SBGE-1型過程控制綜合實驗裝置
一、系統(tǒng)總體概述
過程控制綜合實驗裝置（Process Control System，簡稱PCS），是模仿現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的物理量，諸如溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)，對其進行測量、控制，分析過程參數(shù)變化特性，研究過程控制規(guī)律(如PID控制)的教學實驗設(shè)備，過程控制綜合實驗裝置選用智能化的工業(yè)用儀器儀表，接近工業(yè)實際，使用安全，運行穩(wěn)定，維護簡單，性價比優(yōu)越。本裝置集合多種控制方式，再現(xiàn)實際工業(yè)現(xiàn)場使用的控制手段，采用聲光報警系統(tǒng)，并提供用戶更友好的二次開發(fā)接口。
1、功能：
(1)可滿足"自動調(diào)節(jié)原理"，"過程控制"，"控制儀表"，"自動檢測技術(shù)與傳感器","計算機"及相關(guān)課程的教學實驗需求；
(2)可作為有關(guān)企業(yè)技術(shù)人員、儀表操作人員、系統(tǒng)運行監(jiān)控人員的實習、培訓實驗設(shè)備。
2、技術(shù)支持：
公司依托浙江大學強大的技術(shù)支持，擁有過程控制實驗裝置的自主開發(fā)能力。在PCS系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合控制領(lǐng)域的新理論、新方法，公司將源源不斷研制和創(chuàng)新實驗設(shè)備，開發(fā)各種先進控制算法，以適應(yīng)高校教學實驗改革，滿足現(xiàn)代化教育發(fā)展的需要，促進向更高層次發(fā)展。
公司倡導誠信服務(wù)，竭力做好客戶服務(wù)和技術(shù)支持工作。通過直觀真實的實驗，使學生全面系統(tǒng)地了解過程控制系統(tǒng)的特性，學習掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。
二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與特點：
1、外形結(jié)構(gòu)：
2、設(shè)備特點：
（1）分體式設(shè)計，模塊化組裝式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的需要選擇、PLC控制，儀表控制, ,DDC計算機直接控制組成不同的控制系統(tǒng)。含有常規(guī)水箱檢測控制裝置、鍋爐加熱裝置。設(shè)備可以實現(xiàn)多臺電腦控制系統(tǒng)，進行遠程網(wǎng)絡(luò)控制。
（2）二水箱配置；雙路供水系統(tǒng)。
（3）實驗柜完全敞開設(shè)計，內(nèi)部器件全部可視，有利直觀教學和維護。
（4）人性化設(shè)計，配有儲水箱，進排水自控裝置，減輕實驗人員勞動強度。為實驗文明操作提供條件。
（5）裝置的儀表、部件均選用現(xiàn)代化技術(shù)工業(yè)級產(chǎn)品，智能化程度高。精度好，規(guī)格多樣。有利直觀教學和拓寬學生工業(yè)現(xiàn)場知識。為以后走上社會打好結(jié)實基礎(chǔ)。
（6）安全度高，系統(tǒng)配有漏電保護，帶保護套的專用實驗電源連線，及溫控箱防止無水加溫自動控制等，力求保護人身、設(shè)備安全。
（7）開放度好，在教師指導下，學生可觀察、可自己動手參與操作、可自行編程進行驗證、可根據(jù)記錄的實時曲線進行理論分析等。
（8）鍋爐加熱程控保護系統(tǒng)：
A、加熱電路加有保險管進行過載保護，并具有防干燒保護功能；
B、鍋爐加熱內(nèi)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(diào)壓器工作。
（9）人生安全及設(shè)備的保護措施：
A、加有電流型漏電保護器，防止設(shè)備漏電短路造成的設(shè)備及人身傷害。
B、各控制電路加有保險管，有效保護器件因過載造成損壞。
（10）電源啟?？刂品绞剑徊捎脝⑼０粹o控制接觸器來控制電源的啟停。
（11）漏電保護裝置及安全性和安全承諾：
A、各種電源及各種儀表具有可靠的保護功能
B、各種電源及各種儀表的強電采用開關(guān)控制，學生不自行接線，不存在強弱電混插的問題。
C、實驗強電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，防止觸電事故的發(fā)生。
三、系統(tǒng)技術(shù)參數(shù):
（1）單相三線AC～220V±10% 50Hz。
（2）工作環(huán)境：溫度-10℃～+40℃相對濕度＜85%。
（3）裝置容量：＜6KVA。
（4）電源有內(nèi)、外電壓型漏電保護裝置和電流型漏電保護裝置。
（5）各測量儀表均要有保護功能。
（6）控制信號：電壓1～5V，電流4～20mA。
（7）上位計算機組態(tài)軟件組態(tài)王,全中文工控組態(tài)軟件進行開發(fā)的實驗系統(tǒng)。運行環(huán)境要求,可以組成網(wǎng)絡(luò),一臺老師機可以控制十幾臺學生機,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
（8）可以同時對三個參數(shù)進行采集，比如，一組測流量，一組測溫度，一組測壓力；
（9）重量：實驗臺+實驗架，約重250Kg
（10）動力系統(tǒng)：功率可調(diào)的不銹鋼循環(huán)水泵:可組成不銹鋼泵＋電動調(diào)節(jié)閥＋渦輪流量計的動力流量調(diào)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(diào)節(jié)系統(tǒng)。單相可控硅移相調(diào)壓裝置、單相電加熱管組成鍋爐加熱動力系統(tǒng)。
（11）不銹鋼框架及不銹鋼安裝底板：不銹鋼框架安裝有機玻璃雙容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器。不銹鋼安裝底板安裝固定不銹鋼支撐框架、檢測傳感執(zhí)行裝置、管路等。
（12）水泵出水口帶快插接頭。
（13）有機玻璃串接水箱，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。
（14）電源控制屏
總電源帶漏電保護的空氣開關(guān)控制，另控制屏內(nèi)部設(shè)有電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器，配有漏電報警指示燈和告警復位按鈕，安全性符合國際標準。實訓裝置需提供電網(wǎng)電壓指示。通過鑰匙開關(guān)和啟停控制按鈕。并設(shè)置有執(zhí)行元件輸入輸出接口、模擬量信號輸入輸出接口。
對象模擬板：繪制有控制對象的管路連接原理圖，圖上元器件的布置與實際被控對象的元器件分布相對應(yīng)，實驗時直觀。
四、系統(tǒng)主要配置及功能介紹（以下為單套配置清單）
1、系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)配置清單
序號 | 名 稱 | 規(guī)格、參數(shù) | 特 點 | 數(shù)量 |
1 | 智能電動調(diào)節(jié)閥 | 等百分比特性內(nèi)置侍服放大器,稀土永磁同步電機,體積小,力矩大.工作電壓 24VAC，輸入電流4-20mADC | 等百分比特性內(nèi)置侍服放大器,稀土永磁同步電機,體積小,力矩大,比普通的電動閥貴 | 1只 |
2 | 單相磁力泵 | 無泄漏，低噪音，單相220VAC，90W。 | 聲音比較小,有利于實驗室保持安靜,工作的穩(wěn)定性非常好 | 1臺 |
3 | 三相磁力泵 | 無泄漏，低噪音，三相220VAC，180W，揚程8米。 | —— | 1臺 |
4 | 交流變頻控制（日本三菱） | 采用日本三菱公司的FR-D720S-0.4K-CH型變頻器，控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220V變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵。 | —— | 1臺 |
5 | 溫控調(diào)壓模塊+散熱器 | 全隔離單相交流可控硅調(diào)壓模塊；控制信號：4-20mADC。 | 自行設(shè)計性能可靠安全 | 1套 |
6 | 加熱環(huán) | 功率：1800W，220VAC。 | 具有防干燒保護功能 | 1只 |
2、傳感變送器清單
序號 | 名 稱 | 規(guī)格、參數(shù) | 特 點 | 數(shù)量 |
1 | 擴散硅壓力變送器（液位） | 選用美國NovaSensor原裝進口的擴散硅隔離探頭。0.5級精度；輸出信號：選4-20mADC（二線制）；接頭及外殼材料：不銹鋼（1Cri18Ni9Ti）。 | 不銹鋼隔離膜片,適用范圍廣,高精度,高溫定性,高可靠性,結(jié)構(gòu)精巧安裝方便,零點漂移小,它的價格是普通的傳感器的兩倍 | 2只 |
2 | 壓力變送器 | 選用美國NovaSensor原裝進口的擴散硅隔離探頭。0.5級精度；輸出信號：選4-20mADC（二線制）；接頭及外殼材料：不銹鋼（1Cri18Ni9Ti）。 |
| 1只 |
3 | Pt100溫度傳感器及溫度變送器 | Pt100：A級；溫度變送器：0.5級精度，0-100℃。 | —— | 1套 |
4 | 渦輪流量計及流量變送器 | （1）量程：選0-1200L/h；（2）輸出信號：4-20mADC；（3）精度：0.5級。 | 整個系統(tǒng)管道由鋁塑管和不銹鋼管連接而成，不會產(chǎn)生漏水現(xiàn)象。所有的手動閥門均采用優(yōu)質(zhì)球閥，流量計和壓力傳感器安裝在官道上以測量管道流量和水泵出水口壓力。 | 1套 |
3、控制系統(tǒng)配置清單
序號 | 名 稱 | 規(guī)格、參數(shù) | 品 牌 | 數(shù)量 |
1 | 計算機在線計算自動控制模塊 | 用遠程數(shù)據(jù)采集模塊，D/A8024模塊4路模擬輸出4~20mA電流，A/D8017模塊8路模擬輸入1~5V。 | 集智達 | 1套 |
2 | 智能儀表控制系統(tǒng) | AI 808P智能儀表 | 廈門宇電 | 2臺 |
3 | PLC控制系統(tǒng) | 采用西門子S7-200 SMART主機CPU SR20(自帶以太網(wǎng)通訊口)，配置一個4入/2出模擬量模塊EM AM06，可完成所有單通道輸出、多通道輸入控制實驗。 | 德國西門子 | 1套 |
4 | ▲主機監(jiān)測單元 | 電路部分采用超薄可折疊導電材料技術(shù)，實時檢測主機多路運行狀況（4路以上），并且?guī)б壕э@示和報警顯示，主機檢測單元可反復折疊不損壞電路，支持手機無線采集數(shù)據(jù)。不推薦手機數(shù)據(jù)線導入數(shù)據(jù)模式、不推薦WIFI及藍牙等手機數(shù)據(jù)接受模式。 | 碩博 | 1套 |
5 | ▲過程控制仿真實驗軟件 | （1）仿真系統(tǒng)模擬工業(yè)生產(chǎn)過程的四大熱工參數(shù)，包括液位對象，溫度對象，流量對象，壓力對象，無縫對接“過程控制實驗裝置”的控制系統(tǒng)，能夠完成基本對象特性測試、單閉環(huán)控制、串級控制、前饋反饋控制、流量比值控制等實驗，可以替代被控對象。 （2）仿真軟件要求在軟件設(shè)計有原理結(jié)構(gòu)圖，具有可開發(fā)性。同時要求可開放源代碼給學校，供學生自己研究和設(shè)計，既滿足基本教學同時也可作為研究創(chuàng)新平臺使用。 ▲（3）要求提供流量和液位單回路、比值控制、串級控制系統(tǒng) 3 種實驗的Simulink 控制軟件建模界面和響應(yīng)曲線。 （4）軟件具有以下界面圖： 1）單容水箱建模界面圖； 2）單容水箱建模響應(yīng)曲線圖； 3）單容水箱控制界面圖； 4）單容水箱液位控制響應(yīng)曲線； 5）比值流量實物控制圖； 6）比值流量控制響應(yīng)曲線； 7）比值流量仿真圖； 8）比值流量仿真響應(yīng)曲線； 9）上下水箱串級實物控制圖； 10）上下水箱串級液位控制響應(yīng)曲線； 11）上下水箱液位串級模型仿真圖； 12）上下水箱串級液位仿真響應(yīng)曲線； 13）上水箱液位流量串級實物控制圖； 14）上水箱液位流量串級試驗曲線； 15）上水箱液位流量串級仿真圖； 16）上水箱液位流量串級仿真響應(yīng)曲線。 | 碩博 | 1套 |
6 | ▲物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng) 視頻演示4個節(jié)點1個匯節(jié)點 | 本設(shè)備需配置二種無線通訊模塊：Zigbee通訊模塊， WiFi通訊模塊?？梢愿鶕?jù)需要搭設(shè)不同的無線通訊傳感網(wǎng)。無線通訊傳感網(wǎng)主要由以下幾部分組成：AD轉(zhuǎn)換、發(fā)射部分、接收部分、上位機。 硬件系統(tǒng)： 無線數(shù)據(jù)采集控制器（8路模擬量輸入（A/D）輸入0-5v，0.01v分辨率。4路模擬量輸出（D/A）輸出0-5v，0.01v分辨率，8路數(shù)字量輸入（DI）， 4路數(shù)字量輸出（DO）。 1、主控單元模塊包括主控以CORTEX-M3為內(nèi)核的STM32F103VET6主芯片及其外圍電路，3.5寸帶觸摸顯示屏，各無線模塊接口等等； 15系列單片機STC15L2K60S2及其外圍電路，藍牙和ZIGBEE模塊接口等等。各無線數(shù)據(jù)傳輸模塊均已接入到二者上面，包括主控單元模塊上面的WIFI 模塊（本W(wǎng)IFI模塊只與路由器連接）。數(shù)據(jù)采集單元模塊上模塊（從機），ZIGBEE模塊（B端），分別可以和主控單元模塊上ZIGBEE模塊（B端）通信，主控單元的模塊與數(shù)據(jù)采集單元的模塊通過交互通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，最終結(jié)果可通過WIFI發(fā)送到電腦終端。 2、WiFi通信模塊：最高傳輸速率230400bps，TCP連接最大連接數(shù)>20UDP連接最大連接數(shù)>20串口波特率50~230400bps工作溫度：-20 ~ 60°C，工作濕度：10%-90%RH（不凝結(jié)）。 3、ZigBee模塊：CC2530F256，無線頻率：2.4 GHz工作電壓：2 V~3.6 V，輸出功率：4.5 dBm該模塊使用STM32F103作為主控制器，完成傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理，利用WiFi模塊可以將傳感器數(shù)據(jù)上傳到移動安卓等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，利用有線網(wǎng)、無線網(wǎng)等可以遠程訪問傳感器數(shù)據(jù)；利用ZigBee模塊組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。 |
| 1套 |
4、軟件系統(tǒng)配置清單
序號 | 名 稱 | 規(guī)格、參數(shù) | 品 牌 | 數(shù)量 |
1 | 組態(tài)王控制軟件 | 組態(tài)王軟件 | 組態(tài)王 | 1套 |
2 | 智能儀表控制軟件 | —— | —— | 1套 |
3 | PLC編程軟件 | step 7 MicroWIN | 西門子 | 1套 |
4 | PLC應(yīng)用軟件 |
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| 1套 |
5 | 過控仿真軟件 |
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| 1套 |
6 | 無線控制網(wǎng)絡(luò)軟件 |
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| 1套 |
7 | 提供實驗指導書，實驗教學PPT,實驗操作視頻等相關(guān)技術(shù)資料 |
5、其他設(shè)備
序號 | 名 稱 | 規(guī)格、參數(shù) | 品 牌 | 數(shù)量 |
1 | 實驗用淡藍色透明有機玻璃水箱 | 包括上水箱、下水箱和儲水箱。上、下水箱采用優(yōu)質(zhì)有機玻璃，水箱容積17.5*10-3m3采用優(yōu)質(zhì)有機玻璃，水箱底部均接有壓力傳感器。儲水箱由不銹鋼板制成 |
| 2只 |
2 | 不銹鋼溫控實驗箱 | 帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐容器：內(nèi)膽容積>=Φ10×50（通動態(tài)被加熱水），帶單相不小于1.5KVA電加熱管，夾套>=Φ15×40（帶保溫棉），加熱鍋爐容器做成全封閉式，內(nèi)膽安裝Pt100溫度傳感器。 |
| 1只 |
3 | 不銹鋼儲水箱 | 內(nèi)有獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計和不銹鋼過濾網(wǎng)，拆洗方便 |
| 1只 |
4 | 儲水箱自動進、排水裝置 | 其中儲水箱底部裝有出水閥，水箱需要更換水時，把出水閥打開將水直接排出。 |
| 1套 |
5 | 繼電器 | 小型繼電器 | 國產(chǎn) | 1只 |
6 | 電磁閥 | 電磁閥作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，可以實現(xiàn)階躍和脈沖干擾，通過手動閥開度可調(diào)節(jié)階躍和脈沖干擾的大小。 | 國產(chǎn) | 1只 |
7 | 液面探頭 | 自制 |
| 2只 |
8 | 配有24v直流穩(wěn)壓電源 | 提供直流24V電源 |
| 1只 |
9 | 全部不銹鋼管及配件，增加設(shè)備的使用壽命。 | 外加工 |
| 1套 |
10 | 電腦桌 | 型材和鈑金結(jié)構(gòu)，用于放置計算機，下方裝有萬向輪。 |
| 1臺 |
11 | 帶護套手槍式連接導線及配件 | 采用高可靠護套結(jié)構(gòu)手槍插連接線，里面采用無氧銅抽絲而成頭發(fā)絲般細的多股線，外包丁晴聚氯乙烯絕緣層，插頭采用實芯銅質(zhì)件外套鈹輕銅彈片。 |
| 1套 |
五、系統(tǒng)能完成的實驗項目
（一）特性實驗
1、水箱單容特性實驗
2、水箱雙容特性實驗
3、上下水箱雙容特性實驗
4、電動閥流量特性實驗
5、變頻器流量特性實驗
6、溫度特性實驗
7、鍋爐內(nèi)膽水溫測試
（二）單回路控制實驗
1、單容液位定制控制實驗
2、變頻器支路單容液位控制實驗
3、上下水箱雙容液位定制控制實驗
4、鍋爐內(nèi)膽壓力定值控制實驗
5、電動調(diào)節(jié)閥支路單閉環(huán)流量控制實驗
6、變頻器支路單閉環(huán)流量控制實驗
7、鍋爐內(nèi)膽溫度控制實驗
（三）串級控制實驗
1、水箱液位串級控制實驗
（四）變頻恒壓實驗
1、變頻恒壓供水實驗
（五）物聯(lián)網(wǎng)無線通訊傳感網(wǎng)
1、ZIGBEE通訊實驗（提供軟件界面）
2、ZIGBEE組網(wǎng)實驗（提供軟件界面）
3、WiFi通訊實驗與電腦通信（提供軟件界面）
4、PID參數(shù)調(diào)節(jié)與控制（提供軟件界面）
5、觸摸屏顯示功能（提供軟件界面）
6、手機APP顯示與控制（提供軟件界面）
教師機內(nèi)容
▲1、主機監(jiān)測單元測試
▲2、手機app控制
▲3、手機微信端報警設(shè)置
過程控制的仿真和基于MATLAB/RTW實時控制實驗
1、過程控制的仿真實驗（含以下"2、基于MATLAB/RTW實時控制實驗"所有實驗）
2、基于MATLAB/RTW實時控制實驗
1）對象特性測試實驗
① 上水箱特性測試實驗
② 下水箱特性測試實驗
③ 二階液位特性測試實驗
④ 溫度鍋爐對象特性測試實驗
⑤ 調(diào)節(jié)閥流量特性測試實驗
2）單回路控制系統(tǒng)實驗
① 壓力單閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
② 溫度單閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
③ 液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
④ 流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
⑤ 雙容液位控制系統(tǒng)實驗
3）串級控制系統(tǒng)實驗
① 上水箱液位和流量的串級控制系統(tǒng)實驗
② 上、下水箱液位串級控制系統(tǒng)實驗
4）流量比值控制系統(tǒng)實驗
5）液位解耦控制系統(tǒng)實驗
6）前饋反饋控制系統(tǒng)實驗
7）溫度純滯后預估（Smith）控制系統(tǒng)實驗
