高级过程控制系统实验装置分析说明

1、系统组成
“高级过程控制系统实验装置”由过程控制实验对象系统、智能仪表控制台及上位监控PC机(用户自备)三部分组成。
1．1 过程控制实验对象系统
实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4．5KW 电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成)和铝塑盘管组成。
系统动力系统有两套：一套由三相(380V交流)不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计等组成；另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵(220V变频)、涡轮流量计等组成。
1．2 对象系统中的各类检测变送及执行装置扩散硅压力变送器三只：分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位；涡轮流量计三只：分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量；Pt100热电阻温度传感器六只：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管(三只)及上水箱出水口水温；控制模块：包含三相可控硅移相调压装置、电磁阀、电动调节阀、三菱变频器各一个；接触器位式控制装置、三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵。
1．3 仪表控制台的组成部分
1)电源控制屏面板：提供实验所需的三相四线～ 380V、三路单相～220V 电源，总电源由三相钥匙开关控制，电网电压由三只指针式交流电压表监示，三相带灯熔断器作为断相指示。设有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。另外，还设有定时器兼报警记录仪，为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。
2)仪表控制面板：由变频调速器面板，AI／818A智能调节仪面板，AI／7O8A智能位式调节仪面板，解耦装置，比值器／前馈一反馈装置组成，各装置接线端子通过面板上的插座引出。还可根据用户需要配置远程数据采集智能模块、S7—200西门子可编程控制器及模块等。
3)I／O信号接口面板：将各传感器检测及执行器控制信号同面板上的插座相连，便于学生自己连线组成不同的控制系统。
学生通过对对象系统进行不同的组合，结合不同的实验目的，可进行几十种过程控制实验。
1．4 上位监控PC机(用户自备)
“高级过程控制系统实验装置”配置一台上位监控PC机，PC机安装有正版MCGS监控组态软件，通过RS232／485转换装置、仪表控制台侧面的RS485串行接口与所有的仪表进行通讯。学生可对下位仪表各参数进行设定、修改PID控制参数，并能观察被控参数的实时曲线、历史曲线，SV设定值、PV测量值、OP输出值，各实验都设有动态变化棒图显示和实验指导。
2、AI／818A智能调节仪、AI／708A智能位式调节仪的主要特点
1)AI系列仪表操作方便、通俗易学，且不同功能档次相互兼容。
2)具有国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强、技术成熟可靠。
3)全球通用的85～246VAC范围开关电源或者24DC电源供电，并具备多种外形尺寸。
4)输入采用数字校正系统．内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。
5)采用先进的A1人工智能调节算法，无超调，具备自整定功能。
6)采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能满足各种应用场合的需要。
7)通过IS09002质量认证，品质可靠。具备符合要求的抗干扰性能。
8)先进的与计算机通讯功能，采用AIBUs通讯协议，同AI系列仪表通讯协议兼容。
3、上位MCGS工控组态软件
MOGS (M onitor and Control Generated Sys—tern)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 Windows7／10等操作系统。
MCGS5．1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MCGS5．1，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。MCGS5．1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，MCGS5．1组态软件具有如下特点：
1)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／2OOO等操作系统。
2)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。
3)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。
4)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，独特的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。
5)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流程控制系统。
6)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。
7)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。
8)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，MCGS5．1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。
9)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。
10)良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制．方便地扩展MCGS5．1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。
4、系统主要特点
1)被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。
2)执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器、晶闸管移相调控等电力拖动类执行器。
3)系统除了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。
4)一个被调参数可用不同动力源、不同的执行器、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。
5)能进行多变量控制系统及特定过程控制系统实验。
6)各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以控制。
7)实验数据及图表在MCGS软件系统中很容易存储及调用，以便进行实验后的比较和分析。我们在设计该系统时本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性原则，实验对象采用了很多工业现场常用检测控制装置，仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展接口，便于控制系统二次开发，便于进行DCS控制、上位机控制、PLC控制的开发。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能够很快适应环境进入。
以上为“高级过程控制系统实验装置”基型产品，上位机控制还有下列扩展系列：
DCS分布式过程控制系统
S7—300 PLC过程控制系统
远程数据采集过程控制系统
5、装置的安全保护体系
1)三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和三个不同相的单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相电压监示表，三相带灯熔断器作为断相指示1
2)控制屏电源由接触器通过起、停按钮控制。
3)屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置。控制屏内或强电输出(包括实验中的连线)若有漏电现象，即告警并切断总电源，确保实验进程安全。
4)控制屏设有服务管理器(定时器兼报警记录仪)，为学生实验技能考核提供一个统一的标准。
5)各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。
6)实验强电连接线及插座采用封闭式结构，防止触电事故的发生。
7)强、弱电接线及插座采用不同的结构，防止强、弱电连接线混接而损坏设备。
6、实验项目
本装置能完成如下实验项目内容：
1)过程控制系统的组成认识实验
(1)过程控制及检测装置硬件结构组成的认识。控制方案的组成
及控制系统的连接。
(2)智能调节仪等各种智能仪表的操作及参数设定。
(3)传感器的校正(零点迁移与量程)。
2)对象数学模型的测试实验
(1)单容水箱液位数学模型的测试
(2)串接双容水箱液位数学模型的测试
(3)锅炉内胆特性的测试
3)调节阀流量特性测试实验
4)位式控制系统实验
锅炉内胆温度位式控制
5)单闭环系统实验
(1)液位：
① 单容(一阶)液位定值控制(被控对象为上水箱或中水箱或下水箱共有三种实验方案)
② 双容(二阶)液位定值控制(上水箱与中水箱或中水箱与下水箱共有两种实验方案)
③ 三容(三阶)液位定值控制
(2)温度：
① 锅炉内胆静态水温定值控制
② 锅炉内胆动态水温定值控制
③ 锅炉夹套动态水温定值控制
① 热交换盘管出水El温度定值控制
(3)流量：
①单闭环流量(电动调节阀支路)定值控制
②单闭环流量(变频调速磁力泵支路)定值控制
6)串级控制系统实验
(1)水箱液位串级控制(上水箱与中水箱或中水箱与下水箱共两种实验方案)
(2)锅炉夹套水温与锅炉内胆水温的串级控制
(3)锅炉内胆水温与内胆循环水流量的串级控制
(4)盘管出水口水温与热水流量串级控制
(5)盘管出水口水温与锅炉内胆水温的串级控制
(6)下水箱液位与电动调节阀支路流量的串级控制
(7)下水箱液位与与变频调速磁力泵支路流量的串级控制
7)比值控制系统实验
(1)单闭环流量比值控制
(2)双闭环流量比值控制
8)滞后控制系统实验
(1)盘管出水口温度的滞后控制系统
(2)盘管出水口温度的纯滞后控制
(3)流量纯滞后控制
9)解耦控制系统实验
(1)上水箱出水口温度一液位的解耦控制(输入：上水箱进水为冷水与热水；输出：上水箱出水口的温度与液位)
(2)锅炉夹套水温与锅炉内胆水温的解耦控制(输入：锅炉内胆进水流量、可控硅调压器输出电压；输出：锅炉夹套水温与锅炉内胆水温)
10)前馈一反馈控制系统实验
(1)锅炉夹套水温的前馈一反馈控制系统
(2)下水箱液位的前馈一反馈控制系统
11)工控组态软件组态控制实验
(1)MCGS实时数据库组态实验
(2)MCGS图形动画、报表、曲线、报警组态实验
(3)MCGS设备通讯组态实验
(4)MCGS脚本程序应用组态实 


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