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TWCS-68A1 過程控制實驗裝置

一、概 述

　　　“TWCS-68A過程控制實驗裝置”是本企業根據自動化專業及其相關專業教學的特點，吸收了國內外同類實驗裝置的特點和長處，經過精心設計、多次實驗和反復論證，研發的一套全新的實驗裝置。它采用多種常用的控制方式和理論，除了常見的PID算法及其改進算法外，還增加了模糊控制、人工神經元控制等國內外先進的控制策略。此外，本裝置還嵌入了國際上流行的MATLAB（數學軟件）軟件平臺，使老師和學生能輕松方便地進行算法編制。

　　　本裝置可滿足《自動控制理論》、《過程控制》、《自動化儀表》以及《傳感器檢測與轉換技術》等課程的實驗教學，除了能滿足本、?？茖W生不同層次的實驗教學要求，還能為研究生、相關專業老師和工程技術人員進行復雜控制系統、智能控制系統等方面的研究，提供了實驗對象和實現的手段。

二、裝置特點

    本裝置的各種功能均綜合在一個實驗臺上，采用積木式結構，系統結構緊湊、造型美觀大方、便于運輸及實驗室的多臺布局。

對象小型化、適應性強、綜合性強，控制對象模型由不銹鋼和有機玻璃水箱組成，實驗水箱在屏右邊能清楚看見，管道流程直觀、清晰。

參數全面，涵蓋了液位、流量、壓力、溫度四大典型過程控制參數。

小型（小功率）執行元件，它們是二個磁力驅動泵和一個電加熱器，使整體結構更為緊湊和小型化。

系統控制方式多樣性

　　　主要有位式控制、連續控制、模擬PID控制、智能儀表控制、PLC控制、單片機控制、計算機控制、兩套磁力泵交流變頻調速控制和單相移相調壓控制等，并可組成不同的控制方式。

安全保護齊全

　　　設有電壓型漏電保護器和電流型漏電保護器各一組；強電連接線及插座均采用全封閉結構，使用安全、可靠、防觸電；強、弱電連接及插座分開，不會混插，避免錯接線而損壞設備。

三、系統組成

　　　本裝置集多參數控制為一體，由過程控制對象、傳感器、變送器、調節器、執行器、顯示器和計算機（用戶自配）等組成。

控制對象的模型由上、中、下三個水箱及一個儲水箱組成，上、中、下水箱由兩臺磁力泵供水。上、中兩個水箱各裝有一個擴散硅壓力變送器來檢測壓力和液位；下水箱是一個復合式水箱，其中內筒不銹鋼水箱中裝有500W電加熱器和PT100溫度傳感器。主管道上裝有小型渦輪流量計（定做）、小型閥門和兩臺磁力驅動泵。水箱中的水位、壓力、水溫以及供水的流量都可以用于構成控制系統的被控參量。兩臺磁力泵中的任一臺都可作為調節通道或干擾通道，模擬現場產生的干擾信號，以驗證系統的穩定性和抗干擾性能。

實驗掛箱

　　　本裝置共提供九個實驗掛箱，分別是GK02傳感器輸出與顯示；GK03單片機控制；GK04模擬PID實驗掛箱（配兩個）；GK05位式、連續控制掛箱；GK-06面板流程圖；GK07交流變頻器（日本三菱）掛箱（配兩個）；GK08 PLC控制器（西門子S7－200）掛箱。

PC/PPI專用編程電纜線

RS232/485通訊轉換器

豪華型電腦桌

計算機（用戶自備）

上位機軟件

　　　PLC編程環境軟件為STEP 7-Micro/WIN32，它可以對S7-200的所有功能進行編程。上位機具有二種監控軟件：

MCGS工控組態軟件(DEMO版)：利用PC/PPI電纜線組成PLC與MCGS工控組態軟件監控系統，以及利用RS232/485轉換器組成智能調節儀與MCGS工控組態軟件監控系統，可實現對被控對象過渡過程的數據采集和存儲，數據曲線的動態顯示和監控。MCGS工控組態軟件還可以對控制對象的圖形任意組態，動態顯示，編制控制策略，輸出實時曲線、歷史曲線、實時數據、歷史數據，打印工程報表，操作菜單設計等一系列強大的功能。

單片機數據采集與算法控制軟件：利用RS232通信接口，配合單片機控制與計算機算法控制軟件，實現各種數字式PID運算控制和各種先進的智能控制，并實現數據實時采集作圖。而且可使用MATLAB數學軟件編制各種新型的、先進的控制算法。另外單片機還可作為獨立的控制器對系統進行控制。

四、技術指標

供電電源：單相三線220V±10%  50Hz

整機最大功耗：＜1kVA

整機尺寸：172cm×73cm×160cm

過程控制實驗裝置

（一）高級過程控制對象系統實驗裝置

實驗裝置對象主要由不銹鋼框架、不銹鋼儲水箱、（上、中、下）三個串接有機玻璃水箱、3Kw三相電加熱鍋爐(由不銹鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。供水系統至少有兩路。

1、不銹鋼框架：外形尺寸：長≤1630mm, 寬≤850mm,高≤1850mm；不銹鋼水箱外形尺寸為：長≥68cm，寬≥52㎝，高≥43㎝，容積不小于152L。

2、有機玻璃水箱：至少有上、中、下3個液位水箱。

3、鍋爐:功率控制在4.5Kw以內。內膽尺寸：直徑Φ不小于19cm，高度h不小于50cm，容積不小于14.2L；鍋爐夾套尺寸：直徑Φ不大于27cm，高度h不小于42cm，容積不小于9.8L。

4、盤管:模擬工業現場的管道輸送和滯后環節，長不小于37米（43圈），管徑不大于15mm。

5、液位變送器：量程：不小于0-5KPa；精度：±1.0%FS；輸出：4～20mA。

6、溫度傳感器:至少有六個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器。

7、流量傳感器、變送器:采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源。公稱通徑：DN10；流量范圍：0～1.2m³/h；精度：1.0%；輸出：4～20mADC。

8、電動調節閥：電源為單相220V，工作溫度：-100～1000℃；控制信號：4～20mA；反饋信號：4～20mA。

9、水泵:額定流量不低于30L/min，揚程不小于8米，功率不高于180W，轉速不低于2800r/min。

10、三相電加熱管:至少由三根不低于1.5kW電加熱管星形連接而成，總功率不低于4.5kW。

11、電磁閥：工作壓力：最小壓力為0Kg/cm ²，最大壓力為10Kg/cm ²；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：AC220V。

（二）過控綜合自動化控制系統實驗平臺

1、交流電源面板：提供實驗所需的三相四線～380V、三路單相～220V電源，總電源由三相鑰匙開關控制。

2、執行機構及I/O信號接口面板：符合國家標準。

3、三相可控硅移相調壓裝置

控制參數：可輸入0～5V、0～10V、4～20mA；輸出參數：額定工作電壓：380VAC±10%；電網頻率：50Hz；斷態峰值截止電壓

VP：≥1200VPK；最小負載電流：100 mA；斷態漏電流：<12 mA；關斷最大延時：10ms。

4、交流變頻控制

輸出頻率范圍：0.2～400Hz；頻率設定分辨率：0.06Hz/60HZ；頻率精度：最大輸出頻率的±0.1%以內；控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220V變頻輸出用來驅動三相磁力驅動泵。

5、遠程數據采集熱電阻輸入模塊：將傳感器檢測到的被控參數溫度的標準信號通過AD轉換送入計算機，以對溫度信號實現實時采集檢測，信號傳送至計算機后可進行溫度監測與控制方面的開放式開發組態實驗。

6、遠程數據采集模擬量輸出模塊：將計算機控制算法輸出后的控制信號通過DA轉換發給執行機構（調節閥、變頻器、可控硅移相調壓裝置），整個控制系統的控制算法及監控功能都在上位PC機中實現。

7、遠程數據采集模擬量輸入模塊：將傳感器檢測到的被控參數標準電壓信號通過AD轉換送入計算機，以對液位、壓力與流量信號實現實時采集檢測，信號傳送至計算機后可進行液位、壓力與流量監測與控制方面的開放式開發組態實驗。

（三）配套的教學資源：

1、軟件使用手冊。

2、實驗指導書。

3、各種維護用的螺絲刀、扳手、生料帶、電工膠帶、保險絲、出水管等工具，各主要器件的使用說明書，實驗用強弱電導線，工程光盤及軟件。

4、PLC仿真實訓軟件（軟件為3個節點，提供軟件安裝程序和序列號、加密狗。）：通過計算機交互技術實時顯示PLC的運行狀態，可以實現PLC虛擬接線、接線的錯誤檢查、PLC運行模擬等功能，可選擇西門子S7-200系列PLC、三菱FX系列PLC、歐姆龍CPM系列PLC。

軟件包含 “四節傳送帶的模擬控制”、“自動配料系統模擬實驗”、“十字路口交通燈的模擬控制”、“裝配流水線的模擬控制”、“水塔水位的模擬控制”、“天塔之光的模擬實驗”、“機械手動作的模擬”、“液體混合裝置的模擬”、“三相步進電機的模擬控制”、“LED數碼顯示控制”、“噴泉的模擬控制”、“三層電梯控制系統的模擬”、“軋鋼機控制系統模擬”、“郵件分揀系統模擬”、“運料小車控制模擬”、“舞臺燈光的模擬”、“加工中心模擬系統控制”、“三相異步電動機點動控制和自鎖控制”、“三相異步電動機Y△換接起動控制”、“三相異步電動機聯鎖正反轉控制”、“三相異步電動機帶延時正反轉控制”、“基于PLC通訊方式的變頻器開環調速”、“基于PLC模擬量閉環調速實驗”、“基于PLC通訊方式的變頻器閉環定位控制”等共24個實訓項目。

（四）系統功能要求

1、輸入電源: 三相四線（或三相五線380V±10％ 50Hz）。

2、工作環境: 溫度–10℃－+40℃　相對濕度＜85％（25℃）海撥＜4000m。

3、裝置容量：＜5kVA。

4、外形尺寸：過控綜合自動化控制系統實驗平臺  長≤1800mm，寬≤730mm，高≤1400mm；高級過程控制對象系統實驗裝置：長≤1630mm，寬≤780mm，高≤1850mm。

5、安全保護功能：裝置具有接地保護、漏電保護（漏電保護空

氣開關、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器）功能，系統總電源由電壓表及指示燈進行監視，安全性符合國家標準。采用高絕緣的安全型插座及帶絕緣護套的高強度安全型實驗導線。強弱電連接線采用不同結構的插頭、插座，防止強弱電混接。系統總電源由鑰匙開關控制，實驗前鑰匙由老師進行保管，系統連線結束后經老師檢查無誤后由老師用鑰匙給系統上電，保障實驗安全。

6、定時兼報警記錄功能：考核學生實驗成績。

（五）能夠開設的實驗內容

1、單容水箱特性的測試。

2、雙容水箱特性的測試。

3、單回路控制系統的實踐。

4、上水箱（或中水箱或下水箱）液位定值控制系統。

5、雙容水箱液位定值控制系統。

6、三容水箱液位定值控制系統。

7、鍋爐內膽靜態水溫定值控制系統。

8、鍋爐內膽動態水溫定值控制系統。

9、鍋爐夾套水溫定值控制系統。

10、單閉環電動閥支路流量的定值控制系統。

11、單閉環變頻調速磁力泵支路流量的定值控制系統。

12、鍋爐內膽水溫位式控制系統。

13、串級控制系統的連接實踐。

14、水箱液位串級控制系統。

15、三閉環液位控制系統。

16、下水箱液位與電動調節閥流量的串級控制系統。

17、下水箱液位與變頻調速磁力泵支路流量的串級控制系統。

18、鍋爐夾套與內膽水溫串級控制系統。

19、鍋爐內膽水溫與循環水流量的串級控制系統。

20、盤管出水口水溫與熱水流量的串級控制系統。

21、單閉環流量比值控制系統。

22、雙閉環流量比值控制系統。

23、盤管出水口溫度純滯后控制系統。

24、盤管出水口溫度滯后控制系統。

25、流量純滯后控制系統。

26、鍋爐內膽水溫的前饋-反饋控制系統。

27、下水箱液位的前饋-反饋控制系統。