【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 特點(diǎn)，并吸收了國(guó)內(nèi)外同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證而推出的一套全新的綜合性實(shí)驗(yàn)裝置。這個(gè) 裝置結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的實(shí)際，是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，單回路控制，串級(jí)控制 ，前饋 反饋控制，滯后控制、比值控制，解耦控制等多種控制形式。 THSA1 型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象 THSA1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)總貌圖如下所示： 圖 THSA1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)總貌圖 本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象主要由水箱、鍋爐和盤(pán)管三大部分組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（ 380V 恒壓供水）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（ 220V 變頻調(diào)速）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。 （ 1）水箱 包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。 上、中水箱尺寸 均 為： D=25cm， H=20cm；下水箱尺寸為： D=35cm， H=20cm。水箱結(jié)構(gòu)獨(dú)特， 由 三個(gè)槽 組成 ，分別 為 緩沖槽 、工作槽 和 出水槽 ，進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過(guò)帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過(guò)緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察 。 水箱底部均接有擴(kuò)散硅壓力傳感器與變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)和變送。 上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階 單回路 液位控制系統(tǒng) 和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級(jí)控制 系統(tǒng) 。 （ 2）模擬鍋爐 利用電加 熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內(nèi)膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測(cè)其溫度，可完成溫度的定值控制、串級(jí)控制，前饋 反饋控制，解耦控制等實(shí)驗(yàn)。 （ 3）盤(pán)管 模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道輸送和滯后環(huán)節(jié) ， 在盤(pán)管上有三個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，它們的滯后時(shí)間常數(shù)不同，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)。盤(pán)管的出水通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)的切換既可以流入鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)流回儲(chǔ)水箱。它可用來(lái)完成溫度的滯后和流量純滯后控制實(shí)驗(yàn)。 （ 4）管道及閥門(mén) 整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動(dòng)閥門(mén)均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底部有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，把球閥打開(kāi)將水直接排出。 （ 1）壓力傳感器、變送器 三個(gè)壓力傳感器分別 用來(lái)對(duì)上、中、下 三個(gè) 水箱的液位進(jìn)行檢測(cè) ，其量程為0～ 5KP，精度為 級(jí)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償 。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供 24V直流電源，輸出： 4～ 20mADC. (2)溫度傳感器 裝置中采用了六個(gè) Pt100 鉑熱電阻溫度 傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)鍋爐 內(nèi)膽 、 鍋爐夾套、 盤(pán)管 （有 3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)）以及 上水箱出口 的 水溫。 Pt100 測(cè)溫范圍： 200～+420℃ 。 經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 直流 電流信號(hào) 。Pt100 傳感器精度高，熱補(bǔ)償性較好。 （ 3）流量傳感器、變送器 三個(gè)渦輪流量計(jì)分別用來(lái)對(duì)由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路、由變頻器控制的動(dòng)力支路及盤(pán)管出口處的流量進(jìn)行檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，反應(yīng)快。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供 24V 直流電源。 流量范圍： 0～ ； 精度： %； 輸出： 4～ 20mADC。 （ 1）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為： QSVP16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V， 控制信號(hào) 為 4～ 20mADC 或 1～ 5VDC， 輸出 為 4～ 20mADC 的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便 。 （ 2）水泵 本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為 16CQ8P，流量為 30 升 /分，揚(yáng)程為 8 米，功率為 180W。 泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵 ,一只為三相 380V 恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻 220V 輸出驅(qū)動(dòng) 。 （ 3）電磁閥 在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)為：2W16025 ； 工作壓力：最小壓力為 0Kg/㎝ 2，最大壓力為 7Kg/㎝ 2 ； 工作溫度：－ 5～ 80℃ ；工作電壓： 24VDC。 （ 4）三相電加熱管 由三根 電加熱管星形連接而成，用來(lái)對(duì)鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進(jìn)行加溫，每根加熱管的電阻值約為 50Ω 左右。 THSA1 型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) “ THSA1 型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”主要由控制屏組件、智能儀表控制組件、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制組件、 DCS 分布式控制組件、 PLC 控制組件等幾部分組成。如圖 ： 圖 THSA1型過(guò)控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) （ 1） SA01 電源控制屏面板 由漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器組成。 （ 2） SA02 I/O 信號(hào)接口面板 該面板的作用主要是通過(guò)航空插頭（一端與對(duì)象系統(tǒng)連接）將各傳感器檢測(cè)信號(hào)及執(zhí)行器控制信號(hào)同面板上自鎖緊插孔相連，便于學(xué)生自行連線組成不同的控制系統(tǒng)。 （ 3） SA11 交流變頻控制掛件 采用日本三菱的 (R)型 變頻器，控制信號(hào)輸入為 4～20mADC 或 0～ 5VDC， 交流 220V 變頻 輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。 （ 4）三相移相 SCR 調(diào)壓裝置、位式控制接觸器 采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為 4～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào) ，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比 。輸出 交流 電壓用來(lái)控制 電 加熱器 的端電壓，從而 實(shí)現(xiàn) 鍋爐溫度的 連續(xù) 控制。 位式控制接觸器和 AI708 儀表一起使用，通過(guò)AI708 儀表輸出繼電器觸點(diǎn)的通斷來(lái)控制交流接觸器的通斷，從而完成鍋爐水溫的位式控制實(shí)驗(yàn)。 （ 1） AI智能調(diào)節(jié)儀表掛件 采用上海萬(wàn)迅儀表有限公司生產(chǎn)的 AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，其中SA12 智能調(diào)節(jié)儀控制掛件為 AI818 型， SA13 智能位式調(diào)節(jié)儀為 AI708 型。AI818 型儀表為 PID 控制型，輸出為 4～ 20mADC 信號(hào)；而 AI708 型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點(diǎn)型開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 AI系列儀表通過(guò) RS485 串口通信協(xié)議與上位計(jì)算機(jī)通訊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 （ 2） SA14 比值、前饋補(bǔ)償及解 耦 裝置掛件 比值、前饋補(bǔ)償裝置 同調(diào)節(jié)器一起使用，其原理如圖 13所示。上面一路作為比值器，輸入電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨器、反相比例放大器、反相器輸出 0～ 5V 電壓，可以實(shí)現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；當(dāng)上面一路作為干擾輸入，下面一路作為調(diào)節(jié)器輸出時(shí)，兩路相加或相減（通過(guò)鈕子開(kāi)關(guān)切換），再經(jīng)過(guò) I/V 變換輸出 4～ 20mA 電流，這部分構(gòu)成一個(gè)前饋補(bǔ)償器，可以實(shí)現(xiàn)液位與流量、溫度與流量的前饋 反饋 控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn) 。 程數(shù)據(jù)采集控制即我們通常所說(shuō)的直接數(shù)字控制（ DDC），它的特點(diǎn)是以計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡或模塊進(jìn)行 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換，控制算法全部在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn) 。 分布式控制組件 分布式控制系統(tǒng)（ DCS），國(guó)內(nèi)也稱(chēng)為集散控制系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是將危險(xiǎn)分散化，而監(jiān)視、操作和管理集中化，因而具有很高可靠性和靈活性。 控制組件 可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng) PLC）是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。 系統(tǒng)對(duì)象采集裝置參數(shù)要求 CS4000系列過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置和浙江天煌 THSA1型 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 主要測(cè)量的參數(shù) 分別 如表 和表 所示 ： 表 CS4000系列過(guò)程實(shí)驗(yàn) 裝置參數(shù)要求 檢測(cè)參數(shù) 測(cè)量裝置 輸入信號(hào) 輸出信號(hào) 1號(hào)水箱液位 壓力變送器 0~30cm 4~20mA 2號(hào)水箱液位 壓力變送器 0~30cm 4~20mA 3號(hào)水箱液位 壓力變送器 0~30cm 4~20mA 4號(hào)水箱液位 壓力變送器 0~30cm 4~20mA 5號(hào)加熱水箱 PT100熱電阻溫度傳感器 200~+500℃ 19～ 254Ω 短滯后 PT100熱電阻溫度傳感器 PT100熱電阻溫度傳感器 200~+500℃ 19～ 254Ω 長(zhǎng)滯后 PT100熱電阻溫度傳感器 PT100熱電阻溫度傳感器 200~+500℃ 19～ 281Ω 主管路電磁流量 電磁流量計(jì) 0～ ~20mA 副管路渦輪流量 渦輪流量計(jì) 0～ ~506HZ 表 浙江天煌 THSA1型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)要求 檢測(cè)裝置 參量參數(shù) 輸入信號(hào) 輸出信號(hào) LT1上水箱 液位 壓力 變送器 D=25cm， H=20cm 4~20mA LT2中水箱 液位 壓力 變送器 D=25cm， H=20cm 4~20mA LT3下水箱 液位 壓力 變送器 D=35cm， H=20cm 4~20mA TT1鍋爐內(nèi)膽 溫度 PT100熱電阻溫度傳感器 200～ +420℃ 19～ 254Ω TT2鍋爐夾套 溫度 PT100熱電阻溫度傳感器 200～ +420℃ 19～ 254Ω TT3盤(pán)管 1溫度 PT100熱電阻溫度傳感器 200～ +420℃ 19～ 254Ω TT4盤(pán)管 2溫度 PT100熱電阻溫度傳感器 200～ +420℃ 19～ 254Ω TT5盤(pán)管 3溫度 PT100熱電阻溫度傳感器 200～ +420℃ 19～ 254Ω TT6上水箱 溫度 PT100熱電阻溫度傳感器 200～ +420℃ 19～ 254Ω 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路 流量 渦輪流量計(jì) 0～ ~506HZ 變頻器支路 流量 渦輪流量計(jì) 0～ ~506HZ 盤(pán)管出口 流量 渦輪流量計(jì) 0～ ~506HZ 第三章 控制 系統(tǒng)總體 方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)是基于不改變現(xiàn)場(chǎng)控制，完成主要參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)計(jì)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。 上位機(jī)我使用組態(tài)王進(jìn)行設(shè)計(jì)監(jiān)控畫(huà)面；下位主要是采集站的設(shè)計(jì)， 為了完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與傳輸，并保證采集的數(shù)據(jù)的質(zhì)量， 采用智能采集模塊，本次設(shè)計(jì)只涉及采集數(shù)據(jù) 而 不考慮控制，所以我采用研華 ADAM4000系列智能采集模塊。 壓力變送器和電磁流量計(jì)所采集到的信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，而 PT100 熱電阻溫度傳感器 和渦輪流量計(jì)所采集到的信號(hào)分別是電阻信號(hào)和頻率信號(hào)，需進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。采用 頻率 電流轉(zhuǎn)換器 將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，溫度信號(hào)隔離變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，這樣就可以用智能采集模塊將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入到上位監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行監(jiān)控。 控制系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體控制框圖如圖 所示：通過(guò) CS4000 系列和浙江天煌的 THSA1型 過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置 采集的數(shù)據(jù) 傳送到采集站加工和轉(zhuǎn)換，再通過(guò)轉(zhuǎn)化器連接到計(jì)算機(jī)中的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控。 圖 控制系統(tǒng)總體方案框圖 采集站 各部分功能分析 采集站 柜子 的設(shè)計(jì) 在采集站中，需要把現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的參數(shù)進(jìn)行采集，通過(guò)電流信號(hào)分配器或隔離分配器將采集到的電流信號(hào)或電壓信號(hào)分成兩路，一路傳送到現(xiàn)場(chǎng)的顯示儀表完成數(shù)據(jù)采集，另外一路由現(xiàn)場(chǎng)采集站的智能采集模塊采集轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)后通過(guò) RS485 轉(zhuǎn)換器連接到操作員站進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控。 采集站Ⅰ內(nèi)部接線圖如圖： 圖 采集站Ⅰ柜子內(nèi)部接線圖 采集站Ⅱ內(nèi)部接線圖如圖 所示： 圖 采集站Ⅱ柜子內(nèi)部接線圖 基于以上的采集站內(nèi)部接線設(shè)計(jì)，需設(shè)計(jì)一個(gè)安裝柜將以上所需要的模塊統(tǒng)一安裝在固定位置上， 系統(tǒng)采集站外部 柜子 設(shè)計(jì)如圖 所示： 圖 采集站柜