高級過程控制綜合實驗裝置

一、高級過程控制綜合實驗裝置概述

本裝置能同時滿足學校所開設的《傳感器檢測與轉換技術》、《過程控制》、《自動化儀表》、《自動控制理論》、《計算機控制》、《DCS分布式控制》等課程實驗的教學要求，通過上位機實現DCS分布式控制系統，能完成“自動控制理論"、“過程控制"、“自動化儀表"、“集散控制"、“計算機控制"等實驗項目。

集多領域、多學科技術于一體，體現實驗裝置的*性、開放性和功能的多樣化；該實驗裝置是基于工業過程物理模擬對象，集自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術,自動控制技術，過程控制、DCS控制、現場總線為一體的多功能實驗裝置。系統包括流量、壓力、溫度、液位等熱工參數，可實現系統參數辨識、單回路控制、串級控制、前饋控制、比值控制等多種控制形式。
二、高級過程控制綜合實驗裝置技術指標
1、工作電源：三相五線 380V±10% 50Hz
2、整機容量：＜5kVA
3、外形尺寸（組合后）：對象：1600mm×800mm×2200mm；控制柜：800mm×600mm×1800mm
4、被調參數囊括流量、壓力、液位、溫度四大熱工參數
5、執行器包含電動調節閥儀表類執行機構、變頻器等電力拖動類執行器
6、系統除了能改變調節器的設定值作階躍擾動外，還可在對象中通過電磁閥和手操作閥制造各種擾動
7、一個被調參數可用不同的動力源、不同的執行器和不同的工藝線路下可演變成多種調節回路，以利于討論、比較各種調節方案的優劣
8、能進行多變量控制系統及特定的過程控制系統實驗
9、控制器選用優穩DCS集散控制系統
三、基本配置
（一）整套系統分為：

上位控制層系統，實驗對象層，檢測傳感、變送、執行設備，上位控制軟件四部分。系統特點:整套系統安放在可移動的試驗臺桌上，小巧且試驗裝置占地面積小。該過程控制教學實驗裝置包含對象系統（尺寸（約）：長*寬*高=1.6m*0.8m*2.2m）。對象控制系統框架鋼板厚度不小于2mm，玻璃門厚度不小于5mm。

要求將控制對象上的各部件如水箱、電動調節閥、流量計、液位傳感器及管道等按照實驗的流程的要求，布置在一個1.6*0.8*2.2米高的立面上。在設備的三側面均要求安裝茶色透明玻璃門，頂部安裝LED燈具照明，將整個實驗裝置封閉在內部，所有的部件均可以讓實驗者看到，既美觀大方又防止灰塵進入內部裝置，管道的布置合理且與實驗原理圖的在走向和相對位置上保持一致，使學生可以輕松理解實驗的目的和過程。
1、上位控制層系統：（1）智能儀表控制模塊；（2）PLC控制系統；（3）DDC控制系統；（4）DCS分布式控制系統。
2、實驗對象層系統：
控制對象：由不銹鋼框架安裝、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。
3、標準不銹鋼材料安裝框架：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。
4、控制柜：控制系統均安裝在控制柜里;
5、有機玻璃雙容串接水箱：
有機玻璃雙容串接水箱：由進口有機玻璃制作，上水箱、下水箱串接安裝，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
6、帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐容器：內膽Φ100×500（通動態被加熱水），帶單相1.5KW電加熱管，夾套Φ150×400，內膽安裝Pt100溫度傳感器；
7、系統動力：功率可調的不銹鋼循環水泵:可組成不銹鋼泵＋電動調節閥＋渦輪流量計的動力流量調節系統，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力系統。
  動調節閥：全不銹鋼電動調節閥一個。用于調節電動調節閥動力支路的供水壓力及流量。
8、采用控制對象與電氣部分分開的結構，過程控制對象與各控制系統之間接口全部做成端子排，讓學生做實驗時將所需控制器與對象進行自行連接。
（二）上位過程控制系統
1、上位控制操作/實驗面板
上位控制操作/實驗臺同實驗對象裝置一體制作安裝。上位上位控制操作/實驗臺安裝在鋁合金實驗臺桌上方。
2、上位控制操作/實驗面板
上位控制操作/實驗面板：鋼制噴塑結構。
強電控制面板：三相四線～380V、單相～220V電源，總電源由三相四線空氣開關控制，電網電壓由指針式交流電壓表監示。設有漏電保護空氣開關，安全性符合國際標準?？申P閉接入網關的設備電源；可啟動接入網關的所有設備電源；可關閉接入網關的所有設備電源；可按用戶的設定時間工作；可以在線查詢控制節點的工作狀態；具有記錄查詢，可查看啟動、關閉時間功能；設備使用數據
可導出；具有可監測設備的報警狀態等功能。

3、直流數字電壓表
4、直流數字電流表
5、控制器面板：變頻控制器面板、智能儀表控制面板。
6、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，便于學生自己連線組成不同的控制系統。實驗者通過安全型接插式導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。
四、上位過程控制系統基型配置
（一）優穩DCS控制系統（控制系統一）

控制系統特點：
1、采用全系統冗余設計，控制、網絡、電源、I/O、操作全部實現冗余功能。其中控制模件、電源模件、I/O模件采用硬表決冗余技術，有高的安全性和可靠性能以及零切換時間。系統網絡、控制網絡都是雙網同時運行。系統網絡采用無服務器對等網結構，操作站、工程師站可以互為備用，根據不同授權的登錄用戶，自動匹配相應的操作界面。I/O模件有靈活的冗余配置方案。
2、系統采用最新的軟件技術，操作畫面可以容易的通過WEB服務器發布，任何智能設備（PC、手機等）通過內部網絡，并且經過合法授權就可以訪問查看DCS操作頁面。
（二）S7-1500 PLC控制系統（控制系統二）
系統配有西門子1511CPU，6ES71511CK01，緊湊型CPU、中央處理器模組，6ES7511-1CK00-0AB0可編程控制器、主機模塊。CPU 1511C-1 PN：集成16點數字量輸入，可在控制器上直接記錄來自設備的24 V DC 信號；集成16點數字量輸出、可以切換24V DC 電壓，從而將內部信號從控制器傳送到設備；CPU 1511C-1 PN具有5點模擬量輸入，2路模擬量輸出，可以記錄壓力或溫度等模擬過程信號；帶DP及以太網接口，配套相關軟件，DP網絡：滿足DP通信標準，配置4路以上數字量輸入輸出模塊及模擬量輸入輸出模塊，配全相關輔助模塊，完成多種實驗教學。
（三）智能儀表控制系統（AI智能調節儀）（控制系統三）
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，根據現場情況整定儀表控制算法的各種參數，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。儀表各種參數和過程值進入軟件平臺（一般為工控組態軟件）的數據庫，再加上組態的流程畫面和操作界面，可以方便在上位計算機整定參數，對過程值進行記錄分析。
本裝置共3臺調節器。其中2臺型號是AI-818、1臺型號是AI-708。
（四）DDC控制系統（控制系統四）
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，同時就地安裝時采用通訊方式向計算機送數據不存在信號衰減，因此本產品采用第一種方式的應用，數據采集為8路A/D，4路D/A。用戶可根據自己學校的實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，同時利用工控軟件中強大的算法組態功能，便捷的組建一個帶人機界面的DDC控制系統。在DDC系統中提供開放的算法軟件供實驗和算法編程參考，方便實驗教學和工程人才培養；提供RS485接口、基礎級源程序、組態。
（五）供電變頻器
采用西門子V20變頻器，輸出功率0.37KW。
1、按照工業級標準設計，控制器采用DSP+ ARM的結構，可以完成三相有源并網、諧波補償等實驗，實驗由C語言完成，學生通過對該系統所設計實驗的學習，可以對DSP硬件結構原理和CCS軟件編程(C語言)有一個比較深入的了解。另外預留的接口可便于用戶開發設計其他的實驗。
2、所有硬件的資源都集中在一個實驗開發平臺上，包括DSP控制電路、PWM功率電路、電流、電壓采樣電路、通信電路、三相有源逆變功率電路、濾波電路、4.3寸彩色觸摸屏等。
3、控制程序開放：作為實驗開發平臺，充分考慮控制程序的核心算法的開放。根據提供的系統程序標準接口協議，用戶可以自行編寫各種控制算法，來嵌套到提供的系統程序中，以驗證所編寫程序的有效性和*性。
4、提供設備配套的SCH、DSP 程序用于教學研究，投標時提供圖片及介紹等。
（六）系統軟件
MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，可運行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系統。
MCGS5.5為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業監控網絡等功能。
使用MCGS5.5，用戶無須具備計算機編程的知識，就可以在短時間內輕而易舉地完成一個運行穩定，功能成熟，維護量小且具備專業水準的計算機監控系統的開發工作。
MCGS5.5具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應用于石油化工、能源原材料、農業自動化、航空航天等領域，經過各種現場的長期實際運行，系統穩定可靠。
與國內外同類產品相比，MCGS5.5組態軟件具有如下特點：
全中文、可視化、面向窗口的組態開發界面，符合中國人的使用習慣和要求，真正的32位程序，支持多任務、多線程，可運行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系統。
龐大的標準圖形庫、完備的繪圖工具集以及豐富的多媒體支持，讓您能夠快速地開發出集圖像、聲音、動畫等于一體的漂亮、生動的工程畫面。
全新的ActiveX動畫構件，包括存盤數據處理、條件曲線、計劃曲線、相對曲線、多行文本、通用棒圖等，使您能夠更方便、更靈活地處理、顯示生產數據。
支持目前絕大多數硬件設備，同時可以方便地定制各種設備驅動；此外，組態環境調試功能與靈活的設備操作命令相結合，使硬件設備與軟件系統間的配合天衣無縫。
簡單易學的Basic腳本語言與豐富的MCGS策略構件，使您能夠輕而易舉地開發出復雜的過程控制系統。
強大的數據處理功能，能夠對工業現場產生的數據以各種方式進行統計處理，使您能夠在第一時間獲得有關現場情況的第一手數據。
方便的報警設置、豐富的報警類型、報警存貯與應答、實時打印報警報表以及靈活的報警處理函數，使您能夠方便、及時、準確地捕捉到任何報警信息。
完善的安全機制，允許用戶自由設定菜單、按鈕及退出系統的操作權限。此外，MCGS5.5還提供了工程密碼、鎖定軟件狗、工程運行期限等功能，以保護組態開發者的成果。
強大的網絡功能，支持TCP/IP、Moden、485/232，以及各種無線網絡和無線電臺等多種網絡體系結構。
良好的可擴充性，可通過OPC、DDE、ODBC、ActiveX等機制，方便地擴展MCGS5.5組態軟件的功能，并與其他組態軟件、MIS系統或自行開發的軟件進行連接。 

PLC的組態畫面

儀表的組態畫面

DDC的組態畫面