HLGCK-09型過程控制系統綜合實驗裝置
（三容水箱、儀表獨立型）
一、概述
該實驗裝置包括一組三容有機玻璃水箱，每個水箱均裝有液位傳感變送器；同時具有兩路供水系統，一路由德國循環泵、調節閥、電磁流量計組成，另一路由變頻器、德國循環泵、渦輪流量計組成，通過閥門切換，任何一組供水可以到達任何一個水箱。另外，該實驗裝置專門設計了一只常壓電加熱鍋爐，以完成溫度控制實驗。該電加熱鍋爐由鍋爐、防干燒裝置組成。鍋爐分內膽和夾套兩層，內膽由電加熱器提供熱源，由一路供水系統提供水源，鍋爐內膽裝有防干燒裝置以確保設備安全；夾套由一路供水系統提供冷卻水。通過改變電加熱器的加熱功率或冷卻水/待加熱水的流量來影響內膽水溫和夾套水溫。鍋爐內膽和夾套均安裝有熱電阻測溫元件。此外，該實驗裝置還專門設計了一只強制對流換熱器，用以完成傳熱溫度控制實驗；與此同時，用戶可選配純滯后盤管，用以完成純滯后補償控制、內模控制等實驗。
二、系統簡要描述
整套系統分為：上位控制層系統，實驗對象層，檢測傳感、變送、執行設備，上位控制軟件四部分。系統特點:整套系統安放在可移動的試驗臺桌上，小巧且試驗裝置占地面積小。
1、上位控制層系統：①、智能儀表控制模塊；②、PLC控制系統；③DDC控制系統。
2、實驗對象層系統：
控制對象：由鋁合金框架安裝、外置不銹鋼儲水箱、有機玻璃三容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器、鋁塑復合管路、不銹鋼等組成。
1.標準鋁型材安裝框架：標準PVC鋁塑管安裝有機玻璃三容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器。安裝底板鋪設間隔鋁合金可安裝檢測傳感執行裝置、管路等。
2.實驗臺桌：實驗臺桌上安放控制對象;
3.外置不銹鋼儲水箱及水泵安裝在帶可移動腳輪的框架上（由鋁合金框架制作的），作為一體。水泵出水口帶快插接頭，水泵同控制對象管路系統相連便可實驗。
4.有機玻璃三容串接水箱：
①有機玻璃雙容串接水箱：由進口有機玻璃制作，上水箱、中水箱、下水箱、上中下水箱三容串接安裝，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
5、帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐容器：
內膽Φ100×500（通動態被加熱水），帶單相1.5KW電加熱管，夾套Φ150×400，內膽安裝Pt100溫度傳感器。
系統動力：功率可調的不銹鋼循環水泵:可組成不銹鋼泵＋電動調節閥＋渦輪流量計的動力流量調節系統，也可組成不銹鋼泵＋變頻器＋渦輪流量計的動力流量調節系統。單相可控硅移相調壓裝置、單相電加熱管組成鍋爐加熱動力系統。
檢測傳感器、執行機構：
流量傳感器：渦輪流量計＋流量變送儀。
液位傳感器：擴散硅液位傳感器三個，分別用于檢測上中下三個水箱的液位。另外加熱鍋爐容器上還加一個擴散硅壓力傳感器，做恒壓供水實驗時檢測容器壓力。
溫度傳感器：Pt100熱電阻傳感器一個，Pt100熱電阻溫度變送器一個。用于檢測帶夾套的不銹鋼常壓加熱鍋爐的內膽溫度。
壓力傳感器：擴散硅壓力傳感器一個。用于檢測加熱鍋爐容器壓力實驗時的動態壓力。
變頻調速器：西門子變頻調速器一個。用于調節變頻動力支路的供水壓力及流量。
電動調節閥：全不銹鋼電動調節閥一個。用于調節電動調節閥動力支路的供水壓力及流量。
二、HLGCK-09系列上位過程控制系統
（1）HLGCK-09上位控制操作/實驗面板
HLGCK-09上位控制操作/實驗臺同實驗對象裝置一體制作安裝。上位上位控制操作/實驗臺安裝在鋁合金實驗臺桌上方。
（2）HLGCK-09上位控制操作/實驗面板
上位控制操作/實驗面板：鋼制噴塑結構。
強電控制面板：裝有漏電保護空氣開關、電流型漏電保護器，充分考慮人身安全保護；配置帶鑰匙的電源啟動控制回路和多組保險絲，同時每一組強電輸出都有旋鈕開關控制，保證設備安全，操作控制便捷；裝有分相電壓表、指示燈，直觀，強電信息一目了然；裝有變頻器及其控制接口面板，方便變頻器熟悉、操作和應用。
控制器面板：變頻控制器面板、智能儀表控制面板。
信號接口面板：控制對象中的儀表信號和電氣信號轉移到信號接線板上，提供AI、AO、DO等傳感器檢測及執行器控制信號接口，便于學生自己連線組成不同的控制系統。實驗者通過安全型接插式導線將實驗板與信號板之間進行不同的配線，以完成過程控制各類實驗。
三、HLGCK-09上位過程控制系統基型配置：
1）S7-200PLC控制系統
隨著科技的發展，PLC即使是Micro PLC，也可以勝任多種控制任務。本產品提供的PLC控制系統主機選用西門子的S7200系列，主要展示小型（Micro）PLC在滿足小規模的控制任務中的表現，為培養工程化人才提供更多更強的實驗平臺。
2）智能儀表控制系統
儀表控制系統核心為帶通信功能的各種儀表，儀表內集成了各種算法，根據現場情況整定儀表控制算法的各種參數，達到控制效果。同時帶通訊功能的儀表與上位計算機的軟件平臺通訊。儀表各種參數和過程值進入軟件平臺（一般為工控組態軟件）的數據庫，再加上組態的流程畫面和操作界面，可以方便在上位計算機整定參數，對過程值進行記錄分析。
3）DDC控制系統
DDC控制系統一般有兩種形式，一種采用外部數據采集模塊的形式，其核心為帶RS485通訊的數據采集模塊和計算機算法軟件；另一種采用工控機和ISA或PCI插槽的數據采集板卡。外部數據采集模塊由于安裝方便，同時就地安裝時采用通訊方式向計算機送數據不存在信號衰減，因此本產品采用種方式的應用。用戶可根據自己學校的實際情況選用第二種方式的應用（例如研華A/D、D/A、采樣板卡）。
在控制臺直接裝有數據采集模塊，同時利用工控軟件MCGS中強大的算法組態功能，便捷的組建一個帶人機界面的DDC控制系統。在DDC系統中提供開放的算法軟件供實驗和算法編程參考，方便實驗教學和工程人才培養。
四、HLGCK-09型過程控制實驗裝置配置清單
表1 HLGCK-09型過程控制實驗對象（一套）
序號 | 名 稱 | 功 能 | 型號 | 材質 | 數量 |
1 | 標準實驗臺桌 | 標準鋁合金實驗臺桌上安放控制對象 | HLGCK-09 | 鋁合金 | 1套 |
2 | 標準框架及標準不銹鋼安裝底板 | 標準框架安裝有機玻璃三容串接水箱、帶夾套不銹鋼常壓鍋爐容器，方便安裝固定鋁合金支撐框架、檢測傳感執行裝置、管路等。 | HLGCK-09 | 鋁合金 | 1套 |
3 | 電加熱常壓鍋爐壓力容器 | 由不銹鋼內膽加溫筒（帶220V 1.25KW進口不銹鋼電加熱管）和封閉式帶保溫不銹鋼夾套組成 | HLGCK-09 | 封閉式帶保溫不銹鋼夾套（1.5mm304不銹鋼） 不銹鋼內膽加溫筒(1.5mm304不銹鋼) | 1 |
4 | 水箱 | 儲水箱（由1.5mm厚不銹鋼鏡面板制作）可移動 | HLGCK-09 | 不銹鋼（2個通道） | 1 |
有機玻璃上小水箱 | HLGCK-09 | 底板20mm進口有機玻璃板 側板8 mm進口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺； | 1 | ||
有機玻璃中小水箱 | HLGCK-09 | 底板20mm進口有機玻璃板 側板8 mm進口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺； | 1 | ||
有機玻璃下小水箱 | HLGCK-09 | 底板20mm進口有機玻璃板 側板8 mm進口有機玻璃板 有機玻璃水箱前面直接刻有液位標尺 | 1 | ||
5 | 水泵 | 采用德國進口低噪不銹鋼泵（揚程15米） | 功率0.37KW，揚程15米,流量0.80-0.85立方米每小時 | 2 | |
6 | 溫度傳感器 | Pt100熱電阻 | Pt100 | 4個 | |
7 | 溫度變送器 | Pt100熱電阻標準信號轉換 | Pt100 | 輸出4-20mA標準信號 | 4個 |
8 | 壓力液位傳感器 | 擴散硅壓力/液位變送器 | 4-20mA標準信號輸出，0.5級測量精度 | 3個 | |
9 | 渦輪流量計及變送器 | 額定流量0.28-0.30T/h，測量精度±1.0％，4-20mA標準信號輸出； | 2個 | ||
10 | 電動調節閥 | 額定流量為0.28-0.30立方米每小時， 4-20mA信號輸入； | 1 | ||
11 | 電磁閥 | 使用壓力范圍為0-7㎏/㎝3，工作溫度為-5--80℃； | 1 | ||
12 | 電加熱控制器 | 可控硅移相調壓裝置 | 1個 | ||
13 | 換熱器（純滯后盤管） | 純滯后盤管盤長20m，上有三個測溫點，純滯后時間常數可變 | 溫度對象 | 1 |
表2：智能儀表控制實驗臺硬件配置表
序號 | 硬件型號 | 型號 | 數量 |
1 | 實驗控制臺 | 1 | |
2 | 鋼制噴塑實驗屏桌 | 1 | |
3 | 強電控制面板 | 1 | |
4 | I/O信號接口控制面板 | 1 | |
5 | RS232/485轉換器 | 通訊轉換器 | 1 |
6 | 變頻調速器 | 0.37KW | 1 |
7 | AI智能調節儀（自帶Rs485通訊接口） | AI818/AI708 | 3 |
8 | 開關電源 | 24V/3A | 1 |
9 | 鍋爐防干燒保護器 | 1 | |
10 | 自鎖緊接頭插座及連接導線 | 1 |
表3 DDC上位控制系統硬件配置表
序號 | 硬件名稱 | 硬件型號 | 數量 |
1 | 8路A/D ICP-8017 | 數據采集模塊 | 1 |
2 | 4路D/A ICP-8024 | 數據采集模塊 | 1 |
3 | RS232/485轉換器 | 通訊轉換器 | 1 |
表4：西門子S7200-PLC上位控制系統硬件配置表
序號 | 硬件名稱 | 硬件型號 | 數量 |
1 | 控制器 | S7-200-CPUSR20 | 1 |
2 | 模擬量模塊 | 4AI/1A0 | 1 |
3 | 通訊適配器 | 以太網 | 1 |
表5：軟件清單
序號 | 名 稱 | 型號 | 數量 |
1 | MCGS工控組態軟件網絡版 | 1套 | |
2 | 西門子S7200PLC編程軟件 | Step7 | 1套 |
3 | HLGCK-09智能儀表控制實驗軟件 | 1套 | |
4 | S7200PLC控制系統實驗軟件 | 1套 | |
5 | DDC控制系統實驗軟件 |
五、HLGCK-09型過程控制系統實驗項目
1、液位控制系列實驗
三容液位對象特性測試
三容液位對象的單回路PID控制
三容液位對象的位式控制
上下水箱液位的串級控制與抗干擾性測試
中下水箱液位的串級控制與抗干擾性測試
上、中、下水箱的三閉環液位串級控制與抗干擾性測試
上下水箱液位雙回路對象特性的獲取
上下水箱液位的雙回路控制
上下水箱液位的解耦控制
2、溫度控制系列實驗
鍋爐夾套溫度與內膽溫度雙回路對象特性的獲取
鍋爐夾套溫度與內膽溫度的雙回路控制
鍋爐夾套溫度與內膽溫度雙回路的解耦控制
純滯后盤管出口溫度的對象特性測試實驗
純滯后盤管出口溫度的單回路控制實驗
盤管出口溫度與鍋爐內膽溫度的串級控制
盤管出口溫度的單回路SMITH補償控制
盤管出口溫度與鍋爐內膽溫度的串級SMITH補償控制
盤管出口溫度的單回路內模控制
盤管出口溫度與鍋爐內膽溫度的串級內模控制
3、自主設計開發控制系統實驗
基于MCGS實時數據庫，并借助于MCGS腳本程序范例程序，師生可自主設計開發具有個人創造性的控制系統，例如神經元控制、專家控制、自適應控制等現代控制方法。
六、技術指標
工作電源：二相三線 220V±5% 50Hz
外形尺寸： 實驗臺加控制對象
整機容量：<5KVA/控制信號：電壓1～5
七、安全保護體系
鍋爐加熱程控保護系統
鍋爐加熱內膽加由水位液位保護裝置，水位不達到一定的高度，控制系統不能控制可控硅調壓器工作。
電加熱管電源控制開關采用鑰匙開關，不實驗時，由教師保護放置鑰匙，避免無關人員誤操作。
電源保護措施
加有電流型漏電保護器。
兩相電源加有保險管，防止斷路。
電源啟停控制方式；
采用啟停按鈕控制接觸器來控制電源的啟停。
漏電保護裝置及安全性和安全承諾；
各種電源及各種儀表的可靠的保護功能
各種電源及各種儀表的強電采用開關控制，學生不自行接線，不存在強弱電混插的問題。
實驗強電接線插頭采用封閉式結構，防止觸電事故的發生。
