过程控制系统实验报告 本文关键词：控制系统，过程，实验，报告
过程控制系统实验报告 本文简介：实验一过程控制系统的组成认识实验过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接一、过程控制实验装置简介过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工
过程控制系统实验报告 本文内容：
实验一
过程控制系统的组成认识实验
过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接
一、过程控制实验装置简介
过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。
二、过程控制实验装置组成
本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。
1、被控对象
由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。
水箱：包括上、下水箱和储水箱。上、下水箱采用透明长方体有机玻璃，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。
模拟锅炉：锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度定值实验时，可用冷却循环水帮助散热。加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。
压力容器：采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。
管道：整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。
2、检测装置
（液位）差压变送器：检测上、下二个水箱的液位。其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0～1.6KPa，精度：0.5。输出信号：4～20mA
DC。
涡轮流量传感器：测量电动调节阀支路的水流量。其型号：LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4～20mA
DC
温度传感器：本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。经过温度传感器，可将温度信号转换为4～20mA
DC电流信号。
（气体）扩散硅压力变送器：用来检测压力容器内气体的压力大小。其型号：DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：0.6～3.5Mpa连续可调，精度：0.2，输出信号为4～20mA
DC。
3、执行机构
电气转换器：型号为QZD-1000，输入信号为4～20mA
DC，输出信号：20～100Ka气压信号，输出用来驱动气动调节阀。
气动薄膜小流量调节阀：用来控制压力回路流量的调节。型号为ZMAP－100，输入信号为4～20mA
DC或0～5V
DC，反馈信号为4～20mA
DC。气源信号
压力：20~100Kpa，流通能力：0.0032。阀门控制精度：0.1％～0.3％，环境温度：－4～＋200℃。
SCR移相调压模块：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0～5V
DC或4～20mA
DC或10K电位器，输出电压变化范围：0～220V
AC，用来控制电加热管加热。
水泵：型号为UPA90，流量为30升／分，扬程为8米，功率为180W。
4、控制器
本实验装置配备有智能调节仪、计算机控制、PLC控制及计算机网络控制。
智能调节仪:本装置选用PID自整定数字/光柱智能调节仪，型号为SWP-S80。具备位式调节和人工智能调节功能，手动调节、手动自整定及位置比例输出功能，多种报警模式及变送、通讯等功能。
比值器：与智能仪表一起使用，可以实现流量的单闭环比值、液位与流量、温度与流量双闭环比值控制实验。
三、仪表控制台（三部分组成）
1、电源控制屏面板：我公司的实验台采取了如下保护措施：控制屏电源由交流接触器通过起、停按钮进行控制；进线电源首先经过符合国家标准的电流型漏电保护器，漏电流小于30mA；高压接线柱和高压导线均采用特殊设计的结构。除了人身安全保护，为了保护实验的正常进行，电源、仪表、仪器、实验中需要的各种元器件都采取了有效的保护措施。为解决实验中高压交流电源发生短路，我们采取了如下措施：在高压交流电源的输出端接入小型断路器（即过流保护器），一旦发生过流或短路，小型断路器立即动作，切断主电源，避免烧毁调压器。
2、仪表面板：智能调节仪面板、比值器，装置外线端子通过面板上插孔引出。
3、I/O信号接口面板：该面板的主要作用是将各传感器检测及执行器控制信号同面板上插口相连，在与被控对象相连，有利于学生进行各种控制实验。
四、系统特点
1、系统采用分体式设计，模块化组装结构。
2、控制对象中包含真正的压力控制对象，可以完成压力控制实验。
3、控制对象采用网络版MCGS全中文工控组态软件，可以容纳多组学生实验。
4、系统具有多元化的控制参数和控制方案。该系统通过管路上的阀门切换和对信号接线板上的信号的连接组合来实现的。
5、采用标准的工业自动化仪表和柔性化工艺设备，使得该装置具有开放性、兼容性、和可升级性。
6、采用双容水箱系统，实现液位控制的多样性。
7、实验对象部分采用不锈钢结构，工作过程可见，有利于教学和维护。
8、系统开放性较好。对象系统留有扩展连接口，以便进行DCS控制。
五、MCGS组态软件特点
MCGS（Monitor
and
Control
Generated
System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。
六．思考题
1．掌握实验装置的组成及系统过程回路的信号流向，画出系统结构图，标明信号量。
2．了解系统各组成部分的功能及工作原理，各器件的输入输出之间的关系。
1）被控对象
是指生产过程被控制的工艺或装置
2）传感器和变送器
按生产工艺要求，被控对象有关控制参数通过自动控制以获得可靠信号，依靠传感器和变送器完成。输出的就是被控量的测定值Z，送到控制器中。
3）控制器
传感器或变送器输出信号符合工艺要求，则控制器的输出不变，反之，将输出控制信号对系统进行控制。传感器或变送器的测量值Z反馈到输入端和设定值r比较，从而得到了一个偏差值e,根据控制算法进行运算，输出一个相对应的控制信号u去推动执行器。
4）执行器
执行器接收控制器的控制信号u经变换或放大后，推动控制阀
5）控制器输出u，经执行器驱动控制阀，改变输入对象的操纵量q，使被控量受到控制。
4．选择被控对象的被控量，设计其单回路控制线路连接图
实验二
单容水箱液位数学模型的测试
对象特性的求取方法通常有二种：一种是从工艺过程的变化机理出发，写出各种有关的平衡方程(如物料平衡方程、能量平衡方程等)，进而推导出被控对象的数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理论分析，这就是数学方法；另一种是通过对被控对象的实验测试求出其特性参数，即实验飞升曲线测定法。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。
一、实验目的
1、掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。
2、根据实验得到的阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象特征参数K,T和传递函数。
二、实验原理
对象的被控制量为上（中、下）水箱的液位H,控制量（输入量）为上（中、下）水箱进水阀流量Q1，上（中、下）水箱出水阀输出量为Q2，改变进水阀和出水阀的开度可以改变Q1、Q2的大小。根据动态物料平衡关系（1）
式中V-水箱内水的贮水容积；dV/dt-水贮存量的变化率。设水箱的横截面积为A，而A是一个常数，则因为所以（2）
在静态时，dV/dt=0，Q1=Q2,当Q1发生变化时，液位H将随之变化，水槽出水口的液压也变化，流出量Q2也发生变化。假设变化量很小，可近似认为。Rs为阀V2的水阻，则（1）式可改写为即或写作（4）式中T=ARs，K=Rs
式（4）为单容水箱的传递函数。若令，H1为刚开始的稳态值，则式（4）可改写为
对上式取拉氏逆变换得
（5）
当时，因而有输出稳态值／阶跃输入
当时，则有
（5）表示，一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数。当由实验得图2－1所示的阶跃响应曲线后，该曲线达到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。由响应曲线求得K和T后，就能求出单容水箱的传递函数。所得的传递函数为：
三、实验步骤
1、设计实验线路并接好，适当打开阀门。
2、开启总电源和相关仪表的电源。
3、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4、设置调节器为手动操作状态，通过调节器增/减的操作改变输出量的大小，使水箱的液位最终处于某一平衡位置。
5、待液位处于稳定后，手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位进入新的平衡状态。
6、记下水箱液位的历史曲线和阶跃响应曲线。
四、思考题
1、做本实验时，为什么不能任意改变出水阀开度的大小？
答：因为如果一开始进水阀的开度<出水阀的开度，那么系统永远无法达到平衡。同时出水阀也决定了液位达到设定值所需时间的长短，所以记录数据前，应先调好出水阀开度的大小，才能快速达到平衡。任意改变出水阀开度大小会对响应曲线造成干扰，从而使实验结果的误差变大。
2、用响应曲线法确定对象的数学模型时，其精度与哪些因素有关？
答：因为系统用到了仪表，因此与仪表的精度有关，同时与出水阀开度的大小有关。并和放大系数K、时间常数T以及纯滞后时间有关。
3、由结构判断本实验对象是否有自平衡能力？是否与实验结果一致？
答：有自平衡能力。
五．实验数据
图1单容水箱单调上升指数曲线
图2
单容水箱特性的测试实时曲线
通过实验所获得的特性曲线，图1为单容水箱单调上升指数曲线，当输入一个控制量为35时，水流通过水阀向水箱进水，由于单容水箱实验的数学模型为一阶惯性环节，因此所得的曲线为单调上升曲线，经过一段时间之后被控制量达到接近控制量的稳定值。
图2为在系统稳定时，通过调节器输入一个阶跃变化，则系统又进过一段时间后达到一个新的平衡点，因此产生如图所示的曲线变化。
实验三
双容水箱液位数学模型的测试
一、实验目的
1．熟悉双容水箱的数学模型及其阶越响应曲线
2．根据实际测得双容水箱液位的阶越响应曲线，确定其传递函数
二、实验原理
被控对象有两个水箱串联链接，股称其为双容系统。被控制量为下水箱的液位，显然，多了一个水箱，响应时间就滞后。由S型曲线的拐点P出做一切线，它与时间轴的交点为A，OA表示对象相应的滞后时间。至于双容对象两个惯性环节的时间常熟可按下述方法来确定。
在图2-2.2所示的阶越响应曲线上求取：
（1）=曲线上的电Bhe对应的时间
（2）时曲线上的点C对应的时间
然后，利用下面的近似公式计算式
由上述两式求出和，于是得双容（二阶）对象的传递函数：
三、实验步骤
1．接好实验线路。
2．开启总电源和相关仪表的电源
3．商店后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4．先把调节器设置与手动状态，按调节器的增减，改变其输出值，是下水想的液位处于某一平衡未知。突增/突减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡位置开始变化，经过一段时间后，液位进入新的平衡状态。
5．用计算机实时记录的历史曲线和在阶跃扰动后的响应曲线。
6．把计算机作用的实验曲线进行分析处理，并把结果填表入下表中
四、思考题
1．引起双容对象滞后的特性是什么？
答：由于多了一个容积，水位差h2表现出来的响应特性就不同于单容水箱，响应过程在时间上落后了一步，存在管道上的滞后，干扰引起的传感器反馈信号上的滞后。这段滞后时间主要是对象容量增加和容积之间存在阻力所造成的。
2．由结构判断本实验对象是否有自平衡能力？是否与实验结果一致？
答：本实验结构中的负载阀可根据液压的大小来自动调节液体流出量，最终使水的流入量与流出量相等，所以本实验对象具有自平衡能力。与实验结果有差异。
五．实验数据
图1
如图1所示为一双容水箱液位实验的特性响应曲线。由于双容水箱在数学模型上近似为二阶系统，因此当开启水阀，输入一个阶跃的控制量35时，系统经过一段时间，被控制量达到与控制量接近的稳态。通过图可以测出二阶系统的超调量，上升时间、调整时间和稳态误差，同时可以发现由于双容水箱的作用，会产生一定的时间延时。
实验四
单回路定值控制系统
一、概述
单回路控制系统方框图如下。它是由调节器、执行器、被控对象和检测元件及变送器组成。单回路控制系统结构简单、易于分析设计、投资少、便于施工、技术成熟，适用于被控对象滞后时间比较小，负荷和干扰变化不大，控制质量要求不很高的场合。因此在工业生产中得到了广泛的应用。
二、干扰对系统的影响
1.干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后的影响
干扰通道的放大系数K，会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数越大，系统的静差也就越大。我们希望干扰通道的放大系数越小越好。
如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf1，其过度过程的动态分量被滤波而幅值变小。则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的分量被滤波而副值变小。即时间常数Tf2越大，则系统的偏差就越小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，使被调参数的响应时间滞后一个τ值，即Yτ(t)=Y(t-τ)，表明调节过程沿时间轴平移了一个τ的距离，所以干扰通道出现有纯滞后，不会影响系统调节质量。
2.干扰进入系统中的不同位置
控制理论证明，同一形式大小相同的扰动出现于系统中的不同位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
三、控制规律的确定
选择系统调节规律的目的，就是使调节器与调节对象能很好得匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。分以下几种调节：
1.
比例（P）调节
纯比例调节是一种最简单的调节，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于只一个参数，所以整定方便。缺点是系统有静差存在。
2.
比例积分（PI）调节
PI调节的积分部分能有利于消除偏差，但它又使PI调节的相位滞后量减小，即系统的稳定性变差，传递函数为：Gc(S)=Kp(1+1/TS)
3.
比例微分（PD）调节
PD调节器由于有微分作用，能增加系统的稳定性，比例系数的增大能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。传递函数为：Gc(S)=Kp(1+TS)
4.
比例微分积分（PID）调节
PID是常规调节中性能最好的一种调节。由于它具有各类调节的优点，因而使系统具有更高的控制质量。传递函数为：Gc(S)=Kp(1+TdS+1/TiS)
四、调节器参数的整定方法
调节器参数的整定方法通常分为两大类：一种是理论计算整定法，即根据被控对象的特性，然后通过理论计算来求取调节器的最佳参数。另一种方法是工程整定法，在被控对象运行时，直接在控制系统中，通过改变调节器参数，观察被控对象的过渡过程，来获取最佳数值。一般通过理论计算得到的整定参数并不可靠，还需要到现场进行修正，因此工程中采用较少。而在工程中应用较多的是工程整定法。工程整定法有以下四种：
（一）经验试凑法
若将控制系统按液位、流量、温度和压力等参数分类，属于同一类的系统，其对象特性比较接近，所以无论是调节规律的形式还是所整定的参数均可互相参考。下表给出了常用过程控制系统控制器的参数经验数据。
系统
δ（%）
Ti/min
Td/min
温度
20~60
3~10
0.3~1
流量
40~100
0.1~1
压力
30~70
0.4~3
液位
20~80
(二)
临界比例度法
临界比例度法就是先让控制器在纯比例控制下，通过现场实验找到等幅振荡的过渡过程，记下这时的临界比例带δk和临界振荡周期Tk，求出衰减振荡时控制器的最佳参数。
系统
δ
Ti
Td
P
2δs
PI
2.2δs
Ts/1.2
PID
1.6δs
0.5Ts
0.125
Ts
（三）
衰减曲线法
衰减曲线法是在经验法和临界比例度法基础上，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整定方法，和临界比例度法类似，不同的只是本法采用某衰减比。并不是等幅振荡，而是等到比如4：1衰减比时，根据此时比例度δk和振荡周期Tk，按下表经验算式，求取调节的参考参数数值。
系统
δ
Ti
Td
P
δs
PI
1.2δs
0.5Ts
PID
0.8δs
0.3Ts
0.1Ts
（四）
反应曲线法
如果被控对象是一阶惯性环节或有很小滞后的一阶惯性环节，若用以上几种方法就有难度了。对于这种情况，可采用反应曲线法来整定调节器的参数。令调节器的输出X(t)为阶跃信号，则对象经测量变送器后的输出Y(t)，如图所示。由此可以确定τ、T和K，其中K按下式确定K=[y(∞)-y(0)]/x0。利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的参数。
系统
δ（%）
Ti
Td
P
Kτ/T*100%
PI
1.1*Kτ/T*100%
3.3τ
PID
0.85*Kτ/T*100%
2τ
0.5τ
五、实验目的
1、了解一阶、二阶单回路控制系统的结构与组成。
2、掌握单回路控制系统调节器参数的整定。
3、研究P、PI、PD和PID四种调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。
六、实验内容
1.
一阶、二阶单回路液位定值控制系统的实现
2.
一阶、二阶单回路压力定值控制系统的实现
3.
一阶单回路温度定值控制系统的实现
七、实验步骤
1、
按设计要求完成系统的接线。
2、
接通总电源和相关仪表的电源。
3、
上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
4、
选用单回路控制系统所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节器的参数。
5、
先设置系统给定值SV，再手动操作调节器的输出，是被控制量接近给定值且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统自动运行。
6、
进行下列实验：
1）
当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%~15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）
待系统进入稳定后，适量打开另一个阀，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。
7、适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
八、思考题
1．如何用实验方法确定调节器的相关参数？
答：可以采用经验试凑法，临界比例度法，衰减曲线法，反应曲线法来确定调节器的参数。
2．改变比例度和积分时间，对系统性能产生什么影响？
答：比例度对系统性能的影响：比例度越大，放大倍数越小，在相同大小的干扰下，调节器的比例度越小，振荡周期也越短，工作频率提高。比例度越大，则调解器的输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡过程越平稳。积分时间对系统性能的影响：积分作用的引入，一方面消除了吸引的余差，另一方面却降低了系统的其它品质指标，因此必须适当的增加比例度。
3．为什么双容系统较单容系统更容易引起振荡？如果达到同样的动态性能指标，为什么双容系统调节器的比例度和积分时间常数均要比单容系统大？
答:因为双容系统在数学模型上为一个二阶系统，因此会产生振荡。
4．说出下水箱的时间常数比上水箱时间常数大的原因。
答：因为需要先经过上水箱才能到达下水箱，因而下水箱的时间比上水箱长。
5．为什么采用PI调节器消除系统的余差，而不采用纯积分器？
答：因为比例积分适用于滞后比较小，负荷变化不大，不允许有余差的控制系统。而纯积分器会使系统稳定性变差。积分能在比例的基础上消除系统的余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。
6．
叙述比例积分调节器（Pl）的参数整定步骤。
ⅰ.在纯比例调节的基础上，加上积分作用“I”，根据不同的情况，设置不同的大小。观察被控变量能否回到原设定置的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统的阶越扰动无余差产生。
ⅱ.固定比例P值（中等大小），然后改变调节器的积分时间值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形和响应时间的快慢。
ⅲ.固定于某一中等大小的值，然后改变比例度的大小，观察加入阶跃扰动后被调量的动态波形和响应时间的快慢。
九．实验数据
实验六
水箱液位串级控制
一、实验目的
1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法。
3、研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
二、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。每一个回路中都有一个调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。
本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反应时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控变量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。
三、实验步骤
1、按图要求，完成实验系统的接线。
2、接通总电源和相关仪表的电源。打开阀门。
3、按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
4、上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
5、调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度δs和周期Ts。据此，按经验表查得P1的参数对主调节器进行参数整定。
6、系统投运的步骤：
1）主、副调节器都置于手动位置，主调节器采用内给定模式，副调节器采用外给定模式。先通过副调节器手动控制。
2）把主调节器的手动输出调整到合适的值。当系统稳定后，把副调节器切入自动。
3）通过主调节器的手动控制，当下水箱液位趋于给定值，把主调节器切换为自动。
7、进行如下的实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）适量打开干扰阀门，观察并记录阶跃扰动作用于副对象（上水箱）时，系统被控变量（下水箱液位）的响应过程。
3）关闭干扰阀门，去除副对象的阶跃扰动，且待系统再次稳定后，再适量打开阀，观察并记录阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。
四．思考题
1、试述串级控制系统为什么对副扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？
答：在串级控制系统中，副回路可视为主回路的一个环节，使滞后时间变短，提高系统克服干扰的能力。
2、一步整定法的依据是什么？
答：理论依据是：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等效调节器总的放大系数Kc为主调节器放大系数Kc1与副回路等效的放大系数K02’的乘积,即Kc=
Kc1
K02’。
3、主、副调节器正反作用方向如何确定？
答：主、副调节器正反作用方向如何确定？答：首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开、气关形式：然后根据生产工艺条件和调节阀的形式确定副调节器的正、反作用方式，然后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。
4、为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？
答：因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分作用会延长控制作用，减弱副回路的快速作用。
五．实验数据
图1
图1所示为为适用串级控制方法的水箱液位系统。实验时先通过手动的方式设定调节器使系统先工作一段时间，当系统稳定后，将副调节器改为自动进行投运。由于我们在实验时过早的将系统投运，因此系统没有稳定后就向另一个状态变化，产生如图的曲线，同时由于上下水箱的作用，出现了一定时间的滞后。
实验八
下水箱液位与电动调节阀支路流量的串级控制
一、实验目的
1.
了解水箱液位-流量串级控制系统的结构与组成。
2.
掌握液位-流量串级控制系统的投运与调节器参数的整定方法。
3.
研究阶跃扰动分别作用于副对象与主对象时对系统主控制量的影响。
4.
主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。
二、实验原理
本实验系统由主、副两个回路组成，主控变量为下水箱的液位高度H，是一个恒值控制系统，使系统的主控制量H等于给定值；副控变为电动调节阀支路流量Q，副回路控制主控制量的目的。
不难看出，由于主对象下水箱的时间常数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用已消除了扰动的影响。
三、实验步骤
1.
按照图要求，完成实验系统的接线。
2.
接通总电源和相关仪表的电源。
3.
打开阀，并固定于某一合适的开度。
4.
按经验数据预先设置好副调节器的比例度δ值。
5.
上电后，启动计算机，运行MCGS组态软件，进入本实验系统。
6.
调节主调节器的比例度δ。使系统的输出响应呈4：1的衰减度，记下此时的比例度δ和周期Ts。按查表所得的PI参数对主调节器的参数进行整定。
7.
手动操作主调节器的输出，控制电动调节阀给下水箱打水，待下水箱液位相对稳定且等于给定值时，把主调节器切为自动，系统进入自动运行。
8.
进行如下的实验：
1）
当系统稳定运行后，设定值加一合适的阶跃扰动。记录系统得输出响应曲线。
2）
适量打开阀，观察并记录阶跃扰动作用于主对象时，系统被控质量的响应过程。
3）
关闭阀，待系统稳定后，适量打开电动阀两端的旁路阀，观察并记录阶跃扰动作用于副对象时对系统被控质量的相应。
9.
通过反复对主副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。用计算机记录此时系统得动态相应曲线。
四、思考题
1、为什么副回路的调节器为P控制，而不采用PI控制规律？
答：副回路是一个随动控制系统，副控制器主要起随动控制作用。为了能够快速跟踪，副控制器一般不引进积分作用。只有对副变量有控制要求或要求副变量精确跟随主控制器输出变化时，才适当引入积分作用。
2、试简述串级控制系统设置副回路的主要原因有哪些？
答：原因是因为在控制过程中，往往影响控制量的干扰因素有很多，而单回路控制系统需要经过一系列环节才能够改变被控量，所以控制通道的时间常数较大，容量滞后也比较大，这将导致控制作用不及时，控制质量很差，因而需要采用设置副回路的串级控制来提高反应速度，改善控制质量。串级调速系统副回路具有调节快、抗扰动能力强的特点，既改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，又迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率。
3、试说明当二次扰动作用于副回路时，系统是如何调节达到基本上不影响主控制量的目的？
答：当二次扰动作用于副回路时，先被副控制器发现，并立即进行控制。若扰动量不大，经过副回路的及时调节，一般不会影响最终的输出被控量。若扰动量较大影响到主参数时，主控制器开始工作，发出控制信号去不断调整副控制器的给定值，副控制器将根据测量值与变化了的给定值之差进行控制，直到完全克服扰动的影响使被控量重新回到给定值为止。
4、副调节器如果设计为PI，试分析对系统的性能有什么影响？
答：副调节器采用PI控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用，积分作用的目的不是消除余差，而是增强控制作用。
五、实验数据
图1
图1所示为适用串级控制方法的水箱液位系统。与实验6不同的是副回路和主回路的返回信号量不同，不全为液位变化量，本实验的副回路采集流量的变化量。通过手动设定一段时间后，将系统投运使的系统达到稳定状态。图中出现的一段凸形曲线为当系统稳定后加上一定量的干扰所导致的结果，可以看到，系统通过主副调节器的调节将系统的干扰消除，较快的回到原来的稳定状态。
实验心得
过程控制系统及其应用是我们专业很重要的一门专业课，这门课的知识面涉及很广，其中囊括了自动控制原理，传感器技术等多门课的知识。可以说这是一门将我们专业知识和现代工业控制结合的课程，也是一门综合性的对专业知识要求比较高的课程。这次虽然只有短短的两次实验课，但是对我加深对理论知识的理解已很有帮助。这次主要进行了五个实验，包括单容水箱液位数学模型的测试，双容水箱液位数学模型的测试，单回路定值控制系统，水箱液位串级控制系统，水箱液位与流量串级控制。通过实验，我了解了对象动态特性的测量方法，单回路控制系统和串级控制系统的组成，及调节器参数整定，等等。让我在实际运用中对这些知识加深了理解。
这门课程的工程实践性很强，且与现代工业控制技术紧密联系，做为即将毕业的应届学生，掌握这门技术，对将来的个人发展也很益处，增加了竞争力。最后谢谢老师的细心教导和帮助。
我很认真的对待每一个实验，几乎每次都做到最后，虽然好几个实验最终都没有成功，但是我体会到其中的乐趣。
篇2：控制系统仿真设计报告-加热炉出口温度仿真设计
控制系统仿真设计报告-加热炉出口温度仿真设计 本文关键词：仿真，加热炉，设计，控制系统，温度
控制系统仿真设计报告-加热炉出口温度仿真设计 本文简介：内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计报告题目：加热炉出口温度仿真设计学生姓名：学号：专业：班级：指导教师：目录第1章概述1第2章总体方案设计22.1设计思路22.1.1单回路控制22.1.2串级控制系统2第3章Simulink建模53.1单回路控制整定53.2串级控制参数整定7第4章Simulink仿
控制系统仿真设计报告-加热炉出口温度仿真设计 本文内容：
内蒙古科技大学
控制系统仿真课程设计报告
题
目：加热炉出口温度仿真设计
学生姓名：
学
号：
专
业：
班
级：
指导教师：
目
录
第1章
概述1
第2章
总体方案设计2
2.1
设计思路2
2.1.1
单回路控制2
2.1.2
串级控制系统2
第3章
Simulink建模5
3.1
单回路控制整定5
3.2
串级控制参数整定7
第4章
Simulink仿真与优化设计10
第5章
总结13
参考文献14
I
第1章
概述
图1-1所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度,然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：加热物料流过排列炉膛四周的管道后,加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀,用以控制燃料油流量,以达到控制出口温度的目的。
图
1-1
加热炉出口温度系统
但是，由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。
第2章
总体方案设计
2.1
设计思路
2.1.1
单回路控制
在这里先可以尝试采用使用单闭环实现。加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图如图2-1。
图2-1
单回路控制系统框图
控制器使用PI控制规则，使用衰减曲线法对控制器参数进行整定。
2.1.2
串级控制系统
由于主对象时间常数较大，直接采用串级控制。
在这里选择之后较小的炉膛温度为副变量，炉出口温度为主变量。则该系统的结构图如图2-2。
图2-2
串级控制系统图
因此可以得到系统的方框图，如图2-3。
图2-3
串级控制系统框图
主控制器采用PI控制规则，副控制器直接采用P控制器规则。使用一步法直接确定副控制器的放大倍数，再使用单回路控制系统的整定方法来整定主控制器的参数。
第3章
Simulink建模
3.1
单回路控制整定
使用衰减曲线法来整定PI调节器，将积分时间T设为最大值，比例增益K设为一个较小值。给系统输入阶跃信号，调整K使系统的响应出现4:1的衰减过程。并记录下此时的比例环节增益K和震荡周期T。
Simulink仿真环节如图3-1：
图3-1
单回路P控制Simulink图
经过尝试，当K=1.254时，此时T=16.6s正好是4：1衰减。如图3-2所示：
图3-2
单回路P控制4：1响应曲线
由图3-2可以明显看出系统存在一定的余差，需要在控制器中加入积分来消除系统的稳态偏差。按表3-1的经验公式进行调节。
表3-1
衰减曲线法整定计算公式
由得到PI调节器的正定参数：K=1.254/1.2=1.045，T=16.6×0.5=8.30s。加入PI缓解后系统Simulink如图3-3所示：
图3-3
单闭环PI控制Simulink仿真图
经过略微调整K
和T使系统满足4：1的衰减变化。最终使K=0.909，T=13.65s时于是得到如图3-4的仿真曲线。
图3-4
单闭环PI控制4：1响应曲线
曲线较好的呈现4：1的衰减比，经过两个震荡周期便进入了稳态。由于积分的作用，系统已消除了静差。
3.2
串级控制参数整定
由一步法参照副控制器参数经验设置值表来整定副控制器。如表3-2所示。
表3-2
副控制器参数经验设置值
这里副变量是炉膛的温度，则由上表直接整定副控制器参数为K=3，K=5
按单回路控制系统整定方法直接整定主控制器参数。将内环直接看作主环内的一个环节G，因为此时副回路可以看作一个理想的随动系统。使用衰减曲线法4：1，这时候同样按照单闭环的方法来整定外环，Simulink如图3-5示：
图3-5
串级控制主P控制Simulink仿真图
当K=19.4时外环出现4：1，如图3-6所示：
图3-6
串级控制主P控制器4：1响应曲线
参考表3-1中衰减曲线法的经验公式，则有K=19.4/1.2=16.17，T=16.6×0.5=8.30s。加入PI环节后系统Simulink如图3-7所示。
图3-7
串级主PI控制Simulink仿真图
经过多次尝试调整K和T使系统满足4：1的衰减变化。最终使K=13，T=20s时于是得到如图3-8的仿真曲线：
图3-8
串级主PI控制4：1响应曲线
曲线较好的呈现4：1的衰减比，经过两个震荡周期便进入了稳态。由于积分的作用，系统已消除了静差。
第4章
Simulink仿真与优化设计
单闭环控制器和串级控制器参数均已调好。如表4-1所示，串级控制的优势十分明显。这里分别从衰减率、静态偏差、系统的工作频率、对干扰的抑制作用和副对象干扰的抑制作用这几个方面进行计算和分析。
由表中所见，在同样为4:1衰减比的情况，两者均因为PI控制器的作用，使得系统无静态偏差。但串级系统由于内环的存在，提高了工作频率，由0.0499提高到0.0873，几乎两倍。副回路存在使得系统响应变化，更早的达到峰值。在加入干扰后，串级控制的自适应能力便脱颖而出，由图4-1的响应曲线所见，单回路虽然能克服干扰，但最大偏差明显大于串级控制。当副回路中引入干扰时，串级控制使单回路的动态偏差由0.112降到0.0032；即使是进入主回路的干扰(t)=0.1，最大动态偏差也由单回路的0.023降到0.0102。可见，串级控制系统对扰动有一定的抑制作用，尤其是进入到副回路内的扰动。
表4-1
串级控制效果与单回路控制比较的结果
串级控制和单回路控制的仿真对比结果以图形反映如下，明显看出两者差别。
a
给定单位阶跃变化时的响应曲线
b
作用时的响应曲线
c
(t)=0.1作用时的响应曲线
d
副对象放大系数变为2时响应曲线
最后一图显示当副对象由时，串级控制的响应曲线基本不变，而单回路出现次数较多的震荡效果明显变坏，可见串级控制系统有一定的自适应能力。
第5章
总结
这次课程设计主要是学习整定串级系统的控制参数。这次课程设计在参数整定上遇到不少问题，最终通过耐心地调整以及同学帮助，终于得到了较好的控制效果。通过本次课程设计，可以加深对过程控制理论知识的理解，同时更加熟练的使用matlab以及Simulink进行控制系统的仿真实验。将所学的理论与方法应用于实际之中，提高了自己理论联系实际的能力，也丰富了自己的阅历。
参考文献
[1]
方康玲
过程控制与集散系统(第一版)[M]，电子工业出版社，2009.1
[2]
吴怀宇
自动控制原理(第一版)[M]，华中科技大学出版社，2007.9
[3]
郑阿奇
MATLAB实用教程(第二版)[M]，电子工业出版社，2007.8
13
篇3：云铜艾萨炉控制系统实习报告
云铜艾萨炉控制系统实习报告 本文关键词：控制系统，实习报告，云铜艾萨炉
云铜艾萨炉控制系统实习报告 本文简介：实习报告学院：专业：年级：学生姓名：指导教师：日期：教务处制一、实习时间、地点和内容3二、云铜艾萨炉32.1艾萨炉的认识3三、铜冶炼艾萨炉配料系统53.1配料分析53.2配料计算过程63.3仓式配料存在的问题63.3.1原料预处理大，混料成分不均63.3.2配料控制困难。物料成分波动大73.3.3.
云铜艾萨炉控制系统实习报告 本文内容：
实
习
报
告
学
院：
专
业：
年
级：
学生姓名：
指导教师：
日
期：
教
务
处
制
一、实习时间、地点和内容3
二、云铜艾萨炉3
2.1
艾萨炉的认识3
三、铜冶炼艾萨炉配料系统5
3.1配料分析5
3.2
配料计算过程6
3.3仓式配料存在的问题6
3.3.1原料预处理大，混料成分不均6
3.
3.2配料控制困难。物料成分波动大7
3.3.3.吊车作业率高7
3.4
堆取料机在艾萨炉配料中应用探讨7
3.4.1堆取料机的性能7
3.4.2
堆取料机应用的可行性7
3.5
备料系统8
四、艾萨炉控制系统9
4.1
硬件配置9
4.2
软件结构9
4.2.1操作接口软件10
4.2.2
实时监控软件．10
4.2.3
控制功能10
4.2.4完善艾萨炉燃烧控制程序11
五、铜冶炼余热锅炉系统11
5.1
系统功能12
5.2
系统结构12
5.3
控制原理13
5.3.1汽包水位控制13
1、
低压余热锅炉汽包水位的一般控制方案如图513
2
、变PID参数的作用14
3、
摇炉期间低压转炉汽包的水位控制14
4、
中压余热锅炉汽包水位的控制方案14
六
、S7-20015
6.1
SIMATIC
S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成15
6.1.1
硬件15
6.1.2
工业软件15
6.1.3模块连接形式16
七、总结17
参考文献18
摘要
云铜股份冶炼加工总厂的铜冶炼采用火法冶炼工艺，主要工艺流程为混合铜精矿先进人艾萨炉中熔炼，熔炼产生的冰铜及炉渣混和熔体进入贫化电炉进行沉降分离，再由卧式转炉将电炉沉降出的冰铜进行吹炼，进一步脱氧脱硫成粗铜、转炉渣和烟气。其中粗铜送阳极反射炉精炼．炉渣返电炉。烟气经余热锅炉回收余热和电收尘器降温收尘后送到硫酸分厂制酸，余热锅炉收下的烟尘经破碎后返回电炉，电收尘器收下的烟尘送入电炉。整个工艺过程属于非线性、时变、复杂耦合，目前尚未能建立数学模型的生产过程。
冶炼生产过程所产生的高温烟气与余热锅炉的受热面进行热量交换，在汽包中进行汽水分离，产出低压及中压饱和蒸汽，供蒸汽发电及全厂生产用汽．实现余热利用，达到节能减排的目的。
关键词：铜冶炼；余热锅炉；艾萨炉配料；控制系统
云南铜业实习
一、实习时间、地点和内容
2011-3-02，
学校西门子实验室；
了解PLC-200CPU和扩展模块、通讯和网络功能等。
2011-3-09
，云南铜业冶炼加工总厂，了解生产工艺流程；
云铜股份冶炼加工总厂的铜冶炼采用火法冶炼工艺，主要工艺流程为混合铜精矿先进人艾萨炉中熔炼，熔炼产生的冰铜及炉渣混和熔体进入贫化电炉进行沉降分离，再由卧式转炉将电炉沉降出的冰铜进行吹炼，进一步脱氧脱硫成粗铜、转炉渣和烟气。其中粗铜送阳极反射炉精炼．炉渣返电炉。烟气经余热锅炉回收余热和电收尘器降温收尘后送到硫酸分厂制酸，余热锅炉收下的烟尘经破碎后返回电炉，电收尘器收下的烟尘送入电炉。整个工艺过程属于非线性、时变、复杂耦合。
二、云铜艾萨炉
2.1
艾萨炉的认识
2011-3-9号，到云南铜业冶炼加工总厂进行实习，对冶炼的流程有了初步的理解。
艾萨炉体积小，反应速度快，熔炼效率高，节省二次能源，环保效果好
在澳大利亚的芒特艾萨、美国的赛浦路斯等厂的实践证明比传统的火法工艺先进，适合云南铜业股份有限公司电炉流程的改造
要获得更好的经济效益，日常的生产操作和工艺控制将是降低成本的重要环节。
降低生产成本可以从低消耗、高产出着手，包括：控制好渣型、冰铜品位、炉子的操作，从作业率高、产量高、设备寿命长、人力投入少等方面
由于艾萨炉及其工艺减少了炼前处理（如：电炉流程的烧结工序），
因此许多指标的控制都转变为控制艾萨炉的熔池反应。
世界有色金属工业多年来采用了由澳大利亚蒙苔艾萨公司发展的艾萨熔炼法和艾萨电解法等先进技术，使得生产效率大大提高。
艾萨炉采用衬有耐火砖的平顶圆形炉体。喷枪由炉顶插入炉内，向炉中的熔融体内的渣、冰铜和金属的混合物喷射气体、氧气和燃料，形成强烈的搅拌流体，保证原料和氧气间的快速反应。炉内熔渣溅起时在喷枪上形成挂层，保护了喷枪露出熔融体部分不受强烈腐蚀环境的损坏。艾萨炉的产品冰铜、金属和渣的混合物从炉底部带有冷却水套的排矿口排出，进入沉淀炉，利用冰铜和渣的不同比重分离。艾萨熔炼法的特点在于其独特的喷枪低压旋涡器设计和多年来蒙苔艾萨铜冶炼厂积累的丰富的实际操作经验。
云南铜业股份有限公司1999年3月21日与澳大利亚MIMPT公司签订引进艾萨法铜熔炼技术合同．于同年9月破土动工，2001年设备开始安装，2002年5月9日炉子点火，15日投料生产，实现了艾萨炉一次投产成功。艾萨炉一次投产成功，不但为提高产能打下坚实的基础，降低了能耗，而且把总硫利用率提高到了92％以上，为解决环境污染问题创造了有利条件，同时还提高了公司技术和装备水平。经过28个月的正常生产．艾萨炉系统于2004年9月11日完成了第一炉期的生产。第二炉期经过近个月的建设，系统于2005年2月25日投入第二炉期的生产。艾萨炉在运行了34个月后进入第二次检修。34个月的炉期，再创炉寿新高。
图1为云南铜业（集团）有限公司的艾萨炉
图1
云铜艾萨炉
云铜艾萨炉髙65米，共15层。
云南铜业（集团）公司通过对艾萨铜熔炼炉的引进消化吸收和二次创新，创造了在全球8座同类炉子中体积最大、厂房占地最小、余热锅炉结构最合理、建设周期最短、达产达标用时最短、第一期炉龄最长的世界纪录，运行4年多来各项技术经济指标均处于世界领先水平，实现了对富氧顶吹炼铜技术的完善和重大技术跨越。
三、铜冶炼艾萨炉配料系统
云铜艾萨炉仓式配料不仅较好地解决了国内铜精矿成分复杂的问题，很好地利用了进口铜精矿成分较稳定的特性，而且使配料吊车的作业率降低了25％～30％。但是。几年来的生产实践表明．艾萨炉仓式配料仍然难以解决配料成分波动性较大的问题。本文根据云铜艾萨炉原料的特点，结合现有配料设施，探讨应用堆取料机实现配料．进一步提高配料成分稳定性的可行性。
3.1配料分析
在艾萨炉的熔池反应中：生产效率、热平衡、炉渣性质是操作控制的主要内容，要获得高的生产效率，须在控制好炉渣性质和热平衡的基础上，增加产量，降低消耗
炉渣的性质主要是讨论渣的化学成份、粘度、熔点、酸碱性等特性
在工艺和原料确定的条件下，艾萨炉内主要是硅、铁渣的性质，在富氧喷入渣层后的反应中，会多产生一定量的Fe3O4使渣的粘度升高
渣中氧的透气性很关键，透氧性差则氧化反应速度,下降，温度下降，易产生泡沫渣，生产效率随之下降，严重时，停料保温处理炉况
所以，要求配料工作要做到：1.物料成份分析准确、稳定，主要元素成份稳定在＜±0.5％；
2.
园盘稳定给料，电子称称量精确度＜±1％；渣型（
Fe／
SiO2
）须稳定在一个较窄的范围内，同时要求一定的工艺、操作控制水平
配料工作中，头两条是新投入的设备的基本性能所保证的，第3条是日常工作中须经常对
Fe／
SiO2
进行计算、检验和控制
因此配料计算的日常核心工作内容是渣型计算
在熔池反应正常操作的前提下，加减煤或油保持所需的热平衡
关于渣型的控制，经过推导可以得到渣型的计算公式：
A*=
[Fe]／
[SiO2]
={Fe-Cu(68.62/[Cu]-0.985)}/SiO2
［Cu］—冰铜中的铜的质量百分比；
Cu—原料中的铜的质量百分比；
［SiO2］—渣熔体中的铁的质量百分;
Fe—原料中的铁的质量百分比；
SiO2—原料中的二氧化硅的质量百分比
公式推导条件：（1）冰铜中硫的含量在23%
-24
%
之间，取含硫值为23.34%
；（2）冰铜中
F
eS
+CuS占90
%-95
%,取值93
%;（3）冰铜品位值取60
%，也就确定了总脱硫率；（4）冰铜含铜的直收率为
98.5
%
如图3
数学模型动作过程：
图3
数学模型动作过程图
3.2
配料计算过程
工艺控制要求：
1.
渣型；严格按[Fe]／[SiO2]左右要求；2.
冰铜品位：由熔池反应控制，它的波动将影响渣型和生产秩序，在此用设计值60%,；
3.炉温：在快速反应过程中，稳定控制炉温是个关键，由热平衡计算的用煤量通过二次配料加入，煤的比例数据需要随时从艾萨炉计算机传送到配料计算机!
第一次计算：当条件输入，以最新原料成份或分析结果输入后（由X荧光室传送）经操作员站确认后开始进行计算
原料按矿种在计算机内分区摆放，以大平衡配比为第一配料进行计算，在计算机内存放的大平衡配比，已考虑了金属量和矿量，能适应生产变化的需要
煤的比例由艾萨炉的计算机根据配比的原料物相组成计算出来后传送给配料系统的计算机，待配好的料有分析数据后再进行校正!
计算机内有固定格式，根据成份分矿种摆放，大平衡配比需有多种情况与矿种情况对应，或以第一种情况为准，当缺少某一矿种时按各种矿比例分配缺少这一矿种的比例，缺少的某一矿种，按比例及配料总数量换算出该矿种的少配入的数量加在该矿种的总量上，以此来提高今后该种矿配比的比例，增加的比例按各种矿比例对应减少
计算机根据输入的矿种选择对应关系，不论是哪一种情况，进行配料计算后得到的数据均采用下面的判别式进行判别：
A*=
[Fe]／[SiO2]
={Fe-Cu(68.62/[Cu]-0.985)}/SiO2
A*在1.13-1.23之间，A*＜1.13减白沙比例0.65，若白沙比例不够，比例三倍数减氧化矿，减去的比例加在：1.Cu在在
±1范围内时，加在硫精矿上；
含Cu在±1
范围外，高时加在金精矿上，低时加在铜精矿或高含铜进口矿上“。
A*＞
1.20加氧化矿，相应减去铜精矿和硫精矿比例（硫矿占70％，铜矿占
30％）
3.3仓式配料存在的问题
艾萨炉仓式配料主要过程为成分变化大的国内铜精矿先通过吊车进行堆式二次配料．然后再搭配进1#、3#铜精矿进行仓式配料．该配料方式存在一定的问题。
3.3.1原料预处理大，混料成分不均
国内铜原料矿种多，成分变化大，其中4个主要元素Cu、Fe、S、SiO2的成分变化都在10％以上，这样的原料需经过预先混匀(堆式二次配料)
处理才能用于仓式配料。从2006年的统计数据来看，需要进行预处理的铜精矿量达到70万t。目前堆式二次配料的主要问题为：配料采用抓斗吊车进行，人工操作不易实现混匀：国内铜精矿成分变化大，难于达到混料成分均匀的目的。
3.
3.2配料控制困难。物料成分波动大
(1)原料中的杂物在卸矿和配料过程中均难于清除，杂物对仓式配料的稳定给料影响较大，造成配料难于控制。
(2)仓式配料采取在线连续配料方式，配料过程中出现给料偏差时，无法对偏差进行消除。
3.3.3.吊车作业率高
配料吊车的作业数量是艾萨炉生产量的3倍，吊车的作业率最高达90％以上。
3.4
堆取料机在艾萨炉配料中应用探讨
3.4.1堆取料机的性能
斗轮堆取料机是利用斗轮连续取料．带式输送机连续堆料的装卸机械。它是散状物料(散料)储料场内的专用机械．可与带式输送机组成储料场运输机械化系统，生产能力每小时可达l万多吨。斗轮堆取料机有堆料和取料两种作业方式。堆料由带式输送机运来的散料经尾车卸至臂架上的带式输送机，从臂架前端抛卸至料场。取料是通过臂架回转和斗轮旋转连续实现的。
3.4.2
堆取料机应用的可行性
(1)3#、4#精矿仓可以实现多种物料的仓式配料。
(2)配出的物料可利用现有的物料运输流程。
(3)不破坏现有物料运输系统，当堆取料机出现故障时可直接进行仓式配料。
(4)改造可以在生产的状况下进行，不影响生产正常进行。
通过3#、4#矿精矿仓完成仓式配料．配出的物料经过转运站进入现上料系统的9#皮带运输机，然后连接到堆取料机的皮带运输机上面．最终实现堆料和混料功能。基本流程如下：
(1)原料卸矿：进厂原料(火车皮和汽车)通过3#、4#中精矿仓的抓斗吊车完成卸矿：汽车矿通过检验系统进入3#精矿仓。
(2)原料堆放和储备：卸下的原料按不同的矿种分仓堆放。
(3)仓式配料：通过3#、4#矿精矿仓内配置的配料仓进行仓式配料。仓式配料时，可以对入炉料成分进行初步控制．配料方式比较灵活。
(4)物料转运：3#、4#精矿仓完成仓式配料的混合物料通过矿皮带转运站。在9#皮带运输机的中部被卸料器卸下．进入振动筛完成杂物、块料与原料的分离．然后再通过皮带运输机送到堆取料机。
(5)堆取料机的堆式配料：3#、4#精矿仓配出的成分不是很均匀的混合物料．通过堆取料机在堆料场地上进行堆料和混匀。
(6)物料再次混匀：如果要求人炉料成分稳定性较高，可以再次进行混匀作业。
(7)物料运输：配好的物料可利用堆取料机直接取料后运输到一个中间料仓内。然后通过圆盘给料机进入上料系统。
(8)备用配料系统：在改建堆配料场时，不对原有物料运输系统进行大的改变．继续保留原有配料功能。
3.5
备料系统
原备料系统有两个精矿仓，精矿存储量40000
t左右，考虑到艾萨炉投入后产能扩大，备料系统进行了扩建，新建3#、4#精矿仓(30mxl50m)，储矿量40000
～45
000t。沿用原有的一个熔剂仓和煤仓，向艾萨炉供煤和熔剂。配料采用抓斗吊车配料。对原有的6个中间精矿仓进行改造，改造后4个作为中间精矿仓，1个作为中间煤仓，1个作为中间熔剂仓。实行二次补煤，大部分的煤通过煤仓在中间精矿仓之前与精矿混合，少量的煤直接运至中间煤仓用于艾萨炉炉温微调。大部分熔剂在精矿仓内和精矿搭配，少量的熔剂运至中间熔剂仓用于艾萨炉渣型微调。中间精矿仓下配置制粒机对混合精矿进行制粒，新增两台巾5．5m制粒机，共计4台65．5In制粒机。
图2
铜生产工艺流程
四、艾萨炉控制系统
4.1
硬件配置
艾萨工艺从上料子系统、冷却水子系统、供风子系统、供油子系统到炉子本体，流程长，监控对象多。根据工艺特点和各子系统的实际地理分布位置，本套控制系统设3台操作员站、1台工程师站、3个现场控制站及系统网络。系统硬件结构图3
图3
艾萨炉DCS系统结构示意图
4.2
软件结构
(1)专业+级工作站(Professional
plus工作站)
软件包。
(2)专业级工作站(Professional工作站)软件包。
(3)操作级工作站软件包。操作级工作站软件包，向操作员提供操作接口功能。
(4)基站软件包。基站软件包允许系统组态工程师根据需要配置DeltaV系统工作站。
4.2.1操作接口软件
系统的操作接口软件为设备的操作控制和监视提供了多种软件工具：
(1)操作接口界面。
(2)事件日志。
(3)诊断工具。
(4)报警管理。
(5)趋势分析。
(6)Excel插件(一种制表软件)。
4.2.2
实时监控软件．
艾萨炉的控制系统实时监控软件由澳大利亚的MIPAC公司进行设计、组态、调试。主要依据是澳大利亚MIMPT公司在本国艾萨炉上多年的成功工艺控制模型．与云铜的历次设计审查、技术协议要求及技术合同规定的内容。
4.2.3
控制功能
本系统具备DCS常规的工艺流程监测．工艺参
数检测、显示、报警，设备状态显示，设备联锁控制，回路自动调节控制等功能。主要的控制功能如下：
(1)上料系统。实现了上料流程设备的顺序启动、停车联锁控制，铜精矿、煤和熔剂的自动称量控制和原料配方控制，输送皮带的跑偏、撕裂等报警，料仓振打器自动控制等。
(2)喷枪卷扬系统。实现了喷枪手动、自动的快速、慢速和蠕动提升／下放控制，喷枪联锁控制，喷枪准确定位控制，喷枪重量监测。
(3)喷枪端部压力控制系统。能自动显示、调节喷枪在熔池内的深度。
(4)燃烧控制系统。实现了熔炼氧气、煤燃烧氧气、油燃烧氧气、工艺用风、二次燃烧空气的自动／串级控制。
(5)温度控制系统。实现了熔池、耐火砖和烟气温度的自动检测、报警。
(6)炉子冷却水控制系统。
(7)风机控制系统。能对艾萨炉风机进行远程加载、卸载，压力设定，并实时监测风机的主要运行参数。
(8)保温烧嘴系统。实现了对保温烧嘴的燃烧控制，还对烧嘴卷扬机进行自动控制。
(9)外围设备状态监控系统。对艾萨炉余热锅炉、贫化电炉、氧气站、硫酸风机、收尘风机等保持信号联系，使操作员能实时了解前后工序及相关配套系统的运行情况。
(10)分析数据接收系统。与配料DCS系统进行数据通讯．能同时得到荧光分析仪传给配料DCS的分析数据，使操作员能及时掌握原料成分、冰铜品位等相关的分析数据，正确指导生产。
(11)现场设备状态监测。
4.2.4完善艾萨炉燃烧控制程序
艾萨熔炼高强度快速冶炼的特性，要求艾萨炉入炉料量及料成分稳定供给。料量或料成分的波动都将导致熔池温度波动、操作困难。由于云铜艾萨炉暂没有实现温度自动控制，而炉子加煤量、加油量需要人工输人调整．操作工还要不时地调整富氧浓度，才能维持熔池温度波动在可接受范围内。如果入炉料量不断波动．势必造成不断地调整加煤量、加油量和富氧浓度。若料量波动超出可控制范围．炉温及炉内反应将失去控制，即使操作工频繁地调整以上参数维持熔池温度在一定范围．也将造成炉温、渣型和冰铜品位的大幅波动。进而影响工艺稳定、缩短炉子寿命。MIM的实践证明，料量的波动会产生加料损失。而料量的稳定可提高炉子的有效熔炼速率。
(1)在MIM公司，MIPAC公司的原设计中，云铜公司的艾萨炉熔炼燃烧所需氧气总量是通过计算以下要素的总和而得出：熔炼氧气；煤燃烧氧气；油燃烧氧气。
其中熔炼氧气是与精矿反应所需的氧气数量。
精矿的总吨数是1”、2。、5。、6。皮带电子称的瞬时料量之和。送人炉子的氧气量与4台皮带电子称的瞬时料量之和按一定的氧料比进行串级计算和控制。
(2)通过对MIPAC公司的DCS控制程序进行分析后认为，将料量按氧料比进行串级计算和控制的方式进行适当的修改。
(3)该善后的效益：稳定了炉温，提高了炉寿；减少了燃油消耗；每月减少燃油消耗2万L；稳定了氧气站运行，提高了空分工艺的稳定性；减少了相关调节阀的动作频率，降低了仪表的维护费用；稳定了余热锅炉运行。降低了烟尘率，减轻烟道粘结及降低了锅炉管束的磨损速度。
五、铜冶炼余热锅炉系统
目前，总厂铜冶炼火法工艺余热蒸汽管网由9台低压余热锅炉
(电炉
1台、转炉5台、反射炉3
台)，11个低压汽包，及4台中压余热锅炉
(转炉2台、阳极炉2台)，2个中压汽包、2个除氧器构成。由于总厂铜冶炼工艺的一些特殊生产情况，使得不同设备的余热锅炉存在以下特点：
(1)对转炉吹炼而言，每吹炼一炉铜，需多次摇炉。锅炉烟气不稳定，不同生产周期产生的热量也不同，这样就造成热源变化极大，余热锅炉汽包水位波动剧烈．经常出现
“假水位”。
(2)中压转炉余热锅炉蒸汽的蒸发量不稳定，锅炉压力频繁升降，造成锅炉给水泵供水压力同步反方向频繁变化，使锅炉水位不能稳定保持，给锅炉运行带来了极大的不安全隐患。
3)11个低压汽包共用1套供水装置，由于汽包所处位置不在同一层平面上，供水压力和流量不足时，会造成严重的抢水现象。
5.1
系统功能
低压和中压余热锅炉自动给水控制系统分别采用浙江中控技术有限公司的SUPCON
JX一300XDCS和WebField
ECS一100
DCS．完成对生产工艺系统的有效控制。其实现的系统功能如下：
（1）低压余热锅炉汽包给水系统的监测及控制。包括电炉、转炉、反射炉的汽包水位自动控制，转炉在摇炉期间的汽包水位自动控制，水泵联锁控制以及汽包给水压力自动控制。
（2）中压余热锅炉汽包给水系统的监测及控制。包括转炉、阳极炉的汽包水位自动控制，汽包蒸汽压力控制，循环水泵联锁控制。
（3）中压余热锅炉除氧器系统的监测与控制。包括转炉、阳极炉的除氧器压力、水位控制，给水泵联锁控制以及出口压力控制。
（4）中压余热锅炉烟气温度的监测。
（5）生产监测数据相对集中的实时显示及报警。
（6）32艺流程图对生产工艺流程的直观显示及对设备的操作控制。
（7）DCS报表。
DCS余热控制系统总组态如图4：
图4
DCS余热控制系统总组态
5.2
系统结构
余热锅炉自动给水控制系统由工程师站、操作员站、现场控制站、继电器端子柜及相应的过程控制网络等组成。其系统结构如图
十五所示。
工程师站内部装有相应的组态平台和系统维护工具，可通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统。功能包括：系统生成、数据库结构定义、程序编制、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制、系统维护等。
操作员站提供操作员完成过程监控管理的人机界面，机内装有经工程师站组态编译无误后传送过来的流程图、监控程序文件等，有多窗口画面显示功能，实现了生产过程信息集中显示、操作和管理。现场控制站是控制系统直接与现场设备进行信息交互的I／0处理单元，由主控卡、数据转发卡、I／0卡件、电源模块、接线端子板及内部I／O总线等组成，用于完成整个系统在实时运行中的信息采集、控制输出、现场仪表电源供给等。站内大部分卡件按控制要求进行了冗余配置，确保系统可靠运行。
继电器端子柜用于安装DCS所需的继电器、空气开关，并实现中间端子柜的功能。
过程控制网络SCnet
II实现工程师站、操作站和现场控制站的连接．完成信息、控制命令的传输与发送，并采用双重化冗余工业以太网设计，使得信息传输可靠、高速
。
5.3
控制原理
5.3.1汽包水位控制
1、
低压余热锅炉汽包水位的一般控制方案如图5
图5
余热锅炉自动给水控制系统结构图
由于低压余热锅炉自动给水控制为改造项目，考虑到原有工艺参数检测仪表存在一定的缺陷，还有在铜冶炼的不同生产周期中，炉温对相应汽包水位的影响为转炉较大，而电炉、反射炉较小的情况，为了抑制汽包“虚假水位”对调节过程的影响，在控制方案选择时．转炉汽包水位控制采用以蒸汽流量作为前馈信号的三冲量串级变PID参数加特殊规则控制的调节方案；而电炉、反射炉汽包水位控制采用单冲量变PID参数加特殊规则控制的调节方案。
实践证明。两种不同的控制方案对各自的控制对象（汽包水位）均有很好的调节作用，特别是针对特定对象而采取的规则控制。对汽包水位的稳定调节起到了至关重要的作用。在串级控制方案中采用两个单回路串联加前馈的形式，增加了系统的灵活性，提高了控制精度，简化了程序。低压转炉汽包水位前馈三冲量串级控制系统方框图如图6所示。
图6
低压转炉汽包水位控制方框图
2
、变PID参数的作用
采用单冲量或是前馈、串级三冲量来控制汽包水位是一种经典的控制理论，但照搬这一理论用在铜冶炼低压余热锅炉汽包水位控制上并没有取得理想的效果。表现为：若将PID参数用得稍强一点则系统出现频繁震荡，若将PID参数用得稍弱一点则有时又不能很好地控制水位。也就是说冶炼过程对汽包水位的扰动太大且不是一种固定的模式，因此不存在一组适应全过程的PID参数。
结合现场经验，经反复编程实现，最终采用变PID加规则的控制方式，
即在不同水位范围内．对PID回路使用不同的PID参数。特别是针对不同炉子的汽包使用不同的控制规则。收到理想的效果——水位稳定、调节阀动作次数减少，阀门使用寿命延长。
3、
摇炉期间低压转炉汽包的水位控制
转炉摇炉期间是转炉汽包水位控制的特殊时期。这段时期由于转炉停止吹炼，炉口摇离烟罩，导致沉尘室及烟道温度大幅度下降，从而使汽包水位急剧下降，蒸发量大幅度减小。
针对这一情况，本系统在摇炉期间对汽包给水采用物质平衡原理控制。即当摇炉信号到来时．让汽包的给水流量等于蒸汽流量，这一过程持续到摇炉信号消失且转炉进行正常吹炼为止。这样就保证了汽包水位在摇炉信号到来前与摇炉信号结束后一致。
4、
中压余热锅炉汽包水位的控制方案
采用以汽包蒸汽流量为前馈信号．汽包给水流量和汽包水位串级的前馈加串级反馈控制方案。并针对摇炉与不摇炉两种状况。设置不同的水位控制设定值，使汽包水位保持在设定范围之内。同时增加转炉和阳极炉吹炼或停吹的识别信号，在DCS接收到识别信号后，DCS控制程序设置延时2min。因为2min后的锅炉汽包水位是比较真实的水位，然后DCS再根据锅炉汽包真实水位进行水位控制。并结合现场仪表的情况及操作员的经验，对调节回路的输出进行限幅，使控制平稳、精确，满足工艺要求。
此方案运行后。由于转炉、阳极炉中压锅炉汽包直径相对于低压锅炉汽包直径较小，加之生产中所产生热量波动较大等因素，开始很难控制。后经多次与现场工艺人员讨论，并在控制方案中借鉴现场操作经验，加上了部分特殊规则控制用作调整，现在已能实现全程水位自动控制，控制效果良好。
六
、S7-200
6.1
SIMATIC
S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成
图7
系统基本构成
6.1.1
硬件
（1）基本单元
（2）扩展单元
（3）特殊功能模块
（4）相关设备
6.1.2
工业软件
工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。
1.
各CPU介绍及I/O系统
（1）主机外形
SIMATIC
S7-200系统CPU
22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图8所示：
设备连接
图8
CPU模块的外形
6.1.3模块连接形式
各模块在I/O链中的位置排列方式也可以有多种，图9所示为其中的一种模块连接形式。
图9
模块连接
七、总结
通过云铜冶炼加工厂的实习，了解艾萨炉配料控制、余热锅炉控制系统、铜冶炼、粗铜电解、熔炼、制酸和余热发电等流程，公司正在实施“创世界一流艾萨炉”、“以艾萨技术为中心。研发有自主知识产权和竞争力的核心技术”的战略．因此需要对现有系统进一步优化、完善。不断满足公司生产发展的需要，加快技术进步。
通过实习，了解了公司文化和自己所学的知识在工厂里的适用性和不足，这是知行统一的机会，了解控制系统设计、技术改良在工业中的用处，利用优化方法和先进设备解决生产中遇到的问题，达到节约资源、实现再生资源的利用，降低污染物排放，进一步发展循环经济的目标。
通过引进消化吸收再创新和自主创新，实现了技术进步和跨越，在节能、减排和提高资源综合利用率方面，将企业的技术优势、人才优势和产品优势与循环经济的节能、降耗、减排理念充分结合起来，使公司走上科技含量高、经济效益好、资源综合利用率高、能源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化之路。
我们进入厂要注意安全，要多了解设计的思想和控制参数，工艺模型等，尽量多和老师交流，探讨不懂。这样每次下来都会有更多的收获。
参考文献
[1]刘文灿，高庚．云铜艾萨熔炼工艺的自动控制系统，2003
[2]
SUPCONJX-300X集散控制系统使用手册．杭州：浙江中控技术有限公司．1999．
[3]WebFieldECS-100集散控制系统使用手册．杭州：浙江中控技术有限公司．2002．
[4]
何克忠，李伟．计算机控制系统．北京：清华大学出版社，1998．
[5]王常力，等．集散型控制系统的设计与应用．北京：清华大学出版社．
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