HLGCK-09型過(guò)程控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)裝置

（三容水箱、儀表獨(dú)立型）

一、概述

該實(shí)驗(yàn)裝置包括一組三容有機(jī)玻璃水箱，每個(gè)水箱均裝有液位傳感變送器；同時(shí)具有兩路供水系統(tǒng)，一路由德國(guó)循環(huán)泵、調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)組成，另一路由變頻器、德國(guó)循環(huán)泵、渦輪流量計(jì)組成，通過(guò)閥門切換，任何一組供水可以到達(dá)任何一個(gè)水箱。另外，該實(shí)驗(yàn)裝置專門設(shè)計(jì)了一只常壓電加熱鍋爐，以完成溫度控制實(shí)驗(yàn)。該電加熱鍋爐由鍋爐、防干燒裝置組成。鍋爐分內(nèi)膽和夾套兩層，內(nèi)膽由電加熱器提供熱源，由一路供水系統(tǒng)提供水源，鍋爐內(nèi)膽裝有防干燒裝置以確保設(shè)備安全；夾套由一路供水系統(tǒng)提供冷卻水。通過(guò)改變電加熱器的加熱功率或冷卻水/待加熱水的流量來(lái)影響內(nèi)膽水溫和夾套水溫。鍋爐內(nèi)膽和夾套均安裝有熱電阻測(cè)溫元件。此外，該實(shí)驗(yàn)裝置還專門設(shè)計(jì)了一只強(qiáng)制對(duì)流換熱器，用以完成傳熱溫度控制實(shí)驗(yàn)；與此同時(shí)，用戶可選配純滯后盤管，用以完成純滯后補(bǔ)償控制、內(nèi)?？刂频葘?shí)驗(yàn)。

二、系統(tǒng)簡(jiǎn)要描述

整套系統(tǒng)分為：上位控制層系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象層，檢測(cè)傳感、變送、執(zhí)行設(shè)備，上位控制軟件四部分。系統(tǒng)特點(diǎn):整套系統(tǒng)安放在可移動(dòng)的試驗(yàn)臺(tái)桌上，小巧且試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象層系統(tǒng)：

控制對(duì)象：由鋁合金框架安裝、外置不銹鋼儲(chǔ)水箱、有機(jī)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(biāo)準(zhǔn)鋁型材安裝框架：標(biāo)準(zhǔn)PVC鋁塑管安裝有機(jī)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(cè)傳感執(zhí)行裝置、管路等。

2.實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌：實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌上安放控制對(duì)象;

3.外置不銹鋼儲(chǔ)水箱及水泵安裝在帶可移動(dòng)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(duì)象管路系統(tǒng)相連便可實(shí)驗(yàn)。

4.有機(jī)玻璃三容串接水箱：

①有機(jī)玻璃雙容串接水箱：由進(jìn)口有機(jī)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(gè)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(dòng)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(dòng)力：功率可調(diào)的不銹鋼循環(huán)水泵:可組成不銹鋼泵＋電動(dòng)調(diào)節(jié)閥＋渦輪流量計(jì)的動(dòng)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(jì)的動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)。

檢測(cè)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

流量傳感器：渦輪流量計(jì)＋流量變送儀。

液位傳感器：擴(kuò)散硅液位傳感器三個(gè)，分別用于檢測(cè)上中下三個(gè)水箱的液位。另外加熱鍋爐容器上還加一個(gè)擴(kuò)散硅壓力傳感器，做恒壓供水實(shí)驗(yàn)時(shí)檢測(cè)容器壓力。

溫度傳感器：Pt100熱電阻傳感器一個(gè)，Pt100熱電阻溫度變送器一個(gè)。用于檢測(cè)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(kuò)散硅壓力傳感器一個(gè)。用于檢測(cè)加熱鍋爐容器壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力。

變頻調(diào)速器：西門子變頻調(diào)速器一個(gè)。用于調(diào)節(jié)變頻動(dòng)力支路的供水壓力及流量。

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：全不銹鋼電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一個(gè)。用于調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)力支路的供水壓力及流量。

二、HLGCK-09系列上位過(guò)程控制系統(tǒng)

（1）HLGCK-09上位控制操作/實(shí)驗(yàn)面板

HLGCK-09上位控制操作/實(shí)驗(yàn)臺(tái)同實(shí)驗(yàn)對(duì)象裝置一體制作安裝。上位上位控制操作/實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝在鋁合金實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌上方。

（2）HLGCK-09上位控制操作/實(shí)驗(yàn)面板

上位控制操作/實(shí)驗(yàn)面板：鋼制噴塑結(jié)構(gòu)。

強(qiáng)電控制面板：裝有漏電保護(hù)空氣開關(guān)、電流型漏電保護(hù)器，充分考慮人身安全保護(hù)；配置帶鑰匙的電源啟動(dòng)控制回路和多組保險(xiǎn)絲，同時(shí)每一組強(qiáng)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(qiáng)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(hào)接口面板：控制對(duì)象中的儀表信號(hào)和電氣信號(hào)轉(zhuǎn)移到信號(hào)接線板上，提供AI、AO、DO等傳感器檢測(cè)及執(zhí)行器控制信號(hào)接口，便于學(xué)生自己連線組成不同的控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)者通過(guò)安全型接插式導(dǎo)線將實(shí)驗(yàn)板與信號(hào)板之間進(jìn)行不同的配線，以完成過(guò)程控制各類實(shí)驗(yàn)。

三、HLGCK-09上位過(guò)程控制系統(tǒng)基型配置：

1）S7-200PLC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(jī)選用西門子的S7200系列，主要展示小型（Micro）PLC在滿足小規(guī)模的控制任務(wù)中的表現(xiàn)，為培養(yǎng)工程化人才提供更多更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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(chǎng)情況整定儀表控制算法的各種參數(shù)，達(dá)到控制效果。同時(shí)帶通訊功能的儀表與上位計(jì)算機(jī)的軟件平臺(tái)通訊。儀表各種參數(shù)和過(guò)程值進(jìn)入軟件平臺(tái)（一般為工控組態(tài)軟件）的數(shù)據(jù)庫(kù)，再加上組態(tài)的流程畫面和操作界面，可以方便在上位計(jì)算機(jī)整定參數(shù)，對(duì)過(guò)程值進(jìn)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(jì)算機(jī)算法軟件；另一種采用工控機(jī)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(shí)就地安裝時(shí)采用通訊方式向計(jì)算機(jī)送數(shù)據(jù)不存在信號(hào)衰減，因此本產(chǎn)品采用種方式的應(yīng)用。用戶可根據(jù)自己學(xué)校的實(shí)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(tái)直接裝有數(shù)據(jù)采集模塊，同時(shí)利用工控軟件MCGS中強(qiáng)大的算法組態(tài)功能，便捷的組建一個(gè)帶人機(jī)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(shí)驗(yàn)和算法編程參考，方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程人才培養(yǎng)。

四、HLGCK-09型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置配置清單

表1 HLGCK-09型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象（一套）

表2：智能儀表控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)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S7200-PLC上位控制系統(tǒng)硬件配置表

表5：軟件清單

五、HLGCK-09型過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1、液位控制系列實(shí)驗(yàn)

三容液位對(duì)象特性測(cè)試

三容液位對(duì)象的單回路PID控制

三容液位對(duì)象的位式控制

上下水箱液位的串級(jí)控制與抗干擾性測(cè)試

中下水箱液位的串級(jí)控制與抗干擾性測(cè)試

上、中、下水箱的三閉環(huán)液位串級(jí)控制與抗干擾性測(cè)試

上下水箱液位雙回路對(duì)象特性的獲取

上下水箱液位的雙回路控制

上下水箱液位的解耦控制

2、溫度控制系列實(shí)驗(yàn)

鍋爐夾套溫度與內(nèi)膽溫度雙回路對(duì)象特性的獲取

鍋爐夾套溫度與內(nèi)膽溫度的雙回路控制

鍋爐夾套溫度與內(nèi)膽溫度雙回路的解耦控制

純滯后盤管出口溫度的對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

純滯后盤管出口溫度的單回路控制實(shí)驗(yàn)

盤管出口溫度與鍋爐內(nèi)膽溫度的串級(jí)控制

盤管出口溫度的單回路SMITH補(bǔ)償控制

盤管出口溫度與鍋爐內(nèi)膽溫度的串級(jí)SMITH補(bǔ)償控制

盤管出口溫度的單回路內(nèi)?？刂?/span>

盤管出口溫度與鍋爐內(nèi)膽溫度的串級(jí)內(nèi)模控制

3、自主設(shè)計(jì)開發(fā)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

基于MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并借助于MCGS腳本程序范例程序，師生可自主設(shè)計(jì)開發(fā)具有個(gè)人創(chuàng)造性的控制系統(tǒng)，例如神經(jīng)元控制、專家控制、自適應(yīng)控制等現(xiàn)代控制方法。

六、技術(shù)指標(biāo)

工作電源：二相三線 220V±5% 50Hz

外形尺寸： 實(shí)驗(yàn)臺(tái)加控制對(duì)象

整機(jī)容量：<5KVA/控制信號(hào)：電壓1～5

七、安全保護(hù)體系

鍋爐加熱程控保護(hù)系統(tǒng)

鍋爐加熱內(nèi)膽加由水位液位保護(hù)裝置，水位不達(dá)到一定的高度，控制系統(tǒng)不能控制可控硅調(diào)壓器工作。

電加熱管電源控制開關(guān)采用鑰匙開關(guān)，不實(shí)驗(yàn)時(shí)，由教師保護(hù)放置鑰匙，避免無(wú)關(guān)人員誤操作。

電源保護(hù)措施

加有電流型漏電保護(hù)器。

兩相電源加有保險(xiǎn)管，防止斷路。

電源啟停控制方式；

采用啟停按鈕控制接觸器來(lái)控制電源的啟停。

漏電保護(hù)裝置及安全性和安全承諾；

各種電源及各種儀表的可靠的保護(hù)功能

各種電源及各種儀表的強(qiáng)電采用開關(guān)控制，學(xué)生不自行接線，不存在強(qiáng)弱電混插的問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)強(qiáng)電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，防止觸電事故的發(fā)生。