TW-CK09型過程控制綜合實驗裝置系統(tǒng)（三容水箱、儀表獨立型）
一、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、鋁塑復合管路、不銹鋼等組成。
1.標準鋁型材安裝框架：標準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，內膽安裝Pt100溫度傳感器。
系統(tǒng)動力：功率可調的不銹鋼循環(huán)水泵:可組成不銹鋼泵＋電動調節(jié)閥＋渦輪流量計的動力流量調節(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節(jié)系統(tǒng)。單相可控硅移相調壓裝置、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：
?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。
?變頻調速器：西門子變頻調速器一個。用于調節(jié)變頻動力支路的供水壓力及流量。
?電動調節(jié)閥：全不銹鋼電動調節(jié)閥一個。用于調節(jié)電動調節(jié)閥動力支路的供水壓力及流量。
二、TW-CK09系列上位過程控制系統(tǒng)
（1）TW-CK09上位控制操作/實驗面板
TW-CK09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）TW-CK09上位控制操作/實驗面板
上位控制操作/實驗面板：鋼制噴塑結構。
強電控制面板：裝有漏電保護空氣開關、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控制，保證設備安全，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、TW-CK09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。本產品提供的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)模的控制任務中的完美表現(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，儀表內集成了各種算法，根據現(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)據采集模塊的形式，其核心為帶RS485通訊的數(shù)據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)據采集板卡。外部數(shù)據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)據不存在信號衰減，因此本產品采用第一種方式的應用。用戶可根據自己學校的實際情況選用第二種方式的應用（例如研華A/D、D/A、采樣板卡）。
在控制臺直接裝有數(shù)據采集模塊，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，方便實驗教學和工程人才培養(yǎng)。
四、TW-CK09型過程控制實驗裝置配置清單
表1 TW-CK09型過程控制實驗對象（一套）
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序號
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名 稱
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功 能
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型號
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材質
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數(shù)量
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1
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標準實驗臺桌
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標準鋁合金實驗臺桌上安放控制對象
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TW-CK09
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鋁合金
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1套
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2
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標準框架及標準不銹鋼安裝底板
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標準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。
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TW-CK09
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鋁合金
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1套
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3
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電加熱常壓鍋爐壓力容器
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由不銹鋼內膽加溫筒（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
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TW-CK09
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封閉式帶保溫不銹鋼夾套（1.5mm304不銹鋼）
不銹鋼內膽加溫筒(1.5mm304不銹鋼)
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1
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4
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水箱
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儲水箱（由1.5mm厚不銹鋼鏡面板制作）可移動
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TW-CK09
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不銹鋼（2個通道）
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1
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有機玻璃上小水箱
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TW-CK09
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底板20mm進口有機玻璃板
側板8 mm進口有機玻璃板
有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺；
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1
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有機玻璃中小水箱
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TW-CK09
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底板20mm進口有機玻璃板
側板8 mm進口有機玻璃板
有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺；
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1
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有機玻璃下小水箱
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TW-CK09
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底板20mm進口有機玻璃板
側板8 mm進口有機玻璃板
有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺
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1
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5
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水泵
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采用德國進口低噪不銹鋼靜音泵（揚程15米）
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功率0.37KW，揚程15米,最大流量0.80-0.85立方米每小時
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2
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6
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溫度傳感器
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Pt100熱電阻
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Pt100
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4個
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7
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溫度變送器
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Pt100熱電阻標準信號轉換
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Pt100
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輸出4-20mA標準信號
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4個
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8
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壓力液位傳感器
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擴散硅壓力/液位變送器
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4-20mA標準信號輸出，0.5級測量精度
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3個
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9
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渦輪流量計及變送器
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額定流量0.28-0.30T/h，測量精度±1.0％，4-20mA標準信號輸出；
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2個
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10
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電動調節(jié)閥
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額定流量為0.28-0.30立方米每小時， 4-20mA信號輸入；
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1
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11
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電磁閥
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使用壓力范圍為0-7㎏/㎝3，工作溫度為-5--80℃；
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1
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12
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電加熱控制器
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可控硅移相調壓裝置
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1個
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13
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換熱器（純滯后盤管）
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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
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溫度對象
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1
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表2：智能儀表控制實驗臺硬件配置表
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序號
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硬件型號
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型號
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數(shù)量
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1
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實驗控制臺
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1
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2
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鋼制噴塑實驗屏桌
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1
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3
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強電控制面板
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1
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4
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I/O信號接口控制面板
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1
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5
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RS232/485轉換器
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通訊轉換器
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1
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6
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變頻調速器
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0.37KW
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1
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7
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AI智能調節(jié)儀（自帶Rs485通訊接口）
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AI818\AI708
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3
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8
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開關電源
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24V/3A
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1
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9
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鍋爐防干燒保護器
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1
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10
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自鎖緊接頭插座及連接導線
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1
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表3 DDC上位控制系統(tǒng)硬件配置表
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序號
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硬件名稱
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硬件型號
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數(shù)量
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1
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8路A/D ICP-8017
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數(shù)據采集模塊
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1
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2
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4路D/A ICP-8024
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數(shù)據采集模塊
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1
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|
3
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RS232/485轉換器
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通訊轉換器
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1
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表4：西門子S7200-PLC上位控制系統(tǒng)硬件配置表
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序號
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硬件名稱
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硬件型號
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數(shù)量
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1
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控制器
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S7-200-CPUSR20
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1
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2
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模擬量模塊
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4AI/1A0
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1
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3
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通訊適配器
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以太網
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1
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表5：軟件清單
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序號
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名 稱
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型號
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數(shù)量
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|
1
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MCGS工控組態(tài)軟件網絡版
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1套
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2
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西門子S7200PLC編程軟件
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Step7
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1套
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|
3
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TW-CK09智能儀表控制實驗軟件
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|
1套
|
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4
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S7200PLC控制系統(tǒng)實驗軟件
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|
1套
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5
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DDC控制系統(tǒng)實驗軟件
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五、TW-CK09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
鍋爐夾套溫度與內膽溫度雙回路對象特性的獲取
鍋爐夾套溫度與內膽溫度的雙回路控制
鍋爐夾套溫度與內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膽溫度的串級SMITH補償控制
盤管出口溫度的單回路內?？刂?/span>
盤管出口溫度與鍋爐內膽溫度的串級內?？刂?/span>
3、自主設計開發(fā)控制系統(tǒng)實驗
基于MCGS實時數(shù)據庫，并借助于MCGS腳本程序范例程序，師生可自主設計開發(fā)具有個人創(chuàng)造性的控制系統(tǒng)，例如神經元控制、專家控制、自適應控制等現(xiàn)代控制方法。
六、技術指標
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)
1、鍋爐加熱內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)不能控制可控硅調壓器工作。
2、電加熱管電源控制開關采用鑰匙開關，不實驗時，由教師保護放置鑰匙，避免無關人員誤操作。
?電源保護措施
1、加有電流型漏電保護器。
2、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控制，學生不自行接線，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構，防止觸電事故的發(fā)生。
