TW-CK25 過程控制對象系統(tǒng)實驗裝置

TW-CK25 過程控制綜合實驗裝置能完成《自動控制理論》、《過程控制》、《自動化儀表》、《集散控制》、《PLC可編程控制》、《單片機控制》、《計算機控制》等課程所開的實驗項目。集多領(lǐng)域、多學(xué)科技術(shù)于一體，充分體現(xiàn)了實驗裝置的先進性、開放性和功能的多樣化。產(chǎn)品吸取國內(nèi)外教學(xué)儀器的優(yōu)點，并結(jié)合我國工業(yè)的現(xiàn)場而設(shè)計，具有外形美觀大方，布局合理，使用方便，適用于多層次實驗教學(xué)和開放性實驗室的建設(shè)。

一、技術(shù)指標(biāo)及要求

1.工作電源：三相四線（或三相五線）380V±10%  50Hz

2.外形尺寸：183cm×73cm×140cm

3.整機容量：＜5kVA

二、裝置的配備

1. 電源控制屏(鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結(jié)構(gòu)，鋁質(zhì)面板)

(1) 交流電源面板

提供實驗所需的三相四線～380V、三路單相～220V電源，總電源由三相鑰匙開關(guān)控制，電網(wǎng)電壓由三只交流電壓表監(jiān)示，三相帶燈熔斷器作為斷相指示。設(shè)有漏電保護空氣開關(guān)、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。另外，還設(shè)有定時器兼報警記錄儀，為學(xué)生實驗技能的考核提供一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 執(zhí)行機構(gòu)及I/O信號接口面板

執(zhí)行機構(gòu)有三相可控硅移相調(diào)壓裝置、電動調(diào)節(jié)閥、三相不銹鋼磁力泵、電磁閥、三菱變頻器及三相電加熱管組成，另外電加熱鍋爐帶有防干燒保護設(shè)備。并將各傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號同面板上的插座相連，便于學(xué)生自己連線組成不同的控制系統(tǒng)。

2.實驗桌

實驗桌為鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結(jié)構(gòu)，桌面為防火、防水、耐磨高密度板，結(jié)構(gòu)堅固，形狀似長方體封閉式結(jié)構(gòu)，造型美觀大方；設(shè)有兩個大抽屜、柜門，用于放置工具、存放掛件及資料等。桌面用于安裝電源控制屏并提供一個寬敞舒適的工作臺面。電腦桌聯(lián)體設(shè)計，造型美觀大方。

3. 交流變頻控制

4. 控制種類

?  智能儀表控制

?  遠程數(shù)據(jù)采集控制

?  DCS分布式過程控制

?  S7-300PLC過程控制

?  S7-200PLC過程控制

?  單片機控制

?  以太網(wǎng)控制

?  嵌入式以太網(wǎng)控制

?  三菱PLC控制

?  PCI采集卡控制

5. 系統(tǒng)實驗教學(xué)軟件：包括MCGS工控組態(tài)軟件、組態(tài)王組態(tài)軟件、和利時MACS V系統(tǒng)組態(tài)軟件、STEP7編程軟件、WinCC組態(tài)軟件及單片機數(shù)據(jù)采集與控制軟件等，根據(jù)硬件配置進行配套。

三、實驗項目

本裝置能完成如下實驗項目內(nèi)容：

1. 過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的認識實驗

(1) 過程控制及檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)組成的認識與控制方案的組成及連接實驗

(2) 智能調(diào)節(jié)儀表、智能變送儀表等智能儀表的操作及參數(shù)設(shè)定實驗

(3) 傳感器的校正(零點遷移與量程調(diào)整)

2. 被控對象特性測試實驗

(1) 單容水箱特性測試實驗

(2) 雙容水箱特性測試實驗

3. 單回路控制系統(tǒng)實驗

(1) 單回路控制系統(tǒng)的實踐

(2) 上水箱（或中水箱或下水箱）液位定值控制實驗

(3) 雙容水箱液位的定值控制實驗

(4) 三容水箱液位的定值控制實驗

(5) 鍋爐內(nèi)膽靜態(tài)水溫的定值控制實驗

(6) 鍋爐內(nèi)膽動態(tài)水溫的定值控制實驗

(7) 鍋爐夾套水溫的定值控制實驗

(8) 電動閥支路流量的定值控制實驗

(9) 變頻調(diào)速磁力泵支路流量的定值控制實驗

4. 溫度位式控制系統(tǒng)實驗

(1) 鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制實驗

5. 串級控制系統(tǒng)的實驗

(1) 串級控制系統(tǒng)的連接實踐

(2) 水箱液位串級控制實驗

(3) 三閉環(huán)液位控制實驗

(4) 下水箱液位與電動調(diào)節(jié)閥流量的串級控制實驗

(5) 下水箱液位與變頻調(diào)速磁力泵支路流量的串級控制實驗

(6) 鍋爐內(nèi)膽水溫與鍋爐內(nèi)膽循環(huán)水流量的串級控制實驗

(7) 盤管出水口水溫與熱水流量的串級控制實驗

6. 比值控制系統(tǒng)實驗

(1) 單閉環(huán)流量的比值控制實驗

(2) 雙閉環(huán)流量的比值控制實驗

7. 滯后控制系統(tǒng)實驗

(1) 盤管出水口溫度的純滯后控制實驗

(2) 盤管出水口溫度的滯后控制實驗

(3) 流量純滯后控制實驗

8. 前饋-反饋控制系統(tǒng)實驗

(1) 鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋-反饋控制實驗

(2) 下水箱液位的前饋-反饋控制實驗

9. 解耦控制系統(tǒng)實驗

(1) 上水箱水溫與液位的解耦控制實驗

(2) 鍋爐夾套水溫與鍋爐內(nèi)膽水溫的解耦控制實驗

10. 工控組態(tài)軟件組態(tài)控制實驗

(1) 實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)實驗

(2) 圖形動畫、報表、曲線、報警組態(tài)實驗

(3) 設(shè)備通訊組態(tài)實驗

(4) 腳本程序應(yīng)用組態(tài)實驗

四、智能儀表控制

1. LG-12 智能調(diào)節(jié)儀（三件）

系統(tǒng)采用智能型的AI-818儀表（3只），線性電流4～20mA電流輸出，包含人工智能調(diào)節(jié)算法，模糊PID及參數(shù)自整定功能，可組成三閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2. LG-13 智能位式調(diào)節(jié)儀

系統(tǒng)采用智能型的AI-708儀表，帶有計算機RS485通訊功能，采用繼電器位式輸出、位式控制算法，掛箱內(nèi)部裝有接觸器位式控制裝置，儀表可根據(jù)設(shè)定值、回差來控制繼電器的動作，完成溫度位式控制。

3. LG-14 比值器、前饋反饋補償器、解耦裝置

采用硬件前饋反饋補償器、比值器和解耦裝置，完成前饋反饋、比值、解耦控制實驗，其中通過比值器可完成流量單閉環(huán)與雙閉環(huán)比值控制實驗；通過前饋反饋補償器可以完成液位與流量以及溫度與流量的前饋反饋控制實驗；通過解耦裝置可完成液位與溫度以及鍋爐夾套與內(nèi)膽的溫度解耦實驗。

五、遠程數(shù)據(jù)采集控制

1. 遠程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)硬件組件

(1) LG-21 遠程數(shù)據(jù)采集熱電阻輸入模塊

(2) LG-22 遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸出模塊

(3) LG-23 遠程數(shù)據(jù)采集模擬量輸入模塊

(4) RS232/485通訊轉(zhuǎn)換器

2. 遠程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)軟件組成

上位PC機中安裝MCGS工控組態(tài)軟件及模塊測試軟件，實驗控制通過MCGS工控組態(tài)軟件編寫上位機控制軟件的運行算法，并可進行通訊參數(shù)的修改及設(shè)定控制算法的參數(shù)，被控參數(shù)的實時曲線、歷史曲線進行動態(tài)顯示，此外，還能對實驗流程圖和本實驗相關(guān)的被控參數(shù)的動態(tài)變化進行顯示。

3. 系統(tǒng)特點

該上位機控制系統(tǒng)實際上屬于計算機DDC控制系統(tǒng)，它是將模擬量輸入AI模塊和模擬量輸出AO模塊，開關(guān)量輸入/輸出DI/DO模塊置于計算機之外，計算機通過RS232/485通訊轉(zhuǎn)換裝置同DDC模塊（自帶RS485通訊接口）通訊。

DDC采集模塊的作用是將傳感器檢測到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號通過AD轉(zhuǎn)換送入計算機，計算機同時也將通過控制運算發(fā)出的控制信號通過DA轉(zhuǎn)換發(fā)給執(zhí)行機構(gòu)（如：調(diào)節(jié)閥、變頻器、可控硅移相調(diào)壓裝置）。整個控制系統(tǒng)的控制算法及監(jiān)控功能都在上位PC機中實現(xiàn)。

4.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

六、DCS分布式過程控制

1. DCS系統(tǒng)硬件組件

(1) LG-31 FM148 8路模擬量輸入（電流型〈4～20mA〉/電壓型〈0～5V/1～5V〉）現(xiàn)場總線I/O模塊

(2) LG-32 FM143 8路熱電阻（Pt100）輸入現(xiàn)場總線I/O模塊

(3) LG-33 FM151 8路模擬量輸出（電流型〈4～20mA〉/電壓型〈0～5V/1～5V〉）現(xiàn)場總線I/O模塊

(4) LG-34 MACS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

2. DCS配套系統(tǒng)硬件單元

(1) MCU主控單元（帶PROFIBUS-DP總線通訊接口卡）

(2) 24V直流電源模塊

(3) 以太網(wǎng)卡（Realtek8139 100M自適應(yīng)以太網(wǎng)卡1張）

(4) 數(shù)據(jù)交換機（8端口10/100M雙速交換機1只）

3. DCS系統(tǒng)軟件提供MACS V組態(tài)軟件，具體分為：

(1) 數(shù)據(jù)庫總控組態(tài)軟件

(2) 設(shè)備組態(tài)軟件

(3) 算法組態(tài)軟件

(4) 圖形組態(tài)軟件

(5) 操作員站在線監(jiān)控軟件

(6) 服務(wù)器軟件

4. 系統(tǒng)特點

DCS過程控制系統(tǒng)硬件部分完全采用“和利時”的MACS V系統(tǒng)，它能直觀清晰的將集散控制系統(tǒng)I/O模塊、現(xiàn)場控制站等展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生對DCS現(xiàn)場控制站的組成有一個充分的認識。軟件部分完全采用“和利時”的算法組態(tài)控制軟件和操作員站上位機監(jiān)控軟件，該軟件功能強大，中文界面簡單易學(xué)，學(xué)生可在操作員站和工程師站上進行DCS組態(tài)控制實驗。實驗對象采用了很多工業(yè)現(xiàn)場常用的檢測控制裝置。學(xué)生通過對該系統(tǒng)的了解和使用，一旦進入企業(yè)后就能夠很快適應(yīng)工作環(huán)境。同時該系統(tǒng)也為教師和研究生提供了一個高水平的學(xué)習(xí)場所和科研開發(fā)平臺。

5.對象系統(tǒng)總貌圖

七、S7-300 PLC過程控制

1. S7-300系統(tǒng)硬件組件

LG-41A  S7-300可編程控制器（包含主機CPU315-2DP、MMC卡、SM331 8路模擬量輸入模塊、SM332 4路模擬量輸出模塊）

2. S7-300其它系統(tǒng)硬件

(1) CP5611通訊網(wǎng)卡

(2) DP通訊專用電纜

3. S7-300系統(tǒng)編程軟件

下位S7-300 PLC控制系統(tǒng)運行程序采用STEP7軟件編譯，并下裝到CPU315-2DP主機模塊中。系統(tǒng)控制運算主要由下位的S7-300PLC執(zhí)行。上位PC機中監(jiān)控軟件采用WINCC V6.0人機界面軟件編寫，上位PC監(jiān)控軟件可進行控制算法參數(shù)設(shè)定，被控參數(shù)實時曲線、歷史曲線、動態(tài)顯示，實驗流程圖的顯示及本實驗相關(guān)的被控參數(shù)動態(tài)數(shù)據(jù)顯示。

4. SIMATIC  WinCC—視窗控制中心軟件

目前，在PC基礎(chǔ)上的操作員監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)迅速地發(fā)展起來，SIMATIC WinCC在使用*新軟件技術(shù)上是潮流的帶頭人，WinCC代表Windows Control Center（視窗控制中心），換句話說，它在Windows標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中的各種便利功能，能夠確保安全可靠的控制生產(chǎn)。WinCC的特性之一是全面開放，它可以方便地結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和用戶程序生成人機界面，準(zhǔn)確地滿足實際要求。WinCC既可以用來完成小規(guī)模的，簡單的過程控制和監(jiān)控，也可以用來完成復(fù)雜的應(yīng)用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮的人機對話接口，保證生產(chǎn)過程的安全，使操作員能夠優(yōu)化生產(chǎn)過程。WinCC使用所配置的人機接口，可以清晰地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過程的事件。此外，WinCC還提供了有效、安全的過程操作功能。

八、S7-200 PLC過程控制

1. S7-200系統(tǒng)硬件組件

西門子S7-200主機CPU224（自帶PPI/MPI通訊口），4路模擬量輸入和1路模擬量輸出模塊EM235，通過帶有PC/PPI通訊電纜線可將開發(fā)好的程序下裝至PLC主機中，可完成所有多通道輸出、多通道輸入控制實驗，實驗開放性好。其運行安全可靠，穩(wěn)定性高，也是工業(yè)現(xiàn)場*常用的控制器。

2. S7-200 PLC可編程控制軟件

S7-200PLC的編程環(huán)境軟件為STEP7-Micro/WIN32，通過PC/PPI通訊電纜線使PLC與計算機使用本軟件建立通訊關(guān)系后，使用本軟件可以對S7-200PLC的所有功能進行編程，對編寫好的程序進行下裝，對已運行程序進行在線編程或監(jiān)控等。

九、單片機過程控制

1. 單片機硬件組件

單片機控制系統(tǒng)掛箱擁有5通道模擬量輸入和1通道模擬量輸出功能，自帶RS232通訊接口，可完成兩種控制方式：一種是其本身具有的閉環(huán)控制功能，另外一種是結(jié)合上位PC機的相關(guān)通訊監(jiān)控軟件實現(xiàn)更為先進和開放的計算機控制。單片機硬件上可以同時進行5路模擬量輸入和1路模擬量輸出，此外它還具有常規(guī)PID控制程序，所以可以不與計算機通訊的情況下實現(xiàn)獨立控制器功能。

2. 單片機控制軟件

在單片機控制系統(tǒng)中，PC機安裝有單片機上位機監(jiān)控軟件和MATLAB軟件，通過單片機軟件，可完成壓力、流量、液位、溫度四大熱工參數(shù)的單閉環(huán)控制，還可完成模糊控制和神經(jīng)元控制等先進算法；另外本套單片機控制系統(tǒng)還可在MATLAB中自行編輯算法，完成后放入相應(yīng)的目錄，本單片機上位機監(jiān)控軟件可啟動預(yù)先編好的MATLAB算法，并對算法進行驗證性的操作，真正來控制本套系統(tǒng)，所以本套系統(tǒng)可完成開放性的算法開發(fā)實驗。

十、以太網(wǎng)控制

1. 硬件組成

(1) LG-61 研華ADAM-6015 6路以太網(wǎng)分布式熱電阻模塊    1只

(2) LG-62 研華ADAM-6024分布式綜合模塊(6路模擬量輸入/2路模擬量輸出；2路開關(guān)量入/2路開關(guān)量出)  1只

(3) LG-64 8口集線器  1只；網(wǎng)卡  1張

2. 系統(tǒng)軟件

上位機采用組態(tài)王組態(tài)軟件，該組態(tài)軟件是一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于Microsoft Windows 98/NT/2000/XP等操作系統(tǒng)。組態(tài)王采用了多線程、COM+組件等新技術(shù)，能實現(xiàn)實時多任務(wù)，運行穩(wěn)定可靠。所有實驗均包括組態(tài)王實時數(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)等實驗。

3. 實驗內(nèi)容

除了能完成“第三大項”中的所有實驗外，還能夠完成如下實驗：

(1) Smith預(yù)估控制

(2) 內(nèi)?？刂?/span>

(3) 二維模糊控制

(4) 單神經(jīng)元控制

十一、嵌入式以太網(wǎng)控制

1. 系統(tǒng)硬件

(1) LG-61 研華ADAM-6015 6路以太網(wǎng)分布式熱電阻模塊    1只

(2) LG-62 研華ADAM-6024分布式綜合模塊(6路模擬量輸入/2路模擬量輸出；2路開關(guān)量入/2路開關(guān)量出)  1只

(3) LG-63 研華ADAM-6500 嵌入式以太網(wǎng)分布式通信控制模塊    1只

(4) LG-64 8口集線器  1只；網(wǎng)卡  1張

十二、三菱PLC控制

1. 三菱系統(tǒng)硬件組件

三菱PLC控制裝置（包含F(xiàn)X2N-48MR主機、FX2N-4AD 4路模擬量輸入模塊（配兩塊）、FX2N-4DA 4路模擬量輸出模塊及FX2N-4AD-PT 4路鉑電阻輸入模塊）。

2. GX系統(tǒng)編程軟件

下位三菱PLC控制系統(tǒng)的運行程序采用GX軟件編譯，并下載到FX2N-48MR主機模塊中。系統(tǒng)控制運算主要由下位三菱PLC執(zhí)行。上位PC機中監(jiān)控軟件采用MCGS組態(tài)軟件，上位PC監(jiān)控軟件可進行控制算法參數(shù)設(shè)定，被控參數(shù)的實時曲線、歷史曲線、動態(tài)顯示，實驗流程圖的顯示及本實驗相關(guān)的被控參數(shù)動態(tài)數(shù)據(jù)顯示。

十三、PCI采集卡控制

1. LG-81 PCI數(shù)據(jù)采集卡，采用美國NI公司PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡，主用來進行 MATLAB實時仿真，

以實現(xiàn)MATLAB的快速原型化。

2. LG-82  PCI數(shù)據(jù)采集卡，采用臺灣研華公司PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡，MCGS組態(tài)軟件直接支持該板卡，

另配備兩只LG-12 智能儀表掛箱作溫度變送后，可完成所有實驗項目。研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡是功能強大的多功能PCI總線數(shù)據(jù)卡，完全符合PCI規(guī)格Rev2.1標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用，MCGS直接支持研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡，采樣時可完成多路選通開關(guān)的控制，可根據(jù)每個通道不同的輸入電壓類型，來進行輸入范圍的確定。其配備了16路單端模擬量輸入，12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達100k，每個輸入通道的增益可編程，具有自動通道/增益掃描功能，卡上有1k的采樣FI/FO緩沖器，兩路12位模擬量輸出，16路數(shù)字量輸入，16路數(shù)字量輸出，給學(xué)生做設(shè)計性實驗提供了前提和基礎(chǔ)。

十四、配置清單(可選配)