高级过程控制综合实验装置

一、高级过程控制综合实验装置概述

本装置能同时满足学校所开设的《传感器检测与转换技术》、《过程控制》、《自动化仪表》、《自动控制理论》、《计算机控制》、《DCS分布式控制》等课程实验的教学要求，通过上位机实现DCS分布式控制系统，能完成“自动控制理论"、“过程控制"、“自动化仪表"、“集散控制"、“计算机控制"等实验项目。

集多领域、多学科技术于一体，体现实验装置的*性、开放性和功能的多样化；该实验装置是基于工业过程物理模拟对象，集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术,自动控制技术，过程控制、DCS控制、现场总线为一体的多功能实验装置。系统包括流量、压力、温度、液位等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。
二、高级过程控制综合实验装置技术指标
1、工作电源：三相五线 380V±10% 50Hz
2、整机容量：＜5kVA
3、外形尺寸（组合后）：对象：1600mm×800mm×2200mm；控制柜：800mm×600mm×1800mm
4、被调参数囊括流量、压力、液位、温度四大热工参数
5、执行器包含电动调节阀仪表类执行机构、变频器等电力拖动类执行器
6、系统除了能改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动
7、一个被调参数可用不同的动力源、不同的执行器和不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣
8、能进行多变量控制系统及特定的过程控制系统实验
9、控制器选用优稳DCS集散控制系统
三、基本配置
（一）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。该过程控制教学实验装置包含对象系统（尺寸（约）：长*宽*高=1.6m*0.8m*2.2m）。对象控制系统框架钢板厚度不小于2mm，玻璃门厚度不小于5mm。

要求将控制对象上的各部件如水箱、电动调节阀、流量计、液位传感器及管道等按照实验的流程的要求，布置在一个1.6*0.8*2.2米高的立面上。在设备的三侧面均要求安装茶色透明玻璃门，顶部安装LED灯具照明，将整个实验装置封闭在内部，所有的部件均可以让实验者看到，既美观大方又防止灰尘进入内部装置，管道的布置合理且与实验原理图的在走向和相对位置上保持一致，使学生可以轻松理解实验的目的和过程。
1、上位控制层系统：（1）智能仪表控制模块；（2）PLC控制系统；（3）DDC控制系统；（4）DCS分布式控制系统。
2、实验对象层系统：
控制对象：由不锈钢框架安装、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。
3、标准不锈钢材料安装框架：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。
4、控制柜：控制系统均安装在控制柜里;
5、有机玻璃双容串接水箱：
有机玻璃双容串接水箱：由进口有机玻璃制作，上水箱、下水箱串接安装，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
6、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；
7、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。
  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。
8、采用控制对象与电气部分分开的结构，过程控制对象与各控制系统之间接口全部做成端子排，让学生做实验时将所需控制器与对象进行自行连接。
（二）上位过程控制系统
1、上位控制操作/实验面板
上位控制操作/实验台同实验对象装置一体制作安装。上位上位控制操作/实验台安装在铝合金实验台桌上方。
2、上位控制操作/实验面板
上位控制操作/实验面板：钢制喷塑结构。
强电控制面板：三相四线～380V、单相～220V电源，总电源由三相四线空气开关控制，电网电压由指针式交流电压表监示。设有漏电保护空气开关，安全性符合国际标准。可关闭接入网关的设备电源；可启动接入网关的所有设备电源；可关闭接入网关的所有设备电源；可按用户的设定时间工作；可以在线查询控制节点的工作状态；具有记录查询，可查看启动、关闭时间功能；设备使用数据
可导出；具有可监测设备的报警状态等功能。

3、直流数字电压表
4、直流数字电流表
5、控制器面板：变频控制器面板、智能仪表控制面板。
6、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。
四、上位过程控制系统基型配置
（一）优稳DCS控制系统（控制系统一）

控制系统特点：
1、采用全系统冗余设计，控制、网络、电源、I/O、操作全部实现冗余功能。其中控制模件、电源模件、I/O模件采用硬表决冗余技术，有高的安全性和可靠性能以及零切换时间。系统网络、控制网络都是双网同时运行。系统网络采用无服务器对等网结构，操作站、工程师站可以互为备用，根据不同授权的登录用户，自动匹配相应的操作界面。I/O模件有灵活的冗余配置方案。
2、系统采用最新的软件技术，操作画面可以容易的通过WEB服务器发布，任何智能设备（PC、手机等）通过内部网络，并且经过合法授权就可以访问查看DCS操作页面。
（二）S7-1500 PLC控制系统（控制系统二）
系统配有西门子1511CPU，6ES71511CK01，紧凑型CPU、中央处理器模组，6ES7511-1CK00-0AB0可编程控制器、主机模块。CPU 1511C-1 PN：集成16点数字量输入，可在控制器上直接记录来自设备的24 V DC 信号；集成16点数字量输出、可以切换24V DC 电压，从而将内部信号从控制器传送到设备；CPU 1511C-1 PN具有5点模拟量输入，2路模拟量输出，可以记录压力或温度等模拟过程信号；带DP及以太网接口，配套相关软件，DP网络：满足DP通信标准，配置4路以上数字量输入输出模块及模拟量输入输出模块，配全相关辅助模块，完成多种实验教学。
（三）智能仪表控制系统（AI智能调节仪）（控制系统三）
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。
本装置共3台调节器。其中2台型号是AI-818、1台型号是AI-708。
（四）DDC控制系统（控制系统四）
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，数据采集为8路A/D，4路D/A。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；提供RS485接口、基础级源程序、组态。
（五）供电变频器
采用西门子V20变频器，输出功率0.37KW。
1、按照工业级标准设计，控制器采用DSP+ ARM的结构，可以完成三相有源并网、谐波补偿等实验，实验由C语言完成，学生通过对该系统所设计实验的学习，可以对DSP硬件结构原理和CCS软件编程(C语言)有一个比较深入的了解。另外预留的接口可便于用户开发设计其他的实验。
2、所有硬件的资源都集中在一个实验开发平台上，包括DSP控制电路、PWM功率电路、电流、电压采样电路、通信电路、三相有源逆变功率电路、滤波电路、4.3寸彩色触摸屏等。
3、控制程序开放：作为实验开发平台，充分考虑控制程序的核心算法的开放。根据提供的系统程序标准接口协议，用户可以自行编写各种控制算法，来嵌套到提供的系统程序中，以验证所编写程序的有效性和*性。
4、提供设备配套的SCH、DSP 程序用于教学研究，投标时提供图片及介绍等。
（六）系统软件
MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系统。
MCGS5.5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
使用MCGS5.5，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。
MCGS5.5具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。
与国内外同类产品相比，MCGS5.5组态软件具有如下特点：
全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，支持多任务、多线程，可运行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系统。
庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，让您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。
全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、多行文本、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。
支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。
简单易学的Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的过程控制系统。
强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。
方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。
完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS5.5还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。
强大的网络功能，支持TCP/IP、Moden、485/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。
良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS5.5组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。 

PLC的组态画面

仪表的组态画面

DDC的组态画面