TKJ-2型 高级过程控制系统实验装置

一、建设思想

以体现流程类企业自动化与信息系统的关键技术与装备系统为主线，我们设计制作高级过程控制专业实验室综合实践教学装置，建立该专业主题实验室工程实践基地。

u 产品强烈体现工程化概念，强调工程化、实践化、开放性强，既能完成相关课程实验的开设，又是学生进行工程训练、毕业设计、课程设计的平台。系统以提高学生的动手能力及就业竞争力为主要目的而设计。

u 通过对象与基本控制系统，完成基本自动化实验，使学生建立自动化知识系统概念。

u  体现流程企业自动化与信息系统典型技术与装备，将实践教学与教师科研提高层次。

u  工业广泛使用的温度、流量、液位、压力四大热工检测传感装置，能够多样化的体现，并设计相关的实验。

u  企业过程自动化广泛采用控制硬件系统和控制软件得以体现。

u  搭建一个网络化的过程控制实验系统。

u  提供合适的理论研究硬件平台，使教师在理论层次的研究有自由的验证平台。

u  分时控制的思想，可以同时对两个或三个参数进行采集，比如，一组测流量，

一组测温度。对象系统采用全不锈钢制作，以美学的角度且不失工程化概念，审视、打造过程装备专业实验室实验对象系统，将其建成具备时代气息的示范实验室。

二、设备总体功能

1、实验设备能够提供被控参数包含流量、压力、液位、温度四大热工参数；可以做各种被控对象（水箱、锅炉等）特性测试、各种单回路控制、串级控制、比值控制和解耦控制等实验。

2、可用智能仪表、PLC实现控制，上位机可控。

三、系统总体说明

1、工作电源：三相四线 380V±5% 50Hz；

2、工作环境: 温度0℃－+40℃

3、外形尺寸：对象1650×780×1900mm³；台子1830×730×1400mm³

4、整机容量：<4KVA    控制信号：电压1～5V；

5、测量范围：流量：0-1.2m3/h,测量精度≤1.0%；温度：0-150℃，精度≤1.0%；液位：0-450mm，精度≤1.0%；压力：0-100kPa，精度≤2.0%。

6、系统所用元器件采用国际知名品牌国内合资企业生产的产品；

7、实验室布置，按采购方的要求完成设备的安装、布线、调试；

8、可以同时对三个参数进行采集，比如，一组测流量，一组测温度，一组测压力；

9、实验装置的安装无漏水、生锈现象，运行稳定、噪声小，所有的水阀采用铜质电磁阀，被控对象与控制电气系统部分分开，避免液体渗漏引发电气事故；

10、对象系统按照三容系统设计；

11、提供的设备能完成本校的教学要求，交钥匙工程，配件与主设备都要配套完整。

12、被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数；

13、执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器；

14、一个被调参数可用不同的动力源、不同的执行器和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；

15、能进行多变量控制系统及特定的过程控制系统实验；

16、可以实现温度、压力、流量、液位等对象特性测试、单闭环控制、串级控制、前馈-反馈控制、比值控制、解耦控制等过程控制实训。

高级过程控制系统实验装置的安装无漏水、生锈现象，运行稳定、噪声小，所有的水阀采用铜质电磁阀，被控对象与控制电气系统部分分开，避免液体渗漏引发电气事故。

系统主要部件：

控制对象：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3KW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。系统内设置报警装置，当加热筒内部水位低于警戒水位时能够自动切断加热器，防止干烧；当储水箱液位高/低于一定值时，自动切断水泵的电源，停止水泵工作。

系统动力：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、交流电磁阀、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。

整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板，甚至小到每一颗紧固螺钉。

执行机构：单相可控硅移相调压装置及单相电加热管组成加热动力、电动调节阀、变频器、电磁阀等组成。

检测传感器：（常规）

（1）压力变送器三只：上水箱、中水箱分别用扩散硅压力变送器检测液位，下水箱的压力传感器采用MB400压力传感器。

（2）涡轮流量计三只：变频动力支路和盘管出水口的流量分别采用高精度涡轮流量计检测流量。

（2）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；

（4）控制模块：包含电磁阀、电动调节阀各一个；

（5）三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵。

五、高级过程控制系统实验装置

本装置要求要与“高级过程控制系统实验对象装置”配套使用，能完成“自动控制理论”、“过程控制”、“自动化仪表”、“集散控制”、“PLC可编程控制”、“计算机控制”等课程所开的实验项目。集多领域、多学科技术于一体，充分体现了实验装置的先进性、开放性和功能的多样化。本装置适用于多层次实验教学和开放性实验室的建设。

1.电源控制屏(铁质双层亚光密纹喷塑结构，铝质面板)

    (1) 交流电源面板

    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）执行机构及I/O信号接口面板

执行机构有三相可控硅移相调压装置、电动调节阀、三相不锈钢磁力泵、电磁阀、三菱变频器及三相电加热管组成，另外电加热锅炉带有防干烧保护设备。并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。

2.实验桌

实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固，形状似长方体封闭式结构，造形美观大方；设有两个大抽屉、柜门，用于放置工具、存放挂件及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。电脑桌联体设计，造型美观大方。

3.系统说明如下：

 交流变频控制

采用日本三菱公司的FR-D720S-0.4K-CH型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

 Smart PLC控制系统

1）Smart 200系统硬件组件

西门子Smart 200 SR20 主机(12 KB程序存储器；120/240VAC 电源，12 点输入/8 点输出；以太网 1路，板载 6 个高速计数器（单相：4 个 200 KHz + 2 个 30 KHz，正交相位：2 个 100 KHz + 2 个 20 KHz）,4路模拟量输入和2路模拟量输出模块（EM AM06）（电压模式：12 位 + 符号位模拟量输入 /11 位+ 符号位模拟量输出），通过网线可将开发好的程序下装至PLC主机中，可完成所有多通道输出、多通道输入控制实验，实验开放性好。其运行安全可靠，稳定性高，也是工业现场最常用的控制器。

 智能仪表控制系统

1、系统采用智能型的仪表，线性电流4～20mA电流输出，包含人工智能调节算法，模糊PID及参数自整定功能，可组成三闭环控制系统。

1）智能位式调节仪

系统采用智能型的仪表，带有计算机RS485通讯功能，采用继电器位式输出、位式控制算法，挂箱内部装有接触器位式控制装置，仪表可根据设定值、回差来控制继电器的动作，完成温度位式控制。

仪表控制系统核心为带通信功能的各种仪表，仪表内集成了各种算法，根据现场情况整定仪表控制算法的各种参数，达到控制效果。同时带通讯功能的仪表与上位计算机的软件平台通讯。仪表各种参数和过程值进入软件平台（工控组态软件）的数据库，再加上组态的流程画面和操作界面，可以方便在上位计算机整定参数，对过程值进行记录分析和打印曲线。

 六、单套配置清单

七、实验内容

1、过程控制系统结构组成的认识实验

（1）过程控制及检测装置硬件结构组成的认识与控制方案的组成及连接实验

（2）智能调节仪表、智能变送仪表等智能仪表的操作及参数设定实验

（3）传感器的校正(零点迁移与量程调整)

2、基本实验

（1）实验一 一阶单容水箱对象特性测试实验；

（2）实验二 二阶双容水箱对象特性测试实验；

（3）实验三 锅炉内胆温度二位式控制实验；

（4）实验四 单容水箱液位PID整定实验；

（5）实验五 串接双容水箱液位PID整定实验；

（6）实验六 锅炉内胆水温PID整定实验（动态）；

（7）实验七 锅炉夹套水温PID整定实验（动态）；

（8）实验八 流量计流量PID整定实验；

（9）实验九 水箱液位和涡轮流量串级控制实验；

（10）实验十 锅炉内胆和夹套温度串级控制系统实验；

（11）实验十一 电磁流量计和涡轮流量计流量比值控制系统实验；

（12）实验十二 上水箱中水箱液位串级控制实验；

（13）实验十三 换热器热水出口温度控制实验；

（14）实验十四 纯滞后温度PID控制实验；

（15）实验十五 三容水箱液位PID整定实验。

3、解耦控制系统实验

（1）上水箱水温与液位的解耦控制实验

（2）锅炉夹套水温与锅炉内胆水温的解耦控制实验

4、工控组态软件组态控制实验

（1）实时数据库组态实验

（2）图形动画、报表、曲线、报警组态实验

（3）设备通讯组态实验

（4）脚本程序应用组态实验