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序言1

0.1 BOBO随KOKO来到了培训基地2

0.1.1简单认识高级多功能过程控制实训系统SMPT-10002

0.1.2小锅的独白3

0.1.3小锅的问题4

0.2自动控制系统的基本组成6

0.2.1自动控制系统的基本概念：反馈8

0.2.2如果没有检测变送装置会怎么样9

0.3计算机控制系统11

0.4控制系统的过渡过程和质量指标14

0.4.1系统的静态和动态14

0.4.2控制系统的过渡过程15

0.4.3过渡过程的质量指标16

0.5比例积分微分控制——PID控制18

0.5.1比例作用——P18

0.5.2积分作用——I19

0.5.3微分作用——D19

0.5.4比例积分微分作用——PID20

0.5.5离散控制系统PID控制算式21

实验一 认识小锅23

1.1仔细来看看小锅的模样24

1.1.1小锅硬件组成24

1.1.2立体流程设备盘台的组成26

1.1.3装在小锅身上的东东：测量变送器与执行器27

1.2继续来了解小锅的内心33

1.3耳听为虚，眼见为实，运行SMPTLab35

1.3.1流程图窗口、趋势曲线窗口与控制器组态窗口36

1.3.2小锅支持的控制方式38

1.3.3控制器操作面板40

1.4总结45

1.4.1关键词45

1.4.2学习路线图45

实验二 储罐工艺操作与液位控制47

2.1实验目的48

2.2基础知识48

2.3 SMPT-1000非线性液位与离心泵系统48

2.3.1小锅介绍工艺流程48

2.3.2储罐的设备位号与仪表位号50

2.3.3流量与物位51

2.3.4储罐工艺操作52

2.3.5自衡过程与非自衡过程57

2.3.6流量自衡过程与液位非自衡过程58

2.4液位控制的目的62

2.5储罐液位单回路控制系统的设计62

2.5.1储罐液位控制的要求62

2.5.2选择操纵变量63

2.6实验步骤65

2.7总结72

2.7.1关键词72

2.7.2学习路线图72

实验三 储罐出口流量控制73

3.1实验目的74

3.2基础知识74

3.2.1被控变量/操纵变量的选择原则74

3.2.2气开阀与气闭阀75

3.2.3控制器正反作用的判定76

3.3流量控制的常见方法80

3.4储罐出口流量单回路控制系统的设计81

3.4.1认识储罐出口流量81

3.4.2确定控制器正反作用82

3.4.3控制规律选择83

3.5实验步骤83

3.6总结95

3.6.1关键词95

3.6.2学习路线图95

实验四 除氧器工艺操作与压力控制97

4.1实验目的98

4.2基础知识98

4.2.1小锅介绍SMPT-1000动力除氧系统工艺流程98

4.2.2什么是压力100

4.2.3除氧器热力除氧的基本原理101

4.2.4为什么要控制压力104

4.2.5 P、I调节的特点104

4.3除氧器压力单回路控制系统的设计105

4.3.1为什么控制除氧器压力105

4.3.2确定控制器正反作用106

4.3.3控制规律选择106

4.4实验步骤107

4.5总结112

4.5.1关键词112

4.5.2学习路线图113

实验五 除氧器液位、流量与压力综合控制115

5.1实验目的116

5.2基础知识116

5.3除氧器工程控制系统设计116

5.3.1选取被控变量116

5.3.2控制方案设计117

5.4除氧器工程组态119

5.5总结124

5.5.1关键词124

5.5.2学习路线图124

实验六 换热器热流出口温度控制125

6.1实验目的126

6.2基础知识126

6.2.1温度与温标126

6.2.2认识换热器126

6.2.3小锅介绍SMPT-1000高阶换热系统工艺流程127

6.2.4冷态开车128

6.2.5温度自衡过程130

6.2.6为什么要控制温度133

6.2.7传热设备的控制要求133

6.3换热器热流出口温度单回路控制系统的设计136

6.4实验步骤137

6.5经验整定法小结143

6.6 PID控制器参数的工程整定法144

6.6.1临界比例度法（Ziegler-Nichols方法）144

6.6.2衰减振荡法148

6.7总结152

6.7.1控制规律选择的一般原则152

6.7.2被控对象特性152

6.7.3关键词152

6.7.4学习路线图153

实验七 锅炉烟气含氧量控制155

7.1实验目的156

7.2基础知识156

7.2.1控制规律的选择156

7.2.2 PID控制器参数整定方法156

7.2.3质量指标控制157

7.3烟气含氧量单回路控制系统的设计157

7.3.1 SMPT-1000锅炉燃烧系统简介158

7.3.2认识烟气含氧量159

7.3.3烟气含氧量控制方案160

7.3.4确定控制器正反作用162

7.3.5控制规律选择162

7.4实验步骤162

7.4.1使用S1101控制AI 1101162

7.4.2使用DO1101控制AI1101166

7.5总结168

7.5.1 PID控制器参数整定方法168

7.5.2关键词168

7.5.3学习路线图169

实验八 锅炉过热蒸汽出口压力串级控制171

8.1实验目的172

8.2基础知识172

8.2.1串级控制系统方块图172

8.2.2串级控制系统组成173

8.2.3串级控制系统主/副控制器正反作用的确定173

8.3认识实验175

8.3.1认识过热蒸汽出口压力175

8.3.2过热蒸汽出口压力自衡过程176

8.3.3过热蒸汽出口压力单回路控制系统设计177

8.3.4过热蒸汽出口压力单回路控制系统实验178

8.4过热蒸汽出口压力-燃料流量串级控制系统设计181

8.4.1确定控制器正反作用181

8.4.2控制规律选择182

8.5串级控制系统控制器参数整定184

8.6过热蒸汽出口压力-燃料流量串级控制系统实验184

8.7总结193

8.7.1串级控制系统的方块图193

8.7.2串级控制系统副被控变量的选择193

8.7.3串级控制系统中主、副控制器控制规律的选择193

8.7.4串级控制系统中主、副控制器正反作用的选择193

8.7.5串级控制系统的投运194

8.7.6串级控制系统的两步整定法194

8.7.7串级控制系统与单回路控制系统的比较194

8.7.8关键词196

8.7.9学习路线图196

实验九 亲自动手——储罐液位串级控制197

9.1实验目的198

9.2基础知识198

9.3储罐液位-入口流量串级控制系统设计198

9.3.1控制规律选择199

9.3.2确定控制器正反作用199

9.4实验步骤200

9.5总结204

9.5.1串级控制系统中主/副控制器选择正反作用/控制规律204

9.5.2关键词205

9.5.3学习路线图205

实验十 锅炉汽包水位前馈-反馈控制207

10.1实验目的208

10.2基础知识208

10.2.1 SMPT-1000锅炉上水过程简介208

10.2.2小锅介绍汽包水位209

10.3汽包水位单冲量控制系统210

10.3.1控制系统设计210

10.3.2单冲量控制系统实验211

10.3.3汽包水位控制的任务213

10.3.4单冲量控制系统的不足214

10.4前馈控制系统215

10.4.1前馈控制216

10.4.2前馈控制的特点217

10.4.3前馈控制的缺点218

10.4.4前馈控制的分类218

10.5汽包水位双冲量控制系统219

10.6前馈-反馈控制系统222

10.7（前馈-反馈控制系统）前馈控制器参数整定223

10.7.1开环整定法223

10.7.2闭环整定法223

10.7.3在反馈系统下整定Kf的方法223

10.8前馈-反馈控制系统（双冲量控制系统）实验224

10.9总结234

10.9.1前馈控制系统设计时需要注意的地方234

10.9.2关键词236

10.9.3学习路线图237

实验十一 锅炉汽包水位前馈-串级控制239

11.1实验目的240

11.2基础知识240

11.2.1汽包水位控制的任务240

11.2.2串级控制系统控制器参数的一步整定法240

11.3汽包水位三冲量控制系统241

11.4前馈-串级控制系统243

11.5前馈-串级控制系统（三冲量控制系统）实验246

11.6总结250

11.6.1什么情况下采用前馈控制250

11.6.2前馈控制与反馈控制的比较251

11.6.3关键词252

11.6.4学习路线图252

实验十二 储罐液位-出口流量均匀控制253

12.1实验目的254

12.2基础知识254

12.2.1均匀控制系统的特点254

12.2.2均匀控制系统的常用结构形式255

12.2.3均匀控制规律的选择256

12.3储罐液位-储罐出口流量均匀控制系统设计257

12.3.1认识储罐液位-出口流量均匀控制系统257

12.3.2确定控制器正反作用257

12.3.3控制规律选择257

12.4实验步骤257

12.5总结261

12.5.1均匀控制的结构形式261

12.5.2均匀控制的控制规律选择261

12.5.3均匀控制器参数的整定原则261

12.5.4简单均匀控制系统与单回路控制系统的比较261

12.5.5关键词261

12.5.6学习路线图262

实验十三 锅炉燃料-风量比值控制263

13.1实验目的264

13.2基础知识264

13.2.1小锅介绍燃烧过程264

13.2.2如何确保燃烧效率266

13.3比值控制系统267

13.3.1比值控制系统定义267

13.3.2比值与比值系数267

13.4开环定比值控制系统269

13.4.1开环定比值控制系统结构269

13.4.2亲自动手做——开环定比值控制系统269

13.5闭环定比值控制系统273

13.5.1单闭环比值控制系统274

13.5.2双闭环比值控制系统275

13.6比值控制系统实施方案276

13.6.1相乘方案与相除方案276

13.6.2基于相乘方案的双闭环比值控制系统的控制器参数整定277

13.6.3随动控制系统的控制器参数整定277

13.7 Let’s Go——把开环比值控制系统改成双闭环比值控制系统278

13.7.1准备工作278

13.7.2实验步骤278

13.8为什么要变比值285

13.9总结288

13.9.1如何选择主动量与从动量288

13.9.2比值控制系统典型结构289

13.9.3比值控制系统参数整定291

13.9.4关键词292

13.9.5学习路线图292

实验十四 锅炉燃料压力选择控制293

14.1实验目的294

14.2基础知识294

14.2.1锅炉安全保护系统294

14.2.2选择控制的定义295

14.2.3选择控制的类型295

14.2.4选择控制的条件297

14.3燃料压力选择控制系统设计298

14.3.1选择控制系统结构298

14.3.2确定控制器正反作用299

14.3.3控制规律选择299

14.4燃料压力选择控制系统实验300

14.5总结304

14.5.1关键词304

14.5.2学习路线图304

实验十五 锅炉过热蒸汽出口温度分程控制305

15.1实验目的306

15.2基础知识306

15.2.1阀门定位器307

15.2.2分程控制系统的定义307

15.2.3分程控制系统的实现309

15.2.4分程控制系统的目的309

15.2.5分程控制系统的应用场合309

15.2.6分程控制系统的方块图310

15.2.7分程控制系统阀门开、闭形式的判定310

15.3过热蒸汽出口温度分程控制系统设计311

15.3.1为什么要分程控制311

15.3.2确定控制器正反作用312

15.3.3控制规律选择312

15.4实验步骤313

15.5总结316

15.5.1关键词316

15.5.2学习路线图316

实验十六 锅炉控制系统的投运和整定317

16.1实验目的318

16.2小锅介绍SMPT-1000锅炉工艺流程318

16.3通道特性测试329

16.3.1过程变量的分类329

16.3.2通道的基本概念329

16.3.3实验步骤330

16.4锅炉工程投运334

16.4.1准备工作334

16.4.2控制系统投运337

16.5总结340

16.5.1关键词340

16.5.2学习路线图341

实验十七 蒸发器控制系统的投运和整定343

17.1实验目的344

17.2基础知识344

17.3小锅介绍SMPT-1000蒸发器工艺流程345

17.4冷态开车346

17.5蒸发器工程控制系统设计350

17.5.1选取被控变量350

17.5.2控制方案设计350

17.6蒸发器工程352

17.6.1组态工作353

17.6.2蒸发器液位-稀液流量串级控制356

17.6.3蒸发器温度-过热蒸汽流量串级控制357

17.6.4浓缩液流量单回路控制358

17.7蒸发器冷态开车（带控制系统）360

17.8总结361

17.8.1传热设备的类型361

17.8.2关键词361

17.8.3学习路线图362

实验十八 认识小P363

18.1一起去看小P364

18.2 BOBO随KOKO来到了控制室366

18.3小P的独白372

18.3.1 PCS7整体结构372

18.3.2过程控制级组成设备373

18.3.3现场控制级组成设备373

18.3.4认识PCS7的典型组成部件——CPU模块376

18.3.5认识PCS7的典型组成部件——I/O模块、接口模块377

18.3.6小P的应用程序379

18.4 DCS的硬件体系结构与功能380

18.4.1过程控制装置381

18.4.2操作管理装置381

18.5 DCS的软件体系382

18.6 DCS组态382

18.7总结385

18.7.1关键词385

18.7.2学习路线图385

实验十九 PCS7的数据采集与输出387

19.1实验目的388

19.2基础知识388

19.2.1过程输入输出通道388

19.2.2 DCS I/O设备典型结构389

19.3 I/O通道与现场设备的接线390

19.3.1模拟量输入（AI）设备的端子接线390

19.3.2模拟量输出（AO）设备的端子接线393

19.3.3开关量输入（DI）设备的端子接线395

19.3.4开关量输出（DO）设备的端子接线395

19.3.5西门子典型I/O卡件与现场设备的接线395

19.4现场操作第一步：接线——小锅与小P手牵手398

19.4.1 SMPT-1000端子排398

19.4.2定义SMPT-1000模拟量I/O数据401

19.4.3实验步骤403

19.5现场操作第二步：DCS硬件组态——小锅与小P需要交流405

19.6现场操作第三步：通信测试——小锅与小P真的能交流了435

19.7 DCS I/O卡件信号测试438

19.7.1 AI信号测试438

19.7.2 AO信号测试439

19.7.3 DI信号测试440

19.7.4 DO信号测试440

19.8总结440

19.8.1通过指示灯识别ET200M通信状态440

19.8.2集散控制系统SIMATICPCS7的运用441

19.8.3关键词442

19.8.4学习路线图442

实验二十 PCS7的PROFIBUS DP总线通信443

20.1实验目的444

20.2基础知识444

20.2.1现场总线（Field Bus）444

20.2.2过程现场总线——PROFIBUS445

20.2.3 PROFIBUS DP网络的典型结构445

20.2.4 PROFIBUS DP的物理实现447

20.2.5 PROFIBUS DP协议结构449

20.2.6报文450

20.2.7寻址DP从站450

20.3小锅也能当DP从站453

20.4总结472

20.4.1集散控制系统SIMATICPCS7的运用472

20.4.2关键词473

20.4.3学习路线图473

实验二十一 基于PCS7的换热器热流出口温度控制475

21.1实验目的476

21.2基础知识477

21.3 CFC组态478

21.4 OS组态498

21.4.1 OS组态前的准备工作499

21.4.2编译OS502

21.4.3认识WinCC项目管理器503

21.4.4认识图形设计器505

21.4.5创建过程画面506

21.4.6创建趋势画面507

21.5 OS过程模式511

21.5.1过程模式下的用户界面511

21.5.2单回路控制系统的投运以及PID参数整定514

21.6总结518

21.6.1集散控制系统SIMATIC PCS7的运用518

21.6.2关键词518

21.6.3 DCS组态步骤519

21.6.4学习路线图519

实验二十二 基于PCS7的锅炉过热蒸汽出口压力串级-比值控制521

22.1实验目的522

22.2基础知识523

22.3实验步骤525

22.4总结536

22.4.1关键词536

22.4.2学习路线图537

实验二十三 基于PCS7的蒸发器开车顺序控制539

23.1实验目的540

23.2基础知识540

23.2.1顺序流程分析540

23.2.2蒸发器开车顺控过程分析541

23.3顺序功能图SFC542

23.4实验步骤552

23.5总结560

23.5.1关键词560

23.5.2学习路线图561

实验二十四 安全仪表系统563

24.1实验目的564

24.2基础知识564

24.2.1安全仪表系统564

24.2.2安全完整性等级（SIL）565

24.2.3必要的风险降低567

24.2.4 SIS安全生命周期568

24.3运用各种科学方法进行SIS设计571

24.3.1使用风险矩阵确定允许的风险572

24.3.2使用危险与可操作性分析（HAZOP）确定过程存在的风险574

24.3.3分析已经存在的其他防护层减少的风险575

24.3.4判断剩余风险是否可以接受，确定需要增加的SIS的SIL578

24.3.5计算选用的安全仪表系统的SIL是否符合需求580

24.3.6根据仪表冗余结构进行仪表选型592

24.4总结599

24.4.1关键词599

24.4.2学习路线图599

实验二十五 基于PCS7的锅炉综合控制601

25.1实验目的602

25.2基础知识602

25.2.1自动化工程的目的、任务和内容602

25.2.2工作流程603

25.3控制系统设计604

25.3.1对象特性分析604

25.3.2确定控制方案604

25.4控制系统实施606

25.4.1控制方案组态606

25.4.2 OS组态614

25.5控制系统运行616

25.5.1控制器参数整定618

25.5.2正常运行620

25.6总结621

25.6.1关键词621

25.6.2学习路线图621

附录一 SMPT-1000的软件操作623

A.1主工具栏上的按钮623

A.2流程图窗口、趋势曲线窗口与控制组态窗口624

A.3双效阀的特性选择626

A.4小锅支持的控制方式629

A.5控制模块库630

A.6单回路控制系统组态步骤630

A.7控制器操作面板635

A.8在趋势曲线画面添加曲线635

A.9趋势曲线窗口操作637

A.10结束实验643

附录二 PFD与P&ID的基本知识645

B.1工艺流程图（PFD）645

B.2小锅的管道仪表流程图（P&ID）646

参考文献655