TWB-CK04高級過程控制實訓(xùn)系統(tǒng)（含DCS控制）

一、系統(tǒng)簡要描述

整套系統(tǒng)分為：上位控制層系統(tǒng)，實驗對象層，檢測傳感、變送、執(zhí)行設(shè)備，上位控制軟件四部分。系統(tǒng)特點:整套系統(tǒng)安放在可移動的試驗臺桌上，小巧且試驗裝置占地面積小。

1、上位控制層系統(tǒng)：①、智能儀表控制模塊；②、PLC控制系統(tǒng)；③DDC控制系統(tǒng)。

2、實驗對象層系統(tǒng)：

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(fù)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(shè)間隔鋁合金可安裝檢測傳感執(zhí)行裝置、管路等。

2.實驗臺桌：實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(tǒng)相連便可實驗。

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)動力：功率可調(diào)的不銹鋼循環(huán)水泵:可組成不銹鋼泵＋電動調(diào)節(jié)閥＋渦輪流量計的動力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也可組成不銹鋼泵＋變頻器＋渦輪流量計的動力流量調(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力系統(tǒng)。

檢測傳感器、執(zhí)行機構(gòu)：

流量傳感器：渦輪流量計＋流量變送儀。

液位傳感器：擴散硅液位傳感器三個，分別用于檢測上中下三個水箱的液位。另外加熱鍋爐容器上還加一個擴散硅壓力傳感器，做恒壓供水實驗時檢測容器壓力。

溫度傳感器：Pt100熱電阻傳感器一個，Pt100熱電阻溫度變送器一個。用于檢測帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐的內(nèi)膽溫度。

壓力傳感器：擴散硅壓力傳感器一個。用于檢測加熱鍋爐容器壓力實驗時的動態(tài)壓力。

變頻調(diào)速器：三菱變頻調(diào)速器一個。用于調(diào)節(jié)變頻動力支路的供水壓力及流量。

電機運動控制模塊：主控：TMS320F28335。外擴：RAM512*16位，F(xiàn)lash512K*16位，使用撥碼開關(guān)實現(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、母線電壓檢測電路，相電流檢測電路，動力電源位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（異步串口不夠時可將RS232、RS485采用同一個串口使用短路帽進行短路條線）、CAN、以太網(wǎng)口（SPI接口，設(shè)計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濾波運放跟隨實現(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，分別用于報警信號輸出、準備完成信號輸出。開關(guān)量輸入：開關(guān)量輸入3組。EEPROM存儲：有剩余IO可考慮設(shè)計24C02存儲器。測試點：預(yù)留環(huán)形測試點測試PWM信號、ADC信號、DAC信號、電源。本地控制：本地串口屏顯示參數(shù)電壓、電流、設(shè)定值、實時值，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)議實現(xiàn)與遠程工控屏的串口通信，顯示電壓、電流、設(shè)定值、實時值，在遠程觸摸屏上可進行控制實現(xiàn)5個獨立按鍵的功能。

電動調(diào)節(jié)閥：全不銹鋼電動調(diào)節(jié)閥一個。用于調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥動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/實驗面板：鋁面板噴塑結(jié)構(gòu)。

強電控制面板：裝有漏電保護空氣開關(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控制回路和多組保險絲，同時每一組強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。

信號接口面板：控制對象中的儀表信號和電氣信號轉(zhuǎn)移到信號接線板上，提供AI、AO、DO等傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號接口，便于學(xué)生自己連線組成不同的控制系統(tǒng)。實驗者通過安全型接插式導(dǎo)線將實驗板與信號板之間進行不同的配線，以完成過程控制各類實驗。

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的實驗平臺。

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)場情況整定儀表控制算法的各種參數(shù)，達到控制效果。同時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(shù)和過程值進入軟件平臺（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，可以方便在上位計算機整定參數(shù)，對過程值進行記錄分析。

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)采集模塊和計算機算法軟件；另一種采用工控機和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，同時就地安裝時采用通訊方式向計算機送數(shù)據(jù)不存在信號衰減，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）。

在控制臺直接裝有數(shù)據(jù)采集模塊，同時利用工控軟件MCGS中強大的算法組態(tài)功能，便捷的組建一個帶人機界面的DDC控制系統(tǒng)。在DDC系統(tǒng)中提供開放的算法軟件供實驗和算法編程參考，方便實驗教學(xué)和工程人才培養(yǎng)。

四、YLGK-03型過程控制實驗裝置配置清單

表1 YLGK-03型過程控制實驗對象（一套）

表2：智能儀表控制實驗臺硬件配置表

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

標準電器控制柜：高x寬x深：1900x600x600mm，內(nèi)安裝漏電保護空氣開關(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控制回路和多組保險絲，同時每一組強電輸出都有旋鈕開，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遠程I/O單元

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

現(xiàn)場主控單元：

1）、工程師站下裝的組態(tài)控制程序在現(xiàn)場主控單元運行。

2）、現(xiàn)場主控單元內(nèi)裝通訊卡，通過同總線遠程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(zhí)行信號。

3）、現(xiàn)場主控單元內(nèi)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，同時現(xiàn)場主控單元向上位服務(wù)器發(fā)送上位監(jiān)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）、人機界面監(jiān)控程序在上位工程師/操作站運行。

DCS工控平臺系統(tǒng)軟件及DCS控制實驗軟件

系統(tǒng)配置工程師站軟件/控制器運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)場設(shè)計安裝，完成系統(tǒng)與用戶已有的控制對象的連接、調(diào)試，在DCS工控平臺系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上，我們根據(jù)學(xué)校的要求開發(fā)響應(yīng)的實驗控制軟件，從而組成一個完整的DCS過程控制系統(tǒng)。

DCS集散上位控制系統(tǒng)配置

1、現(xiàn)場控制站硬件:

3、配置軟件清單

管道圖

五、過程控制系統(tǒng)實驗項目

1、實驗項目：

過程控制系統(tǒng)的組成認識實驗：

（1）過程控制及檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)組成的認識，控制方案的組成及控制系統(tǒng)連接實驗。

（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（零點遷移與量程調(diào)整）

?對象特性測試實驗

?單容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測試實驗

?雙容水箱液位數(shù)學(xué)模型的測試實驗

?鍋爐內(nèi)膽水溫特性測試實驗

?單回路控制系統(tǒng)實驗

?單容水箱液位定值控制實驗

?雙容水箱液位定值控制實驗

?鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實驗

?單閉環(huán)流量定值控制實驗

?鍋爐內(nèi)膽壓力定值控制實驗

?串級控制系統(tǒng)實驗

?水箱液位串級控制實驗

?鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量串級控制實驗

?水箱液位與進水口流量串級控制實驗

?比值控制系統(tǒng)實驗

?流量比值控制系統(tǒng)實驗

?變頻恒壓供水實驗

?純滯后實驗

?溫度的滯后控制實驗

?流量純滯后控制實驗

?工控制組態(tài)軟件組態(tài)控制實驗

?所有實驗均包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)、圖形動畫、報表、曲線、報警組態(tài)、設(shè)備通訊組態(tài)、算法組態(tài)等實驗

2、DCS系統(tǒng)部分實驗

?單容水箱液位數(shù)學(xué)模型特性測試實驗

?雙容水箱液位數(shù)學(xué)模型特性測試實驗

?單容液位定值控制實驗

?雙容液位定值控制實驗

?三容液位定值控制實驗

?鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制實驗

?鍋爐夾套水溫定值控制實驗

?單閉環(huán)流量定值控制實驗

?鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制實驗

?水箱液位串級控制實驗

?三閉環(huán)液位串級控制實驗

?鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫串級控制實驗

?水箱液位與進水口流量串級控制實驗

?單（雙）閉環(huán)流量比值控制實驗

?下水箱液位前饋-反饋控制實驗

?鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制實驗

?溫度的滯后控制實驗

?流量純滯后控制實驗

?鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫解耦控制實驗

?上水箱液位與出口水溫解耦控制實驗