动对被控制量所产生的影响均由负反馈系统来消除。这样就能使系统的动态误差大 大减小。 前馈-反馈控制系统的结构如图 4.7,被控制量是下水箱的液位,扰动为流量 F。 图 4.7 前馈-反馈控制系统的结构图 前馈-反馈控制系统的方框图如图 4.8 所示 前馈补偿器 干扰通道的传递函数 调节器 电动调节阀 液位变送器 图 4.8 控制系统的方框图 15 主回路采用 4:1 曲线法整定时的主回路比例度为 18%,积分时间为 10S,参数整 定后的响应曲线 前馈反馈系统响应曲线 由图可知,当支路二出现扰动时,经过流量计测量之后,测量得到干扰的大小,然 后在第一个支路通过调整调节阀的开度,直接进行补偿,而不需要经过调解器。前馈控 制不考虑控制通道与对象通道的延迟。 从前馈控制的角度来看,由于反馈,减轻了对前馈控制模型的精度要求,并可对未 作前馈补偿的干扰进行校正。 从反馈的角度,前馈控制事先起了一个粗调作用,大大减少了反馈的负担。 16 5 典型过程控制系统的投运、关闭操作的心得体会 这一周的时间,我们在电脑上对典型控制系统的投运、关闭操作进行了仿真模拟, 其中包括了间歇反映过程,连续反应过程和热交换三个控制系统,让我们对典型控制系 统的操作有了初步的认识。 在所有这三个控制系统中,个人认为热交换控制系统是比较容易掌握的一个系统。 热交换器为双程列管式结构,起冷却作用,管程走冷却水(冷流)。含量 30%的磷酸钾 溶液走壳程(热流)。工艺要求我们使流量为 18441 kg/h 的冷却水,从 20℃上升到 30.8℃, 将 65℃流量为 8849 kg/h 的磷酸钾溶液冷却到 32℃。管程压力 0.3MPa,壳程压力 0.5MPa。 由于该系统控制开关较少,反应过程比较简单,在经过几次开车操作后,就能较好的达 到工艺要求。在控制过程中,需要注意阀门 FIC-1 应该缓慢调节到要求状态,速度过快 会引起温度过高而报警。 间歇反应过程在精细化工、制药、催化剂制备、染料中间体等行业应用广泛。本间 歇反应的物料特性差异大;多硫化钠需要通过反应制备;反应属放热过程,由于二硫化 碳的饱和蒸汽压随温度上升而迅猛上升,冷却操作不当会发生剧烈爆炸;反应过程中有 主副反应的竞争,必须设法抑制副反应,然而主反应的活化能较高,又期望较高的反应 温度。如此多种因素交织在一起,在我们刚开始操作的时候,确实造成了比较大的麻烦。 由于该反应的最佳温度比较高,达到了 120 度,我们急于使温度上升到最佳温度,往往 适得其反,在反应的后期经常由于温度上升过快,失去控制,从而引起反应釜爆炸。通 过多次反应操作,并根据亲身体验到的间歇反应过程动力学特性,才总结出了较好的操 作方法。 初步接触连续反应控制系统的时候,我们对它较长的操作步骤感到头疼,做了上一 步就忘记下一步是什么,但经过多次的实际操作,并对实际反应进行了深刻理解后,我 们发现实际的操作并没有一开始相信的复杂,由于在前一天进行了间歇反应的操作,我 们对于控制反应釜的温度都有自己较好的心得,很快就能做到规范的对系统的投运和关 闭的操作。 经过这一周对典型控制系统的投运、关闭操作的仿真模拟,我们初步认识了过程控 制系统在实际生产中的工作过程和重要作用。通过学习我们了解,每一个过程控制系统 都是实际生产过程中的指挥官,而我们作为操作人员,更加应该对自己的每一次操作负 责,要知道任何一次操作的失误,轻则影响产品生产的效率,重则会发生严重的安全事 故。通过四天的练习,我们的分析能力,决策能力和应变能力都得到了较大的提高,同 时我们更加明白了做事情必须一丝不苟,任何一个小小的差错都可能引起严重的后果。 最后,感谢两位指导老师在这两周时间中对我们的耐心指导和帮助。 17

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