DCS分布式控制系统实训装置，高级过程控制综合实验装置
2024-09-17 08:23
一、概述
(1)、高级过程控制综合实验装置可满足“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)、高级过程控制综合实验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) 高级过程控制综合实验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) 高级过程控制综合实验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) 高级过程控制综合实验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-CG14 高级过程控制综合实验装置
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、具体系统配置要求
| 名称 | 单位 | 数量 | 技术参数 | 型号 | 产地 |
| 亚克力有机玻璃水 箱 | 只 | 3 |
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。 |
DB-1 | 上海 |
| 工业模拟锅炉 | 台 | 1 | 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。 | DB-2 | 上海 |
| 盘 管 | 台 | 1 | 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。 | DB-3 | 上海 |
| 管道及阀门 | 套 | 若干 | 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 | 诸暨 | |
| 液位变送器 | 只 | 5 | 三个液位变送器分别用来对上、中、下三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。智能压变送器传感器带HART通讯功能。 | DB801 | 上海 |
| 温度传感器 | 只 | 6 | 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。 | DBPT100 | 上海 |
| 锅炉防干烧保护装置 | 只 | 1 | 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。 | DB-4 | 上海 |
| 水泵 | 只 | 2 | 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 |
上海西山MP-55R-220 上海西山MP-55R-380 |
上海 |
| 电磁阀 | 只 | 1 | 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。 | DN15 | 永德信 |
| 二相移相调压装置 | 只 | 1 | 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； |
DTY-H220D35 |
上海红氏 |
| 电加热管 | 只 | 1 | 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。 | 上海 | |
|
交流变频控制 |
只 | 1 |
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。 |
MM420 | 西门子 |
|
智能调节器 |
套 | 3 |
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. |
AI818 | 宇电 |
|
▲计算机直接控制模块 |
套 | 1 | 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。 | 8017，8024 | 北京集智达 |
| PLC控制系统要求 | 套 | 1 | 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。 | CPU1212C PLC | 西门子 |
| 序号 | 名称 | 卡件号 | 数量 | 单位 | |
| 1 | 机柜（2100×800×600) | XP202 | 1 | 个 | |
| 2 | I/O机笼（20槽，4U） | XP211 | 1 | 个 | |
| 3 | 数据转发卡 | XP233 | 1 | 块 | |
| 4 | 主控制卡 | XP243X | 1 | 块 | |
| 5 | 24V转5V电源卡（窄面板） | XP258-2 | 2 | 个 | |
| 6 | 系统电源（II代） | PW732(24VDC,10A) | 2 | 个 | |
| 7 | 8路电流信号输入卡 | XP351 | 2 | 块 | |
| 8 | 8路模拟量输出卡 | XP372 | 1 | 块 | |
| 9 | 空卡 | XP000 | 6 | 块 | |
| 10 | 不冗余端子板 | XP520 | 5 | 块 | |
| 11 | 中控交换机 | SUP-2218 | 2 | 套 | |
| （二）操作站软件 | |||||
| 序号 | 名称 | 型号 | 数量 | 单位 | |
| 1 | 实时监控 | PRO 111操作站运行软件 | 1 | 套 | |
| 2 | 工程师组态软件 |
PRO 135 实现系统组态、流程图制作、报表制作、图形化编程等 |
1 | 套 | |
| （三）辅助部件 | ||||
| 序号 | 名称 | 性能 | 部件型号 | 数量 |
| 1 | 空气开关 | 通用空气开关2P | 6 | |
| 2 | 接线端子 | 端子(含附件) | 1 | |
| 3 | 安装附料 | 1 | ||
本系统中DCS控制方案采用浙大中控知名品牌的最新技术的DCS控制系统，软件采用工程监控组态软件。DCS控制系统硬件至少包含有4槽主控制器背板模块、主控制器模块、电源模块、直流电源分配板模块、交流电源分配板模块、8通道星形IO-BUS模块、星形IO-BUS终端匹配器模块、8路模拟量输入模块、8通道热电阻输入模块、8路模拟量输出模块等。
DCS系统需是面向过程自动化应用的大型分布式控制系统，采用全冗余、多重隔离等可靠性设计技术，并吸收安全系统的设计理念，从而保证系统的长期稳定运行。
（1）系统性能指标：
项目 参数值
从输入变化到显示该变化时间 ≤1s
从操作键入到相应输出变化时间 ≤1s
CPU控制IEC周期 10ms、50ms、100ms、200ms、500ms可选
画面显示完成时间 ≤1s
动态数据更新时间 ≤1s
系统容量 现场控制站 64台/域
最大域数 15个
单个现场控制规模 I/O模块数 ≤100
I/O点数 ≤1600
模拟量控制回路数 ≤128
（2）网络参数：
系统网连接工程师站、操作员站、历史站和控制站等系统节点，由100/1000M高速冗余工业以太网络构成，支持P-TO-P（对等网）、C/S（客户机/服务器）、P-TO-P和C/S（混合）三种网络结构，可快速构建星型、环型或总线型拓扑结构的高速冗余网络，符合IEEE802.3及IEEE802.3u标准，基于TCP/IP协议，通讯速率100/1000Mbps自适应，传输介质为5类非屏蔽双绞线。
（3）控制器参数：
技术指标
CPU 工业级PowerPC架构RISC芯片，32位，主频400MHz，带ECC；
内存 128M Bytes
程序存储FLASH 16M Bytes
掉电保持SRAM 1M Bytes；保存运算中间变量和过程数据；掉电后数据保持最长72小时。
运算调度周期 100ms
画面显示完成时间 ≤1s
动态数据更新时间 ≤1s
（4）系统控制柜 采用标准工业控制柜，上置大功率通风扇，下有防水进风凹槽，前置高强度透明玻璃，其整体做前门，在不用打开柜门的情况下即可观看整柜仪表运行情况，前后门均加工业控制柜专业用锁，整柜体内外全喷塑防触电结构，另有接地装置，控制系统在控制柜中可分层摆挂，前置大面板装有各种标准件及控制仪表模块等。
（5）主控制器模块
性能指标：
输入电压：21.6～26.4VDC
功耗（Max.）：6W @ 24VDC
热插拔：支持
模块冗余：支持，主从热备冗余，冗余切换时间最大50ms
运算速度：
CPU：工业级PowerPC,33oMHz,32位
存储器：
NOR FLASH：16M Bytes
NAND FLSAH：128M Bytes
DDRZ SDRAM：128M Bytes
掉电保持SRAM：1M Bytes
掉电保护：
工作方式：后备电池保持
掉电后数据保持时间：大于2 年
电池寿命：大于5 年，可在线更换
系统网：
以太网：100Mbps
工作方式：双网冗余
控制网：
总线协议：PROFIBUS-DP
协议版本：DPV1
工作方式：双网冗余
通讯速率：187.5Kbps、500Kbps、l.5Mbps
物理特性：
安装方式：背板插槽安装
防护等级：IP20
（6）4槽主控制器背板模块
支持4个模块，左边两个槽位插主控制器模块，右边两个槽位插IO-BUS模块。
主控模块和IO-BUS模块的外部接口位于4槽主控底座上。
底座接口：
冗余电源接口，提供 24VDC 给冗余主控以及冗余IO-BUS 供电；
电源状态接口，实现电源监视；
冗余控制器（A 机和B 机）插槽，左A 右B；
冗余 IO-BUS 模块（A 网和B 网）插槽，左A 右B；
冗余12路8孔接口（A1-A6，B1-B6），实现IO-BUS 控制总线的总线型或星型拓扑结构，并将现场电源、系统电源、IO-BUS 总线信号
（7）24VDC 120W电源模块
实现交流110VAC/220VAC到直流24VDC的转换，输入与输出隔离，输出额定功率120W。
具有过载保护功能，当输出功率超过105~150%的额定功率，限流输出，过载消除后自动恢复。输出短路时，伴有蜂鸣报警。
输入电压：115VAC/230VAC，切换开关选择
输出电压：24VDC
额定功率：120W
支持1＋1冗余
开关频率55KHz
输出短路/过载保护
输出过压保护
输出超温保护
输出状态查询和LED指示灯
输入/输出/外壳隔离
（8）24VDC 240W电源模块
实现220VAC到24VDC输出的转换，输入与输出隔离；具有输出短路保护功能，故障消除后电源自动恢复。
输入电压范围 176~264VAC
输入频率范围 50~60Hz.
功率因数(Typ.) 满负载 0.96/230VAC
输入电流 1.4A/230VAC
浪涌电流 冷启动 45A/230VAC
漏电流 <3.5mA/240VAC
额定输出电压 24VDC
输出电压精度 ±2%
额定输出电流 10A
额定输出功率 240W
纹波（包括噪声） 240mVp-p
负载调整率 ±2%
电压调整率 ±1%
阶跃负载特性 <±5%@从20%到70%的负载突变，稳定时间<50ms
（9）交流电源分配板模块
交流配电模块实现两路冗余220V交流电输入，10路220V交流输出。两路交流输入，每路分成5路输出220VAC，共10路220VAC输出。每路输出有一个船型开关，控制输出状态。
输入电压：110V/220VAC（2路）
输出电压：110V/220VAC（每路输入对应5路输出）
开关方式：每路输出有一个船型开关（带绿色的通断指示灯）
安装方式：导轨安装
（10）直流电源分配板模块
直流电源配电板实现1组（2路）24VDC系统电源的冗余并联输出，2组（4路）24VDC（120W/240W），现场电源的冗余并联输出，1组（2路）24/48VDC辅助（查询）电源的冗余并联输出，并且检测各输入电源的电压状态，进行低压报警输出。
输入电压：
1组2路24VDC系统电源（Max. 240W）
1组2路24VDC（240W）现场电源
1组2路24VDC（120W）现场电源
1组2路24/48VDC辅助（查询）电源
输出电压：
冗余系统电源（24VDC）、240W现场电源（24VDC）、120W现场电源（24VDC）并联分配在2个6孔连接器上输出；冗余24/48VDC辅助（查询）电源并联分配在4个3孔连接器上输出。
输入电压报警阈值：
24VDC：＞22V 输出闭合；＜20V 输出开路
48VDC：＞44V 输出闭合；＜41V 输出开路
负载能力：
24VDC 最大负载10A
48VDC 最大负载5A
冗余压降：
25℃环境下满载输入，输出压降小于1V
隔离耐压：
系统电源与现场电源间 ≥1500VAC，1min@5mA
系统电源与辅助（查询）电源间 ≥1500VAC，1min@5mA
现场电源与辅助（查询）电源间 ≥1500VAC，1min@5mA
绝缘电阻：
≥100M@常态（温度25±2℃，相对湿度30±5%无冷凝）
≥10M@湿热环境（温度45±2℃，相对湿度95±3%无冷凝）
（11）8通道星形IO-BUS模块
系统电源：
输入电压：24VDC（-10%~+10%）
功耗：150mA @24VDC（Max.）
热插拔：支持
供电方式：系统供电
HUB功能：
端口：8端口：1~6 IO口，7主控口，8扩展口
其中7口和8口电气隔离，其他6路非电气隔离
连接线缆：采用K系统预制DP电缆
协议：PROFIBSUS- DP
通讯速率：45.45k bps~3M bps 自适应
级联个数：3级级联/1.5Mbps，2级级联/3Mbps（每一级HUB的输出和输出之间的延迟不大于1.5μS）
传输距离：200m/1.5M bps（100m/3M bps）
电气带负载能力：30节点
检测功能：
DP总线：检测各支线DP总线的断路、总线差分线之间短路故障
AC/DC电源模块：查询电源的状态
机柜温度：范围：-10℃~70℃；精度：1℃；速度：0.5min；
物理特性：
安装方式：导轨安装
防护等级：IP20
工作环境：
工作温度：（机柜内温度） 0℃~60℃
存储温度：-40℃~70℃
相对湿度：5%~95%（无凝结）
海拔：< 3000m
（12）星形IO-BUS终端匹配器模块
有两个8孔连接器，总线A、总线B各1个，只是电缆进线，没有出线，安装在每一路总线分支的末端，提供终端匹配电阻。
（13）8通道模拟量输入模块
可以接二线制仪表或四线制仪表，每通道预留4个接线端子，无需跳线就可以设置为配电或不配电工作方式。连接安全栅时，支持跨机柜接线方式。同时，具备强大的过流、过压保护功能，通道误接±30VDC和过电流都不会损坏模块。同时，配合增强型底座还可以做到现场误接AC220V不损坏。
供电电压：24VDC±10%；
功率消耗（MAX）：6W@24VDC，8通道同时外供电源；
通道数量：8路；
信号类型：0～5V/0～10V/0～100mA/0～20mA/4～20mA；
转换精度：0.1%@25℃，0～20mA/～10V，满量程；0.2%@25℃，0～10mA/～5V，满量程；
电流采样电阻：200Ω；
采样速度：10次/秒MAX；
通讯接口类型：PROFIBUS-DP协议；
通讯速率：500Kbps/93.75 Kbps /45.45 Kbps /19.2 Kbps /9.6 Kbps；
通讯隔离电压：500Vrms；
防护等级：IP40
（14）8通道模拟量输出模块
供电电压：+24VDC10%；电流消耗：最大250mA (电压为+24 VDC)通道数：8路；信号类型：4～20mA/0-20mA/0-24mA/0-5V；精度：0.2%；负载能力：750/24VDC；工作温度：0℃~45℃；存储湿度：5%～95%相对湿度,不凝结；防护等级IP40
（15）8通道AI与AO底座模块：配套AI/AO模块的接线端子，实现与外围设备的连线。
（16）8通道热电阻输入模块
通道数目：8；
接线方式：支持二线制、三线制、四线制；
量程：温度范围：Pt100：-200~850℃；Cu50：-50~150℃；阻值范围：1~500Ω
ADC分辨率：16位；
稳定度：0.05% F.S.；
通道扫描时间：1s/8通道；
差模抑制比：≥60 dB @ 50/ 60 Hz；
故障诊断类型：通道断线、短路、超量程
（17）8通道热电阻输入底座模块：配套RTD热电阻模块的接线端子，实现与外围设备的连线。
（18）A网12插头多功能总线预制电缆
（19）查询电源分配板供电预制电缆；3针molex插座
（20）直流电源监测报警预制电缆；两个12针molex插座
（21）DCS系统软件：包含工程总控软件操作员在线软件、操作员在线配置工具软件、 离线查询软件、仿真启动管理软件等。
（22）软件授权
常规实验项目
1、过程控制系统组成认识实验
过程控制及检测装置硬件结构组成认识
控制方案组成与控制系统连接
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
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
调节阀流量静态特性的测试
磁力泵变频调速机构流量静态特性的测试
单容水箱液位对象动态特性的测试
多容水箱液位对象动态特性的测试
锅炉内胆温度对象动态特性的测试
3、位式控制系统实验
锅炉内胆水温的位式控制
锅炉夹套水温的位式控制
4、单回路控制系统实验
上水箱或中水箱或下水箱液位的定值控制
多容水箱液位的定值控制
锅炉内胆水温的定值控制
锅炉夹套水温的定值控制
调节阀支路流量的定值控制
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
串级控制系统的信号连接
水箱液位的串级控制
水箱液位与流量的串级控制
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
单闭环流量比值控制
双闭环流量比值控制
7、复杂控制系统实验
水箱液位的动态前馈-反馈控制
温度smith预估控制
8、工控组态软件组态实验
实时数据库组态实验
图形动画、报表、曲线、报警组态实验
设备通讯组态实验
脚本程序应用组态实验
9、PLC控制方式下的过程控制实验
（三）物联网无线网络控制
1、ZIGBEE通讯实验
2、ZIGBEE组网实验（提供触摸屏的组网图）
3、WiFi通讯实验与电脑通信（录制视频寻址过程）
4、PID参数调节与控制（提供4个站点的曲线图）
5、触摸屏显示功能（提供软件界面）
6、手机APP显示与控制（提供软件界面）
7、开关量控制实验
（四）DCS实验内容
系统流程图
特性实验
1、水箱单容特性实验
3、上下水箱双容特性实验
4、电动阀流量特性实验
6、温度特性实验
7、压力特性实验
单回路控制实验
1、电动调节阀支路单容液位控制实验
2、变频器支路单容液位控制实验
3、上水箱双容液位控制实验
4、上下水箱双容液位控制实验
串级控制实验
1、上水箱双容串级控制实验
2、温度流量串级控制实验
3、比值控制实验
复杂控制实验
1、单闭环比值流量控制实验
2、随动流量比值控制实验
3、双容解耦控制