TWB-CK04高級(jí)過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)（含DCS控制）

一、系統(tǒng)簡(jiǎn)要描述

整套系統(tǒng)分為：上位控制層系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象層，檢測(cè)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(dòng)的試驗(yàn)臺(tái)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(duì)象層系統(tǒng)：

控制對(duì)象：由鋁合金框架安裝、外置不銹鋼儲(chǔ)水箱、有機(jī)玻璃三容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器、鋁塑復(fù)合管路、不銹鋼等組成。

1.標(biāo)準(zhǔn)鋁型材安裝框架：標(biāo)準(zhǔn)PVC鋁塑管安裝有機(jī)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(shè)間隔鋁合金可安裝檢測(cè)傳感執(zhí)行裝置、管路等。

2.實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌：實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌上安放控制對(duì)象;

3.外置不銹鋼儲(chǔ)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(duì)象管路系統(tǒng)相連便可實(shí)驗(yàn)。

4.有機(jī)玻璃三容串接水箱：

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、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，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(nèi)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(nèi)膽安裝Pt100溫度傳感器。

系統(tǒng)動(dòng)力：功率可調(diào)的不銹鋼循環(huán)水泵:可組成不銹鋼泵＋電動(dòng)調(diào)節(jié)閥＋渦輪流量計(jì)的動(dòng)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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)。

檢測(cè)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)散硅液位傳感器三個(gè)，分別用于檢測(cè)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(kuò)散硅壓力傳感器，做恒壓供水實(shí)驗(yàn)時(shí)檢測(cè)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(cè)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(cè)加熱鍋爐容器壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)的動(dòng)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(dòng)力支路的供水壓力及流量。

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電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊：主控：TMS320F28335。外擴(kuò)：RAM512*16位，F(xiàn)lash512K*16位，使用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)模式選擇。功率板：采用集成IPM模塊，可外接剎車電阻，母線電容充電緩沖電路、母線電壓檢測(cè)電路，相電流檢測(cè)電路，動(dòng)力電源位AC220V供電，功率3KW。控制板：液晶屏采用4.3寸串口屏 ，5個(gè)獨(dú)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）、CAN、以太網(wǎng)口（SPI接口，設(shè)計(jì)W5500模塊模塊接口使用現(xiàn)有的成品模塊）；CAN、RS232、RS485為隔離通信接口與TMS320F28335無直接電氣連接。串口感器接口：霍爾信號(hào)接口及差分編碼器接口統(tǒng)一使用DB15連接。模擬量輸出：不使用到的PWM用于RC濾波運(yùn)放跟隨實(shí)現(xiàn)DAC輸出。模擬量輸入：芯片內(nèi)部不使用的ADC接口用于外部模擬量輸入，接口為0~10V輸入。開關(guān)量輸出：2組，分別用于報(bào)警信號(hào)輸出、準(zhǔn)備完成信號(hào)輸出。開關(guān)量輸入：開關(guān)量輸入3組。EEPROM存儲(chǔ)：有剩余IO可考慮設(shè)計(jì)24C02存儲(chǔ)器。測(cè)試點(diǎn)：預(yù)留環(huán)形測(cè)試點(diǎn)測(cè)試PWM信號(hào)、ADC信號(hào)、DAC信號(hào)、電源。本地控制：本地串口屏顯示參數(shù)電壓、電流、設(shè)定值、實(shí)時(shí)值，本地按鍵操作。遠(yuǎn)程控制：遠(yuǎn)程采用RS485或RS232接口使用FreeModbus-RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程工控屏的串口通信，顯示電壓、電流、設(shè)定值、實(shí)時(shí)值，在遠(yuǎn)程觸摸屏上可進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)5個(gè)獨(dú)立按鍵的功能。

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：全不銹鋼電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一個(gè)。用于調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)力支路的供水壓力及流量。

二、上位過程控制系統(tǒng)

上位控制操作/實(shí)驗(yàn)面板：鋁面板噴塑結(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(dòng)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(hào)接口面板：控制對(duì)象中的儀表信號(hào)和電氣信號(hào)轉(zhuǎn)移到信號(hào)接線板上，提供AI、AO、DO等傳感器檢測(cè)及執(zhí)行器控制信號(hào)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(hào)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、上位過程控制系統(tǒng)基型配置：

1）S7-1200PLC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1200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(tái)。

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(chǎng)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(tái)通訊。儀表各種參數(shù)和過程值進(jìn)入軟件平臺(tái)（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(duì)過程值進(jìn)行記錄分析。

3）DDC控制系統(tǒng)

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(hào)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(tái)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、YLGK-03型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置配置清單

表1 YLGK-03型過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象（一套）

表2：智能儀表控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件配置表

表3  DDC上位控制系統(tǒng)硬件配置表

表4：西門子S1200-PLC上位控制系統(tǒng)硬件配置表

表5：軟件清單

五、DCS控制系統(tǒng)

DCS控制系統(tǒng)功能及組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DCS控制系統(tǒng)控制柜

標(biāo)準(zhǔn)電器控制柜：高x寬x深：1900x600x600mm，內(nèi)安裝漏電保護(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(dòng)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，操作便捷；裝有分相電壓表、指示燈，開關(guān)電源等。

DP遠(yuǎn)程I/O單元

遠(yuǎn)程I/O單元，通過線纜同控制對(duì)象上的檢測(cè)、傳感、執(zhí)行裝置相連。獲取底層對(duì)象檢測(cè)傳感信號(hào)，執(zhí)行控制執(zhí)行信號(hào)。

現(xiàn)場(chǎng)主控單元：

1）、工程師站下裝的組態(tài)控制程序在現(xiàn)場(chǎng)主控單元運(yùn)行。

2）、現(xiàn)場(chǎng)主控單元內(nèi)裝通訊卡，通過同總線遠(yuǎn)程I/O單元通訊并獲取底層對(duì)象檢測(cè)傳感信號(hào)，發(fā)出控制執(zhí)行信號(hào)。

3）、現(xiàn)場(chǎng)主控單元內(nèi)裝以太網(wǎng)卡。同上位服務(wù)器計(jì)算機(jī)通訊、接受運(yùn)行工程師站下裝的組態(tài)控制程序，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)主控單元向上位服務(wù)器發(fā)送上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)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服務(wù)器向下位主控單元下裝。

2）、人機(jī)界面監(jiān)控程序在上位工程師/操作站運(yùn)行。

DCS工控平臺(tái)系統(tǒng)軟件及DCS控制實(shí)驗(yàn)軟件

系統(tǒng)配置工程師站軟件/控制器運(yùn)行軟件及操作員站監(jiān)控組態(tài)軟件軟件：硬件設(shè)備組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)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(jù)用戶要求完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)安裝，完成系統(tǒng)與用戶已有的控制對(duì)象的連接、調(diào)試，在DCS工控平臺(tái)系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上，我們根據(jù)學(xué)校的要求開發(fā)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)控制軟件，從而組成一個(gè)完整的DCS過程控制系統(tǒng)。

DCS集散上位控制系統(tǒng)配置

1、現(xiàn)場(chǎng)控制站硬件:

3、配置軟件清單

管道圖

五、過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

過程控制系統(tǒng)的組成認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)：

（1）過程控制及檢測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)組成的認(rèn)識(shí)，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(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

?單容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

?雙容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

?鍋爐內(nèi)膽水溫特性測(cè)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(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

?水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

?鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

?水箱液位與進(jìn)水口流量串級(jí)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)

?純滯后實(shí)驗(yàn)

?溫度的滯后控制實(shí)驗(yàn)

?流量純滯后控制實(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(dòng)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)

2、DCS系統(tǒng)部分實(shí)驗(yàn)

?單容水箱液位數(shù)學(xué)模型特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

?雙容水箱液位數(shù)學(xué)模型特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

?單容液位定值控制實(shí)驗(yàn)

?雙容液位定值控制實(shí)驗(yàn)

?三容液位定值控制實(shí)驗(yàn)

?鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實(shí)驗(yàn)

?鍋爐夾套水溫定值控制實(shí)驗(yàn)

?單閉環(huán)流量定值控制實(shí)驗(yàn)

?鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制實(shí)驗(yàn)

?水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

?三閉環(huán)液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

?鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

?水箱液位與進(jìn)水口流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

?單（雙）閉環(huán)流量比值控制實(shí)驗(yàn)

?下水箱液位前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)

?鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)

?溫度的滯后控制實(shí)驗(yàn)

?流量純滯后控制實(shí)驗(yàn)

?鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫解耦控制實(shí)驗(yàn)

?上水箱液位與出口水溫解耦控制實(shí)驗(yàn)