高级过程控制综合自动化实验系统，过程控制实训装置
2024-10-26 09:07
一、高级过程控制实训装置功能：
(1)、高级过程控制实训装置可满足“自动调节原理”，“过程控制”，“控制仪表”，“自动检测技术与传感器”,“计算机”及相关课程的教学实验需求；(2)、高级过程控制实训装置可作为有关企业技术人员、仪表操作人员、系统运行监控人员的实习、培训实验设备。
(3) 高级过程控制实训装置能实现包括温度、压力、流量、液位定值调节系统，以及比值、串级、前馈等复杂调节系统的实验及培训功能。
(4) 高级过程控制实训装置能适应培训基地相关专业在热工仪表、高级过程自动控制原理及系统、3火电厂计算机控制及系统、热工自动控制系统、DCS、PLC等相关专业的实验、培训要求。
(5) 高级过程控制实训装置被控对象提供有接口控制箱，控制箱电源和信号分开。控制箱包括电源装置、变频器、温度调温装置及设备的基本保护装置，此外并提供与DCS接口的端子，作为与DCS、PLC的扩展接口。
DB-CG29 高级过程控制实训装置
1、输入电源:三相四线制或三相五线制 380V±10％ 50Hz；
2、工作环境: 温度–10℃－+40℃ 相对湿度＜85％（25℃）；
3、装置容量：＜5kVA；外形尺寸：1830mm×780mm×1850mm
三、具体要求
实验装置对象主要由不锈钢框架、不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、三相电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加保温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、压力仪表、电动调节阀、交流电磁阀、流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、流量计及手动调节阀组成。
1. 水 箱：
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。主水箱容积可以隔断、可以组合，其中有一只水箱要求可以进行非线性实验。刻度线要求刻在水箱内壁上，不能采用粘贴纸贴在水箱上，水箱容积不小于20升，容积可变。
2. 工业模拟锅炉：
锅炉要求共有三个同心不锈钢圆筒，从里到外共分三层：内层设有电热丝加温装置，第二层为冷却层，第三层为溢流层，锅炉由三相电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），要求由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。配套加热器，由可控硅移相控温，功率达2.5KW以上。防干烧装置，要求提供防干烧探头。
3. 盘 管：
模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长25米（43圈），管径15mm，在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。
4. 管道及阀门：
整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。
5. 液位变送器：
三个液位变送器分别用来对两个上水箱和一个下个水箱和锅炉的液位进行检测，其量程为0～3KPa(以实际的水箱高度为准)，用于测量水箱液位高度，为直流24V供电、标准两线制接线4～20mA变送输出、精度0.5级，采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
6. 温度传感器：
装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200～+850℃。智能压变送器传感器带HART通讯功能。
7. 流量传感器、变送器：
二只涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管支路的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。
8. 锅炉防干烧保护装置：
为保证实验效果好、不降低锅炉加热功率的前提下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统，当锅炉内胆液位低于红色警戒水位线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏。
9. 电动调节阀：
采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀阀芯采用进口PS结构阀芯，具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC，输出为4～20mADC的阀位信号。
10. 水 泵：
本装置采用磁力驱动泵，流量为30升/分，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。三相磁力驱动泵，噪音低，寿命长，扬程达12米。
11. 电磁阀：
在本装置中，其中一只作为电动调节阀支路和变频支路的连通阀，起接通和关断两条支的作用。另外六只作为各液位水箱两条支路的进水阀门。工作压力：最小压力为10Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：－5～80℃；工作电压：24VDC。
12. 二相移相调压装置：上海红氏 DTY-H220D35
采用二相全隔离一体化交流移相调压器模块，采用SMT工艺，DCB陶瓷基板，有LED电源指示和LED输出调节量指示，控制参数：可输入0～5V、0～10V、4～20mA；输出参数：额定工作电压：380VAC±10%；电网频率：50Hz；断态峰值截止电压VP：≥1200VPK；电小负载电流：100 mA；断态漏电流：<12 mA；关断最大延时：10ms；调节响应时间：10ms；
13. 三相电加热管（带保护装置）：
由三根1.0KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温。
14. 交流变频控制: 三菱变频器
本系统采用的变频调速模块为多功能、紧凑型产品，具备V/F控制、通用磁通矢量控制、最佳励磁控制等，运行特性：多段速15速、PID控制、输出电流检测、异常时再试功能、零电流检测；输出频率范围：0.2～400Hz；频率设定分辨率：0.06Hz/60HZ；频率精度：最大输出频率的±0.1%以内；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。
15. 过程控制实验对象接口箱：（招标时，提供设计图）
控制对象接口箱分电源箱和信号接口箱。电源箱主要包含各种电源装置及电源分配开关，变频器、三相移相调压装置等强电装置；信号接口箱主要为各种弱电信号与DCS联接中间过渡箱。
四、系统主要特点及扩展要求
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.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；
五、控制装置的安全保护体系
三相四线电源经漏电保护器装置后分为三相电源支路和单相电源支路，每一支路都带有各自三相、单相空气开关。加热装置配套有防干烧装置，对加热实验起到设备及人身安全保护。
六、信号参数：
| 序号 | 信号名称 | 测量范围 | 输出信号 | 备 注 |
| 1 | 进水流量 | 0～1.2㎡/H | 4～20MA带 | 调节阀支路、变频器支路及盘管出口 |
| 3 | 水箱液位 | 0～5000Pa | 4～20MA带 | 上、下三个液位水箱 |
| 4 | 锅炉水温 | 0～100℃ | 100～138.5Ω | |
| 5 | 夹套水温 | 0～100℃ | 100～138.5Ω | |
| 6 | 盘管水温 | 0～100℃ | 100～138.5Ω | |
| 7 | 变频器控制信号 | 0～50Hz | 4～20MA | |
| 8 | 变频器反馈信号 | 0～50Hz | 4～20MA | |
| 9 | 电动调节阀控制信号 | 0～100% | 4～20MA | |
| 10 | 电动调节阀反馈信号 | 0～100% | 4～20MA | |
| 11 | 电磁阀 | 常闭 | 控制管路流量 |
系统基本配置
一、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，安全性符合国际标准。
二、执行机构及I/O信号接口面板
面板材质采用铝材，面板标识采用凹字烂板工艺进行加工制作，针对各种信号接口均配有文字及符号说明，信号区分一目了然，方便实验接线。所有信号采用国际标准的IEC信号。执行机构接口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。并将对象系统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。
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。锅炉防干烧保护装置为保证实验效果、不降低锅炉加热功率的前提下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统，当锅炉内胆液位低于红色警戒水位线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏。
（1）智能调节器
要求三台智能调节器采用AI519全通用人工智能调节器。全球通用的85～264VAC输入范围供电。具有RS485通讯功能，采用先进的AI人工智能调节法。具备自整定功能。（K5 主控）S4、X3变送输出.
▲（2）计算机直接控制模块
要求用于计算机控制，设有通讯端口，完全模拟工业现场环境，装有一块远程数据采集模块8017和一块远程数据采集模块8024。要求8017为8通道模拟量输入模块，输入量为1－5V；8024为4通道模拟量输出模块，输出信号为4－20mA；上位机要求采用MCGS组态软件进行监控。安装有远程数据采集模块，可进行计算机直接数字控制（DDC）。网络功能：数据采集软件具有网路功能,利用计算机控制技术现场总线，采用工业以太网协议，具有良好的开放性，共享总线网络结构，以能够相互共享资源的方式结合起来。计算机网络中的技术具有自治特点，他们以传输数据和控制为目的。一个工程师站，可以控制无限个操作员站，老师可以在任何地方对他进行监控和控制，用密码的形式来实现。（提供密码登录界面图，不提供不得分）
（3）PLC控制系统要求
采用西门子S7—1200 CPU1212C PLC，要求信号采集稳定，可靠性高，组态灵活。要求支持以太网等多种通信方式。12路数字量输入，8路数字量输出），要求配置SM1234模块，模拟量输入输出模块（四路输入、二路输出）；上位机要求采用mcgs软件进行监控。
八、实验项目
（一） 常规实验项目
1、过程控制系统组成认识实验
1) 过程控制及检测装置硬件结构组成认识
2) 控制方案组成与控制系统连接
3) 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
4) 传感器的校正（零点迁移与量程调整）
2、被控对象特性测试实验
1) 调节阀流量静态特性的测试
2) 磁力泵变频调速机构流量静态特性的测试
3) 单容水箱液位对象动态特性的测试
4) 多容水箱液位对象动态特性的测试
5) 锅炉内胆温度对象动态特性的测试
3、位式控制系统实验
1) 锅炉内胆水温的位式控制
2) 锅炉夹套水温的位式控制
4、单回路控制系统实验
1) 上水箱或中水箱或下水箱液位的定值控制
2) 多容水箱液位的定值控制
3) 锅炉内胆水温的定值控制
4) 锅炉夹套水温的定值控制
5) 调节阀支路流量的定值控制
6) 变频调速磁力泵支路流量的定值控制
5、串能控制系统的实验
1) 串级控制系统的信号连接
2) 水箱液位的串级控制
3) 水箱液位与流量的串级控制
4) 锅炉内胆水温与锅炉夹套水温串级控制
6、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
7、复杂控制系统实验
1) 水箱液位的动态前馈-反馈控制
2) 温度smith预估控制
8、工控组态软件组态实验
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
9、PLC控制方式下的过程控制实验