【文章內(nèi)容簡介】 特點，并吸收了國內(nèi)外同類實驗裝置的特點和長處，經(jīng)過精心設計，多次實驗和反復論證而推出的一套全新的綜合性實驗裝置。這個 裝置結(jié)合了當今工業(yè)現(xiàn)場過程控制的實際，是一套集自動化儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)為一體的多功能實驗設備。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識，單回路控制，串級控制 ，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 型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗對象 THSA1型過控綜合自動化控制系統(tǒng)總貌圖如下所示： 圖 THSA1型過控綜合自動化控制系統(tǒng)總貌圖 本實驗裝置對象主要由水箱、鍋爐和盤管三大部分組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（ 380V 恒壓供水）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（ 220V 變頻調(diào)速）、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。 （ 1）水箱 包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。 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)獨特， 由 三個槽 組成 ，分別 為 緩沖槽 、工作槽 和 出水槽 ，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經(jīng)過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察 。 水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。 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，可利用它進行溫度實驗。做溫度實驗時，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其溫度，可完成溫度的定值控制、串級控制，前饋 反饋控制，解耦控制等實驗。 （ 3）盤管 模擬工業(yè)現(xiàn)場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié) ， 在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數(shù)不同，在實驗過程中可根據(jù)不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實驗。 （ 4）管道及閥門 整個系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出。 （ 1）壓力傳感器、變送器 三個壓力傳感器分別 用來對上、中、下 三個 水箱的液位進行檢測 ，其量程為0～ 5KP，精度為 級。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償 。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供 24V直流電源，輸出： 4～ 20mADC. (2)溫度傳感器 裝置中采用了六個 Pt100 鉑熱電阻溫度 傳感器，分別用來檢測鍋爐 內(nèi)膽 、 鍋爐夾套、 盤管 （有 3 個測試點）以及 上水箱出口 的 水溫。 Pt100 測溫范圍： 200～+420℃ 。 經(jīng)過調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 直流 電流信號 。Pt100 傳感器精度高，熱補償性較好。 （ 3）流量傳感器、變送器 三個渦輪流量計分別用來對由電動調(diào)節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。它的優(yōu)點是測量精度高，反應快。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供 24V 直流電源。 流量范圍： 0～ ； 精度： %； 輸出： 4～ 20mADC。 （ 1）電動調(diào)節(jié)閥 采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為： QSVP16K。具有精度高、技術(shù)先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，電源為單相220V， 控制信號 為 4～ 20mADC 或 1～ 5VDC， 輸出 為 4～ 20mADC 的閥位信號，使用和校正非常方便 。 （ 2）水泵 本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為 16CQ8P，流量為 30 升 /分，揚程為 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。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵 ,一只為三相 380V 恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻 220V 輸出驅(qū)動 。 （ 3）電磁閥 在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：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，用來對鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進行加溫，每根加熱管的電阻值約為 50Ω 左右。 THSA1 型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺 “ THSA1 型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺”主要由控制屏組件、智能儀表控制組件、遠程數(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型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺 （ 1） SA01 電源控制屏面板 由漏電保護空氣開關(guān)、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器組成。 （ 2） SA02 I/O 信號接口面板 該面板的作用主要是通過航空插頭（一端與對象系統(tǒng)連接）將各傳感器檢測信號及執(zhí)行器控制信號同面板上自鎖緊插孔相連，便于學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。 （ 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，輸入控制信號為 4～ 20mA 標準電流信號 ，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比 。輸出 交流 電壓用來控制 電 加熱器 的端電壓，從而 實現(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AI708 儀表輸出繼電器觸點的通斷來控制交流接觸器的通斷，從而完成鍋爐水溫的位式控制實驗。 （ 1） AI智能調(diào)節(jié)儀表掛件 采用上海萬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；而 AI708 型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點型開關(guān)量信號。 AI系列儀表通過 RS485 串口通信協(xié)議與上位計算機通訊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。 （ 2） SA14 比值、前饋補償及解 耦 裝置掛件 比值、前饋補償裝置 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)過電壓跟隨器、反相比例放大器、反相器輸出 0～ 5V 電壓，可以實現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實驗；當上面一路作為干擾輸入，下面一路作為調(diào)節(jié)器輸出時，兩路相加或相減（通過鈕子開關(guān)切換），再經(jīng)過 I/V 變換輸出 4～ 20mA 電流，這部分構(gòu)成一個前饋補償器，可以實現(xiàn)液位與流量、溫度與流量的前饋 反饋 控制系統(tǒng) 實驗 。 程數(shù)據(jù)采集控制即我們通常所說的直接數(shù)字控制（ DDC），它的特點是以計算機代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，并通過數(shù)據(jù)采集板卡或模塊進行 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換，控制算法全部在計算機上實現(xiàn) 。 分布式控制組件 分布式控制系統(tǒng)（ DCS），國內(nèi)也稱為集散控制系統(tǒng)，它的特點是將危險分散化，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（簡稱 PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應用的一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。 系統(tǒng)對象采集裝置參數(shù)要求 CS4000系列過程實驗裝置和浙江天煌 THSA1型 過程控制實驗平臺 主要測量的參數(shù) 分別 如表 和表 所示 ： 表 CS4000系列過程實驗 裝置參數(shù)要求 檢測參數(shù) 測量裝置 輸入信號 輸出信號 1號水箱液位 壓力變送器 0~30cm 4~20mA 2號水箱液位 壓力變送器 0~30cm 4~20mA 3號水箱液位 壓力變送器 0~30cm 4~20mA 4號水箱液位 壓力變送器 0~30cm 4~20mA 5號加熱水箱 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 0～ ~20mA 副管路渦輪流量 渦輪流量計 0～ ~506HZ 表 浙江天煌 THSA1型過程控制實驗平臺參數(shù)要求 檢測裝置 參量參數(shù) 輸入信號 輸出信號 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盤管 1溫度 PT100熱電阻溫度傳感器 200～ +420℃ 19～ 254Ω TT4盤管 2溫度 PT100熱電阻溫度傳感器 200～ +420℃ 19～ 254Ω TT5盤管 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 電動調(diào)節(jié)閥支路 流量 渦輪流量計 0～ ~506HZ 變頻器支路 流量 渦輪流量計 0～ ~506HZ 盤管出口 流量 渦輪流量計 0～ ~506HZ 第三章 控制 系統(tǒng)總體 方案設計 本次設計是基于不改變現(xiàn)場控制，完成主要參數(shù)的遠程監(jiān)控，設計系統(tǒng)由上位機和下位機構(gòu)成。 上位機我使用組態(tài)王進行設計監(jiān)控畫面；下位主要是采集站的設計， 為了完成遠程數(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，本次設計只涉及采集數(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所采集到的信號是標準電流信號，而 PT100 熱電阻溫度傳感器 和渦輪流量計所采集到的信號分別是電阻信號和頻率信號，需進行信號的轉(zhuǎn)換。采用 頻率 電流轉(zhuǎn)換器 將頻率信號轉(zhuǎn)換成標準電流信號，溫度信號隔離變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換成標準信號，這樣就可以用智能采集模塊將標準信號輸入到上位監(jiān)控畫面進行監(jiān)控。 控制系統(tǒng) 方案設計 系統(tǒng)總體控制框圖如圖 所示：通過 CS4000 系列和浙江天煌的 THSA1型 過程實驗裝置 采集的數(shù)據(jù) 傳送到采集站加工和轉(zhuǎn)換，再通過轉(zhuǎn)化器連接到計算機中的監(jiān)控系統(tǒng)進行數(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 的設計 在采集站中，需要把現(xiàn)場檢測到的參數(shù)進行采集，通過電流信號分配器或隔離分配器將采集到的電流信號或電壓信號分成兩路，一路傳送到現(xiàn)場的顯示儀表完成數(shù)據(jù)采集，另外一路由現(xiàn)場采集站的智能采集模塊采集轉(zhuǎn)換成電流信號后通過 RS485 轉(zhuǎn)換器連接到操作員站進行數(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)部接線設計，需設計一個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 設計如圖 所示： 圖 采集站柜