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高级过程控制实训系统,高级过程控制实训平台

一、系统简要描述

整套系统分为：上位控制层系统，实验对象层，检测传感、变送、执行设备，上位控制软件四部分。系统特点:整套系统安放在可移动的试验台桌上，小巧且试验装置占地面积小。

1、上位控制层系统：①、智能仪表控制模块；②、PLC控制系统；③DDC控制系统。

2、实验对象层系统：

控制对象：由铝合金框架安装、外置不锈钢储水箱、有机玻璃三容串接水箱、带夹套不锈钢常压锅炉容器、铝塑复合管路、不锈钢等组成。

1.标准铝型材安装框架：标准PVC铝塑管安装有机玻璃三容串接水箱、带夹套不锈钢常压锅炉容器。安装底板铺设间隔铝合金可安装检测传感执行装置、管路等。

2.实验台桌：实验台桌上安放控制对象;

3.外置不锈钢储水箱及水泵安装在带可移动脚轮的框架上（由铝合金框架制作的），作为一体。水泵出水口带快插接头，水泵同控制对象管路系统相连便可实验。

4.有机玻璃三容串接水箱：

①有机玻璃双容串接水箱：由进口有机玻璃制作，上水箱、中水箱、下水箱、上中下水箱三容串接安装，每个水箱带溢流管及下排水管及阀门，压力液位传感器接口

5、带夹套的不锈钢常压加热锅炉容器：

内胆Φ100×500（通动态被加热水），带单相1.5KW电加热管，夹套Φ150×400，内胆安装Pt100温度传感器。

系统动力：功率可调的不锈钢循环水泵:可组成不锈钢泵＋电动调节阀＋涡轮流量计的动力流量调节系统，也可组成不锈钢泵＋变频器＋涡轮流量计的动力流量调节系统。单相可控硅移相调压装置、单相电加热管组成锅炉加热动力系统。

检测传感器、执行机构：

²流量传感器：涡轮流量计＋流量变送仪。

²液位传感器：扩散硅液位传感器三个，分别用于检测上中下三个水箱的液位。另外加热锅炉容器上还加一个扩散硅压力传感器，做恒压供水实验时检测容器压力。

²温度传感器：Pt100热电阻传感器一个，Pt100热电阻温度变送器一个。用于检测带夹套的不锈钢常压加热锅炉的内胆温度。

²压力传感器：扩散硅压力传感器一个。用于检测加热锅炉容器压力实验时的动态压力。

²变频调速器：三菱变频调速器一个。用于调节变频动力支路的供水压力及流量。

²电机运动控制模块：主控：TMS320F28335。外扩：RAM512*16位，Flash512K*16位，使用拨码开关实现模式选择。功率板：采用集成IPM模块，可外接刹车电阻，母线电容充电缓冲电路、母线电压检测电路，相电流检测电路，动力电源位AC220V供电，功率3KW。控制板：液晶屏采用4.3寸串口屏 ，5个独立按键按键（分别为RUN、STOP、REST、UP、DOW）。通信接口：RS232、RS485（异步串口不够时可将RS232、RS485采用同一个串口使用短路帽进行短路条线）、CAN、以太网口（SPI接口，设计W5500模块模块接口使用现有的成品模块）；CAN、RS232、RS485为隔离通信接口与TMS320F28335无直接电气连接。串口感器接口：霍尔信号接口及差分编码器接口统一使用DB15连接。模拟量输出：不使用到的PWM用于RC滤波运放跟随实现DAC输出。模拟量输入：芯片内部不使用的ADC接口用于外部模拟量输入，接口为0~10V输入。开关量输出：2组，分别用于报警信号输出、准备完成信号输出。开关量输入：开关量输入3组。EEPROM存储：有剩余IO可考虑设计24C02存储器。测试点：预留环形测试点测试PWM信号、ADC信号、DAC信号、电源。本地控制：本地串口屏显示参数电压、电流、设定值、实时值，本地按键操作。远程控制：远程采用RS485或RS232接口使用FreeModbus-RTU协议实现与远程工控屏的串口通信，显示电压、电流、设定值、实时值，在远程触摸屏上可进行控制实现5个独立按键的功能。

²电动调节阀：全不锈钢电动调节阀一个。用于调节电动调节阀动力支路的供水压力及流量。

二、上位过程控制系统

上位控制操作/实验面板：铝面板喷塑结构。

强电控制面板：装有漏电保护空气开关、电流型漏电保护器，充分考虑人身安全保护；配置带钥匙的电源启动控制回路和多组保险丝，同时每一组强电输出都有旋钮开关控制，保证设备安全，操作控制便捷；装有分相电压表、指示灯，直观，强电信息一目了然；装有变频器及其控制接口面板，方便变频器熟悉、操作和应用。

控制器面板：变频控制器面板、智能仪表控制面板。

信号接口面板：控制对象中的仪表信号和电气信号转移到信号接线板上，提供AI、AO、DO等传感器检测及执行器控制信号接口，便于学生自己连线组成不同的控制系统。实验者通过安全型接插式导线将实验板与信号板之间进行不同的配线，以完成过程控制各类实验。

三、上位过程控制系统基型配置：

1）S7-1200PLC控制系统

随着科技的发展，PLC即使是Micro PLC，也可以胜任多种控制任务。本产品提供的PLC控制系统主机选用西门子的1200系列，主要展示小型（Micro）PLC在满足小规模的控制任务中的完美表现，为培养工程化人才提供更多更强的实验平台。

2）智能仪表控制系统

仪表控制系统核心为带通信功能的各种仪表，仪表内集成了各种算法，根据现场情况整定仪表控制算法的各种参数，达到控制效果。同时带通讯功能的仪表与上位计算机的软件平台通讯。仪表各种参数和过程值进入软件平台（一般为工控组态软件）的数据库，再加上组态的流程画面和操作界面，可以方便在上位计算机整定参数，对过程值进行记录分析。

3）DDC控制系统

DDC控制系统一般有两种形式，一种采用外部数据采集模块的形式，其核心为带RS485通讯的数据采集模块和计算机算法软件；另一种采用工控机和ISA或PCI插槽的数据采集板卡。外部数据采集模块由于安装方便，同时就地安装时采用通讯方式向计算机送数据不存在信号衰减，因此本产品采用第一种方式的应用。用户可根据自己学校的实际情况选用第二种方式的应用（例如研华A/D、D/A、采样板卡）。

在控制台直接装有数据采集模块，同时利用工控软件MCGS中强大的算法组态功能，便捷的组建一个带人机界面的DDC控制系统。在DDC系统中提供开放的算法软件供实验和算法编程参考，方便实验教学和工程人才培养。

四、过程控制实验装置配置清单

表2：智能仪表控制实验台硬件配置表

表3  DDC上位控制系统硬件配置表

表4：西门子S1200-PLC上位控制系统硬件配置表

表5：软件清单

四、过程控制系统实验项目

1、实验项目：

·过程控制系统的组成认识实验：

（1）过程控制及检测装置硬件结构组成的认识，控制方案的组成及控制系统连接实验。

（2）智能调节仪表、智能变送仪表等各种智能仪表的操作及参数设定。

（3）传感器的校正（零点迁移与量程调整）

·对象特性测试实验

l单容水箱液位数学模型的测试实验

l双容水箱液位数学模型的测试实验

l锅炉内胆水温特性测试实验

·单回路控制系统实验

l单容水箱液位定值控制实验

l双容水箱液位定值控制实验

l锅炉内胆水温定值控制实验

l单闭环流量定值控制实验

l锅炉内胆压力定值控制实验

·串级控制系统实验

l水箱液位串级控制实验

l锅炉内胆水温与循环水流量串级控制实验

l水箱液位与进水口流量串级控制实验

·比值控制系统实验

l流量比值控制系统实验

·变频恒压供水实验

·纯滞后实验

·温度的滞后控制实验

·流量纯滞后控制实验

·工控制组态软件组态控制实验

l所有实验均包括数据库组态、图形动画、报表、曲线、报警组态、设备通讯组态、算法组态等实验