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HLGCK-09型過程控制系統(tǒng)綜合實驗裝置
（三容水箱、儀表獨立型）
一、概述
該實驗裝置包括一組三容有機玻璃水箱，每個水箱均裝有液位傳感變送器；同時具有兩路供水系統(tǒng)，一路由德國循環(huán)泵、調(diào)節(jié)閥、電磁流量計組成，另一路由變頻器、德國循環(huán)泵、渦輪流量計組成，通過閥門切換，任何一組供水可以到達任何一個水箱。另外，該實驗裝置專門設(shè)計了一只常壓電加熱鍋爐，以完成溫度控制實驗。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。通過改變電加熱器的加熱功率或冷卻水/待加熱水的流量來影響內(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溫元件。此外，該實驗裝置還專門設(shè)計了一只強制對流換熱器，用以完成傳熱溫度控制實驗；與此同時，用戶可選配純滯后盤管，用以完成純滯后補償控制、內(nèi)?？刂频葘嶒灐?/span>
二、系統(tǒng)簡要描述
整套系統(tǒng)分為：上位控制層系統(tǒng)，實驗對象層，檢測傳感、變送、執(zhí)行設(shè)備，上位控制軟件四部分。系統(tǒng)特點:整套系統(tǒng)安放在可移動的試驗臺桌上，小巧且試驗裝置占地面積小。
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、實驗對象層系統(tǒng)：
控制對象：由鋁合金框架安裝、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(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傳感執(zhí)行裝置、管路等。
2.實驗臺桌：實驗臺桌上安放控制對象;
3.外置不銹鋼儲水箱及水泵安裝在帶可移動腳輪的框架上（由鋁合金框架制作的），作為一體。水泵出水口帶快插接頭，水泵同控制對象管路系統(tǒng)相連便可實驗。
4.有機玻璃三容串接水箱：
①有機玻璃雙容串接水箱：由進口有機玻璃制作，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)動力：功率可調(diào)的不銹鋼循環(huán)水泵:可組成不銹鋼泵＋電動調(diào)節(jié)閥＋渦輪流量計的動力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也可組成不銹鋼泵＋變頻器＋渦輪流量計的動力流量調(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力系統(tǒng)。
檢測傳感器、執(zhí)行機構(gòu)：
流量傳感器：渦輪流量計＋流量變送儀。
液位傳感器：擴散硅液位傳感器三個，分別用于檢測上中下三個水箱的液位。另外加熱鍋爐容器上還加一個擴散硅壓力傳感器，做恒壓供水實驗時檢測容器壓力。
溫度傳感器：Pt100熱電阻傳感器一個，Pt100熱電阻溫度變送器一個。用于檢測帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐的內(nèi)膽溫度。
壓力傳感器：擴散硅壓力傳感器一個。用于檢測加熱鍋爐容器壓力實驗時的動態(tài)壓力。
變頻調(diào)速器：西門子變頻調(diào)速器一個。用于調(diào)節(jié)變頻動力支路的供水壓力及流量。
電動調(diào)節(jié)閥：全不銹鋼電動調(diào)節(jié)閥一個。用于調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥動力支路的供水壓力及流量。
二、HLGCK-09系列上位過程控制系統(tǒng)
（1）HLGCK-09上位控制操作/實驗面板
HLGCK-09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）HLGCK-09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(jié)構(gòu)。
強電控制面板：裝有漏電保護空氣開關(guān)、電流型漏電保護器，充分考慮人身安全保護；配置帶鑰匙的電源啟動控制回路和多組保險絲，同時每一組強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。
信號接口面板：控制對象中的儀表信號和電氣信號轉(zhuǎn)移到信號接線板上，提供AI、AO、DO等傳感器檢測及執(zhí)行器控制信號接口，便于學(xué)生自己連線組成不同的控制系統(tǒng)。實驗者通過安全型接插式導(dǎo)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。
三、HLGCK-09上位過程控制系統(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的實驗平臺。
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)場情況整定儀表控制算法的各種參數(shù)，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(shù)和過程值進入軟件平臺（一般為工控組態(tài)軟件）的數(shù)據(jù)庫，再加上組態(tài)的流程畫面和操作界面，可以方便在上位計算機整定參數(shù)，對過程值進行記錄分析。
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)采集模塊和計算機算法軟件；另一種采用工控機和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，同時就地安裝時采用通訊方式向計算機送數(shù)據(jù)不存在信號衰減，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）。
在控制臺直接裝有數(shù)據(jù)采集模塊，同時利用工控軟件MCGS中強大的算法組態(tài)功能，便捷的組建一個帶人機界面的DDC控制系統(tǒng)。在DDC系統(tǒng)中提供開放的算法軟件供實驗和算法編程參考，方便實驗教學(xué)和工程人才培養(yǎng)。
四、HLGCK-09型過程控制實驗裝置配置清單
表1 HLGCK-09型過程控制實驗對象（一套）
序號 | 名 稱 | 功 能 | 型號 | 材質(zhì) | 數(shù)量 |
1 | 標(biāo)準(zhǔn)實驗臺桌 | 標(biāo)準(zhǔn)鋁合金實驗臺桌上安放控制對象 | HLGCK-09 | 鋁合金 | 1套 |
2 | 標(biāo)準(zhǔn)框架及標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼安裝底板 | 標(biāo)準(zhǔn)框架安裝有機玻璃三容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器，方便安裝固定鋁合金支撐框架、檢測傳感執(zhí)行裝置、管路等。 | HLGCK-09 | 鋁合金 | 1套 |
3 | 電加熱常壓鍋爐壓力容器 | 由不銹鋼內(nèi)膽加溫筒（帶220V 1.25KW進口不銹鋼電加熱管）和封閉式帶保溫不銹鋼夾套組成 | HLGCK-09 | 封閉式帶保溫不銹鋼夾套（1.5mm304不銹鋼） 不銹鋼內(nèi)膽加溫筒(1.5mm304不銹鋼) | 1 |
4 | 水箱 | 儲水箱（由1.5mm厚不銹鋼鏡面板制作）可移動 | HLGCK-09 | 不銹鋼（2個通道） | 1 |
有機玻璃上小水箱 | HLGCK-09 | 底板20mm進口有機玻璃板 側(cè)板8 mm進口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標(biāo)尺； | 1 | ||
有機玻璃中小水箱 | HLGCK-09 | 底板20mm進口有機玻璃板 側(cè)板8 mm進口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標(biāo)尺； | 1 | ||
有機玻璃下小水箱 | HLGCK-09 | 底板20mm進口有機玻璃板 側(cè)板8 mm進口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標(biāo)尺 | 1 | ||
5 | 水泵 | 采用德國進口低噪不銹鋼泵（揚程15米） | 功率0.37KW，揚程15米,流量0.80-0.85立方米每小時 | 2 | |
6 | 溫度傳感器 | Pt100熱電阻 | Pt100 | 4個 | |
7 | 溫度變送器 | Pt100熱電阻標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換 | Pt100 | 輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號 | 4個 |
8 | 壓力液位傳感器 | 擴散硅壓力/液位變送器 | 4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，0.5級測量精度 | 3個 | |
9 | 渦輪流量計及變送器 | 額定流量0.28-0.30T/h，測量精度±1.0％，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出； | 2個 | ||
10 | 電動調(diào)節(jié)閥 | 額定流量為0.28-0.30立方米每小時， 4-20mA信號輸入； | 1 | ||
11 | 電磁閥 | 使用壓力范圍為0-7㎏/㎝3，工作溫度為-5--80℃； | 1 | ||
12 | 電加熱控制器 | 可控硅移相調(diào)壓裝置 | 1個 | ||
13 | 換熱器（純滯后盤管） | 純滯后盤管盤長20m，上有三個測溫點，純滯后時間常數(shù)可變 | 溫度對象 | 1 |
表2：智能儀表控制實驗臺硬件配置表
序號 | 硬件型號 | 型號 | 數(shù)量 |
1 | 實驗控制臺 | 1 | |
2 | 鋼制噴塑實驗屏桌 | 1 | |
3 | 強電控制面板 | 1 | |
4 | I/O信號接口控制面板 | 1 | |
5 | RS232/485轉(zhuǎn)換器 | 通訊轉(zhuǎn)換器 | 1 |
6 | 變頻調(diào)速器 | 0.37KW | 1 |
7 | AI智能調(diào)節(jié)儀（自帶Rs485通訊接口） | AI818/AI708 | 3 |
8 | 開關(guān)電源 | 24V/3A | 1 |
9 | 鍋爐防干燒保護器 | 1 | |
10 | 自鎖緊接頭插座及連接導(dǎo)線 | 1 |
表3 DDC上位控制系統(tǒng)硬件配置表
序號 | 硬件名稱 | 硬件型號 | 數(shù)量 |
1 | 8路A/D ICP-8017 | 數(shù)據(jù)采集模塊 | 1 |
2 | 4路D/A ICP-8024 | 數(shù)據(jù)采集模塊 | 1 |
3 | RS232/485轉(zhuǎn)換器 | 通訊轉(zhuǎn)換器 | 1 |
表4：西門子S7200-PLC上位控制系統(tǒng)硬件配置表
序號 | 硬件名稱 | 硬件型號 | 數(shù)量 |
1 | 控制器 | S7-200-CPUSR20 | 1 |
2 | 模擬量模塊 | 4AI/1A0 | 1 |
3 | 通訊適配器 | 以太網(wǎng) | 1 |
表5：軟件清單
序號 | 名 稱 | 型號 | 數(shù)量 |
1 | MCGS工控組態(tài)軟件網(wǎng)絡(luò)版 | 1套 | |
2 | 西門子S7200PLC編程軟件 | Step7 | 1套 |
3 | HLGCK-09智能儀表控制實驗軟件 | 1套 | |
4 | S7200PLC控制系統(tǒng)實驗軟件 | 1套 | |
5 | DDC控制系統(tǒng)實驗軟件 |
五、HLGCK-09型過程控制系統(tǒng)實驗項目
1、液位控制系列實驗
三容液位對象特性測試
三容液位對象的單回路PID控制
三容液位對象的位式控制
上下水箱液位的串級控制與抗干擾性測試
中下水箱液位的串級控制與抗干擾性測試
上、中、下水箱的三閉環(huán)液位串級控制與抗干擾性測試
上下水箱液位雙回路對象特性的獲取
上下水箱液位的雙回路控制
上下水箱液位的解耦控制
2、溫度控制系列實驗
鍋爐夾套溫度與內(nèi)膽溫度雙回路對象特性的獲取
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象特性測試實驗
純滯后盤管出口溫度的單回路控制實驗
盤管出口溫度與鍋爐內(nèi)膽溫度的串級控制
盤管出口溫度的單回路SMITH補償控制
盤管出口溫度與鍋爐內(nèi)膽溫度的串級SMITH補償控制
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)膽溫度的串級內(nèi)?？刂?/span>
3、自主設(shè)計開發(fā)控制系統(tǒng)實驗
基于MCGS實時數(shù)據(jù)庫，并借助于MCGS腳本程序范例程序，師生可自主設(shè)計開發(fā)具有個人創(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： 實驗臺加控制對象
整機容量：<5KVA/控制信號：電壓1～5
七、安全保護體系
鍋爐加熱程控保護系統(tǒng)
鍋爐加熱內(nèi)膽加由水位液位保護裝置，水位不達到一定的高度，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)，不實驗時，由教師保護放置鑰匙，避免無關(guān)人員誤操作。
電源保護措施
加有電流型漏電保護器。
兩相電源加有保險管，防止斷路。
電源啟?？刂品绞剑?/span>
采用啟停按鈕控制接觸器來控制電源的啟停。
漏電保護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功能
各種電源及各種儀表的強電采用開關(guān)控制，學(xué)生不自行接線，不存在強弱電混插的問題。
實驗強電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，防止觸電事故的發(fā)生。
