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SB-GK01A高級過(guò)程控制實(shí)訓系統（含DCS控制）
一、高級過(guò)程控制實(shí)訓系統簡(jiǎn)要描述
整套系統分為：上位控制層系統，實(shí)驗對象層，檢測傳感、變送、執行設備，上位控制軟件四部分。系統特點(diǎn):整套系統安放在可移動(dòng)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：
①、智能儀表控制模塊；
②、PLC控制系統；
③DDC控制系統。
2、實(shí)驗對象層系統：
控制對象：由鋁合金框架安裝、外置不銹鋼儲水箱、有機玻璃三容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器、鋁塑復合管路、不銹鋼等組成。
1.標準鋁型材安裝框架：標準PVC鋁塑管安裝有機玻璃三容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器。安裝底板鋪設間隔鋁合金可安裝檢測傳感執行裝置、管路等。
2.實(shí)驗臺桌：實(shí)驗臺桌上安放控制對象;
3.外置不銹鋼儲水箱及水泵安裝在帶可移動(dòng)腳輪的框架上（由鋁合金框架制作的），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相連便可實(shí)驗。
4.有機玻璃三容串接水箱：
①有機玻璃雙容串接水箱：由進(jìn)口有機玻璃制作，上水箱、中水箱、下水箱、上中下水箱三容串接安裝，每個(gè)水箱帶溢流管及下排水管及閥門(mén)，壓力液位傳感器接口
5、帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐容器：內膽Φ100×500（通動(dòng)態(tài)被加熱水），帶單相1.5KW電加熱管，夾套Φ150×400，內膽安裝Pt100溫度傳感器。
²系統動(dòng)力：功率可調的不銹鋼循環(huán)水泵:可組成不銹鋼泵＋電動(dòng)調節閥＋渦輪流量計的動(dòng)力流量調節系統，也可組成不銹鋼泵＋變頻器＋渦輪流量計的動(dòng)力流量調節系統。單相可控硅移相調壓裝置、單相電加熱管組成鍋爐加熱動(dòng)力系統。
²檢測傳感器、執行機構：
²流量傳感器：渦輪流量計＋流量變送儀。
²液位傳感器：擴散硅液位傳感器三個(gè)，分別用于檢測上中下三個(gè)水箱的液位。另外加熱鍋爐容器上還加一個(gè)擴散硅壓力傳感器，做恒壓供水實(shí)驗時(shí)檢測容器壓力。
²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膽溫度。
²壓力傳感器：擴散硅壓力傳感器一個(gè)。用于檢測加熱鍋爐容器壓力實(shí)驗時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力。
²變頻調速器：三菱變頻調速器一個(gè)。用于調節變頻動(dòng)力支路的供水壓力及流量。
²電機運動(dòng)控制模塊：主控：TMS320F28335。外擴：RAM512*16位，Flash512K*16位，使用撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現模式選擇。功率板：采用集成IPM模塊，可外接剎車(chē)電阻，母線(xiàn)電容充電緩沖電路、母線(xiàn)電壓檢測電路，相電流檢測電路，動(dòng)力電源位AC220V供電，功率3KW�？刂瓢澹阂壕敛捎�4.3寸串口屏 ，5個(gè)獨立按鍵按鍵（分別為RUN、STOP、REST、UP、DOW）。通信接口：RS232、RS485（異步串口不夠時(shí)可將RS232、RS485采用同一個(gè)串口使用短路帽進(jìn)行短路條線(xiàn)）、CAN、以太網(wǎng)口（SPI接口，設計W5500模塊模塊接口使用現有的成品模塊）；CAN、RS232、RS485為隔離通信接口與TMS320F28335無(wú)直接電氣連接。串口感器接口：霍爾信號接口及差分編碼器接口統一使用DB15連接。模擬量輸出：不使用到的PWM用于RC濾波運放跟隨實(shí)現DAC輸出。模擬量輸入：芯片內部不使用的ADC接口用于外部模擬量輸入，接口為0~10V輸入。開(kāi)關(guān)量輸出：2組，分別用于報警信號輸出、準備完成信號輸出。開(kāi)關(guān)量輸入：開(kāi)關(guān)量輸入3組。EEPROM存儲：有剩余IO可考慮設計24C02存儲器。測試點(diǎn)：預留環(huán)形測試點(diǎn)測試PWM信號、ADC信號、DAC信號、電源。本地控制：本地串口屏顯示參數電壓、電流、設定值、實(shí)時(shí)值，本地按鍵操作。遠程控制：遠程采用RS485或RS232接口使用FreeModbus-RTU協(xié)議實(shí)現與遠程工控屏的串口通信，顯示電壓、電流、設定值、實(shí)時(shí)值，在遠程觸摸屏上可進(jìn)行控制實(shí)現5個(gè)獨立按鍵的功能。
²電動(dòng)調節閥：全不銹鋼電動(dòng)調節閥一個(gè)。用于調節電動(dòng)調節閥動(dòng)力支路的供水壓力及流量。
二、上位過(guò)程控制系統
上位控制操作/實(shí)驗面板：鋁面板噴塑結構。
強電控制面板：裝有漏電保護空氣開(kāi)關(guān)、電流型漏電保護器，充分考慮人身安全保護；配置帶鑰匙的電源啟動(dòng)控制回路和多組保險絲，同時(shí)每一組強電輸出都有旋鈕開(kāi)關(guān)控制，保證設備安全，操作控制便捷；裝有分相電壓表、指示燈，直觀(guān)，強電信息一目了然；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移到信號接線(xiàn)板上，提供AI、AO、DO等傳感器檢測及執行器控制信號接口，便于學(xué)生自己連線(xiàn)組成不同的控制系統。實(shí)驗者通過(guò)安全型接插式導線(xiàn)將實(shí)驗板與信號板之間進(jìn)行不同的配線(xiàn)，以完成過(guò)程控制各類(lèi)實(shí)驗。
三、上位過(guò)程控制系統基型配置：
1）S7-1200PLC控制系統
隨著(zhù)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控制系統主機選用西門(mén)子的1200系列，主要展示小型（Micro）PLC在滿(mǎn)足小規模的控制任務(wù)中的完美表現，為培養工程化人才提供更多更強的實(shí)驗平臺。
2）智能儀表控制系統
儀表控制系統核心為帶通信功能的各種儀表，儀表內集成了各種算法，根據現場(chǎng)情況整定儀表控制算法的各種參數，達到控制效果。同時(shí)帶通訊功能的儀表與上位計算機的軟件平臺通訊。儀表各種參數和過(guò)程值進(jìn)入軟件平臺（一般為工控組態(tài)軟件）的數據庫，再加上組態(tài)的流程畫(huà)面和操作界面，可以方便在上位計算機整定參數，對過(guò)程值進(jìn)行記錄分析。
3）DDC控制系統
DDC控制系統一般有兩種形式，一種采用外部數據采集模塊的形式，其核心為帶RS485通訊的數據采集模塊和計算機算法軟件；另一種采用工控機和ISA或PCI插槽的數據采集板卡。外部數據采集模塊由于安裝方便，同時(shí)就地安裝時(shí)采用通訊方式向計算機送數據不存在信號衰減，因此本產(chǎn)品采用第一種方式的應用。用戶(hù)可根據自己學(xué)校的實(shí)際情況選用第二種方式的應用（例如研華A/D、D/A、采樣板卡）。
在控制臺直接裝有數據采集模塊，同時(shí)利用工控軟件MCGS中強大的算法組態(tài)功能，便捷的組建一個(gè)帶人機界面的DDC控制系統。在DDC系統中提供開(kāi)放的算法軟件供實(shí)驗和算法編程參考，方便實(shí)驗教學(xué)和工程人才培養。
四、過(guò)程控制實(shí)驗裝置配置清單
表1 ：過(guò)程控制實(shí)驗對象（一套）
|
序號 |
名 稱(chēng) |
功 能 |
規格型號 |
材質(zhì) |
產(chǎn)地 |
數量 |
|
1 |
標準實(shí)驗臺桌 |
標準鋁合金實(shí)驗臺桌上安放控制對象 |
|
鋁合金 |
杭州 |
1套 |
|
2 |
標準框架及標準安裝底板 |
標準框架安裝有機玻璃三容串接水箱、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、檢測傳感執行裝置、管路等。 |
鋁合金 |
杭州 |
1套 |
|
|
3 |
電加熱常壓鍋爐壓力容器 |
由不銹鋼內膽加溫筒（帶220V 1.25KW進(jìn)口不銹鋼電加熱管）和封閉式帶保溫不銹鋼夾套組成 |
|
封閉式帶保溫不銹鋼夾套（1.5mm304 不銹鋼） 不銹鋼內膽加溫筒(1.5mm304不銹鋼) |
杭州
|
1 |
|
4 |
水箱 |
儲水箱（由1.5mm厚不銹鋼鏡面板制作）可移動(dòng) |
|
不銹鋼（2個(gè)通道） |
杭州
|
1 |
|
有機玻璃上小水箱 |
|
底板20mm進(jìn)口有機玻璃板 側板8 mm進(jìn)口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺； |
杭州
|
1 |
||
|
有機玻璃中小水箱 |
|
底板20mm進(jìn)口有機玻璃板 側板8 mm進(jìn)口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺； |
杭州
|
1 |
||
|
有機玻璃下小水箱 |
|
底板20mm進(jìn)口有機玻璃板 側板8 mm進(jìn)口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺 |
杭州
|
1 |
||
|
5 |
水泵 |
低噪不銹鋼靜音泵 |
揚程15米 |
功率0.37KW，揚程15米,最大流量0.80-0.85立方米每小時(shí) |
上海 |
2 |
|
6 |
溫度傳感器 |
Pt100熱電阻 |
熱電阻 |
Pt100 |
上海 |
4個(gè) |
|
7 |
溫度變送器 |
Pt100熱電阻標準信號轉換 |
輸出4-20mA標準信號 |
|
上海 |
4個(gè) |
|
8 |
壓力液位傳感器 |
擴散硅壓力/液位變送器 |
4-20mA標準信號輸出，0.5級測量精度 |
金屬防水外殼 |
上海 |
3個(gè) |
|
9 |
渦輪流量計及變送器 |
額定流量0.28-0.30T/h |
4-20mA標準信號輸出；測量精度±1.0％ |
金屬防水外殼 |
上海 |
2個(gè) |
|
10 |
電動(dòng)調節閥 |
額定流量為0.28-0.30立方米每小時(shí) |
4-20mA信號輸入 |
帶不銹鋼法蘭 |
上海 |
1 |
|
11 |
電磁閥 |
使用壓力范圍為0-7㎏/㎝3 |
工作溫度為-5--80℃ |
常閉 |
上海 |
1 |
|
12 |
電加熱控制器 |
可控硅移相調壓裝置 |
輸入4-20mA |
可控硅 |
杭州 |
1個(gè) |
|
13 |
換熱器（純滯后盤(pán)管） |
純滯后盤(pán)管盤(pán)長(cháng)20m，上有三個(gè)測溫點(diǎn)，純滯后時(shí)間常數可變 |
溫度對象 |
不銹鋼 |
杭州 |
1 |
表2：智能儀表控制實(shí)驗臺硬件配置表
|
序號 |
硬件型號 |
型號 |
產(chǎn)地 |
數量 |
|
1 |
實(shí)驗控制柜 |
ZXGKT-01 |
杭州 |
1 |
|
2 |
電腦桌 |
ZXPJ-02 |
杭州 |
1 |
|
3 |
強電控制面板 |
鈑金噴塑 |
杭州 |
1 |
|
4 |
I/O信號接口控制面板 |
鈑金噴塑 |
杭州 |
1 |
|
5 |
RS232/485轉換器 |
通訊轉換器 |
武漢瑞普 |
1 |
|
6 |
變頻調速器 |
0.37KW |
西門(mén)子 |
1 |
|
7 |
AI智能調節儀（自帶Rs485通訊接口） |
AI818\AI708 |
廈門(mén)宇電或者萬(wàn)訊 |
3 |
|
8 |
開(kāi)關(guān)電源 |
24V/3A |
臺灣明緯 |
1 |
|
9 |
鍋爐防干燒保護器 |
|
|
1 |
|
10 |
自鎖緊接頭插座及連接導線(xiàn) |
|
|
1 |
表3 ： DDC上位控制系統硬件配置表
|
序號 |
硬件名稱(chēng) |
硬件型號 |
產(chǎn)地 |
數量 |
|
1 |
8路A/D ICP-7017 |
數據采集模塊 |
臺灣弘格 |
1 |
|
2 |
4路D/A ICP-7024 |
數據采集模塊 |
臺灣弘格 |
1 |
|
3 |
RS232/485轉換器 |
通訊轉換器 |
臺灣弘格 |
1 |
表4：西門(mén)子S1200-PLC上位控制系統硬件配置表
|
序號 |
硬件名稱(chēng) |
硬件型號 |
產(chǎn)地 |
數量 |
|
1 |
控制器 |
1211C |
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(chēng) |
型號 |
品牌 |
數量 |
|
1 |
MCGS工控組態(tài)軟件網(wǎng)絡(luò )版7.6 |
MCGS |
昆侖通態(tài) |
1套 |
|
2 |
西門(mén)子博圖PLC編程軟件 |
V15 |
西門(mén)子 |
1套 |
|
3 |
智能儀表控制實(shí)驗軟件 |
|
|
1套 |
|
4 |
DDC控制系統實(shí)驗軟件 |
|
集智成 |
1套 |
五、DCS控制系統
DCS控制系統功能及組成
系統結構圖
DCS控制系統控制柜
標準電器控制柜：高x寬x深：1900x600x600mm，內安裝漏電保護空氣開(kāi)關(guān)、電流型漏電保護器充分考慮人身安全保護；配置帶鑰匙的電源啟動(dòng)控制回路和多組保險絲，同時(shí)每一組強電輸出都有旋鈕開(kāi)，關(guān)控制，保證設備安全，操作便捷；裝有分相電壓表、指示燈，開(kāi)關(guān)電源等。
DP遠程I/O單元
遠程I/O單元，通過(guò)線(xiàn)纜同控制對象上的檢測、傳感、執行裝置相連。獲取底層對象檢測傳感信號，執行控制執行信號。
現場(chǎng)主控單元：
1）、工程師站下裝的組態(tài)控制程序在現場(chǎng)主控單元運行。
2）、現場(chǎng)主控單元內裝通訊卡，通過(guò)同總線(xiàn)遠程I/O單元通訊并獲取底層對象檢測傳感信號，發(fā)出控制執行信號。
3）、現場(chǎng)主控單元內裝以太網(wǎng)卡。同上位服務(wù)器計算機通訊、接受運行工程師站下裝的組態(tài)控制程序，同時(shí)現場(chǎng)主控單元向上位服務(wù)器發(fā)送上位監控計算機所需的控制信息。
工程師/操作員站：
主要作用：
1）、先期的控制組態(tài)程序在其上進(jìn)行，組態(tài)編譯完畢的控制程序通過(guò)服務(wù)器向下位主控單元下裝。
2）、人機界面監控程序在上位工程師/操作站運行。
DCS工控平臺系統軟件及DCS控制實(shí)驗軟件
系統配置工程師站軟件/控制器運行軟件及操作員站監控組態(tài)軟件軟件：硬件設備組態(tài)軟件、數據庫組態(tài)軟件、控制組態(tài)軟件、圖形組態(tài)軟件、算法組態(tài)軟件。
根據用戶(hù)要求完成現場(chǎng)設計安裝，完成系統與用戶(hù)已有的控制對象的連接、調試，在DCS工控平臺系統軟件基礎上，我們根據學(xué)校的要求開(kāi)發(fā)響應的實(shí)驗控制軟件，從而組成一個(gè)完整的DCS過(guò)程控制系統。
DCS集散上位控制系統配置
1、現場(chǎng)控制站硬件:
|
序號 |
硬件型號 |
硬件名稱(chēng) |
數量 |
|
1 |
DCS控制柜 |
帶玻璃透明門(mén)的標準電器控制柜：長(cháng)x寬x深：1800x600x600mm，內安裝漏電保護空氣開(kāi)關(guān)、電流型漏電保護器充分考慮人身安全保護裝有分相電壓表、指示燈，開(kāi)關(guān)電源等。 |
1 |
|
2 |
主控單元 |
MCU主控單元 |
1 |
|
3 |
8路A/D |
遠程I/O模塊 |
1 |
|
4 |
8路D/A |
遠程I/O模塊 |
1 |
|
5 |
16路D/O |
遠程I/O繼電器輸出模塊 |
1 |
|
6 |
16路D/I |
遠程I/O模塊 |
1 |
|
7 |
終端匹配器 |
終端匹配器 |
1 |
|
8 |
普通端子底座 |
普通端子底座 |
4 |
|
9 |
FM801 |
現場(chǎng)主控單元 |
1 |
|
10 |
通訊電纜 |
通訊電纜 |
1 |
|
11 |
電源 |
24V 3A |
1 |
|
12 |
接線(xiàn)端子 |
|
1 |
|
13 |
數字量輸出隔離繼電器 |
DC24V |
1 |
|
14 |
模擬量輸入、輸出隔離接線(xiàn)板 |
|
2 |
3、配置軟件清單
|
序號 |
名 稱(chēng) |
數量 |
|
1 |
監控組態(tài)軟件 |
1 |
|
2 |
DCS 系統控制范例實(shí)驗軟件 |
1 |
五、過(guò)程控制系統實(shí)驗項目
1、實(shí)驗項目：
過(guò)程控制系統的組成認識實(shí)驗：
（1）過(guò)程控制及檢測裝置硬件結構組成的認識，控制方案的組成及控制系統連接實(shí)驗。
（2）智能調節儀表、智能變送儀表等各種智能儀表的操作及參數設定。
（3）傳感器的校正（零點(diǎn)遷移與量程調整）
對象特性測試實(shí)驗
l 單容水箱液位數學(xué)模型的測試實(shí)驗
l 雙容水箱液位數學(xué)模型的測試實(shí)驗
l 鍋爐內膽水溫特性測試實(shí)驗
單回路控制系統實(shí)驗
l 單容水箱液位定值控制實(shí)驗
l 雙容水箱液位定值控制實(shí)驗
l 鍋爐內膽水溫定值控制實(shí)驗
l 單閉環(huán)流量定值控制實(shí)驗
l 鍋爐內膽壓力定值控制實(shí)驗
串級控制系統實(shí)驗
l 水箱液位串級控制實(shí)驗
l 鍋爐內膽水溫與循環(huán)水流量串級控制實(shí)驗
l 水箱液位與進(jìn)水口流量串級控制實(shí)驗
比值控制系統實(shí)驗
l 流量比值控制系統實(shí)驗
變頻恒壓供水實(shí)驗
純滯后實(shí)驗
溫度的滯后控制實(shí)驗
流量純滯后控制實(shí)驗
工控制組態(tài)軟件組態(tài)控制實(shí)驗
l 所有實(shí)驗均包括數據庫組態(tài)、圖形動(dòng)畫(huà)、報表、曲線(xiàn)、報警組態(tài)、設備通訊組態(tài)、算法組態(tài)等實(shí)驗
2、DCS系統部分實(shí)驗
單容水箱液位數學(xué)模型特性測試實(shí)驗
雙容水箱液位數學(xué)模型特性測試實(shí)驗
單容液位定值控制實(shí)驗
雙容液位定值控制實(shí)驗
三容液位定值控制實(shí)驗
鍋爐內膽水溫定值控制實(shí)驗
鍋爐夾套水溫定值控制實(shí)驗
單閉環(huán)流量定值控制實(shí)驗
鍋爐內膽水溫位式控制實(shí)驗
水箱液位串級控制實(shí)驗
三閉環(huán)液位串級控制實(shí)驗
鍋爐夾套與內膽水溫串級控制實(shí)驗
水箱液位與進(jìn)水口流量串級控制實(shí)驗
單（雙）閉環(huán)流量比值控制實(shí)驗
下水箱液位前饋-反饋控制實(shí)驗
鍋爐內膽水溫前饋-反饋控制實(shí)驗
溫度的滯后控制實(shí)驗
流量純滯后控制實(shí)驗
鍋爐夾套與內膽水溫解耦控制實(shí)驗
上水箱液位與出口水溫解耦控制實(shí)驗
六、實(shí)驗室軟硬件管理系統
管道圖
