YUY-CG08現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置
一、系統(tǒng)概述
“現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”是從高校自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求出發(fā)，采用代表自動(dòng)化行業(yè)技術(shù)潮流的現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā)出來的進(jìn)行通訊和遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置。
“現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”是由現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和對(duì)象系統(tǒng)組成。
現(xiàn)場總線高級(jí)過程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置：
（一）系統(tǒng)組成
1.過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)包含有：不銹鋼儲(chǔ)水箱；上、中、下三個(gè)串接有機(jī)玻璃圓筒型水箱；三相4.5kW電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套構(gòu)成）和鋁塑盤管組成。
系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)有兩套：一套由三相（380V交流）不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、交流電磁閥、渦輪流量計(jì)等組成；另一套由日本三菱變頻器、三相不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)等組成。
整套對(duì)象系統(tǒng)完全由不銹鋼材料制造，包括對(duì)象框架、管道、底板，甚至小到每一顆緊固螺釘。
2.對(duì)象系統(tǒng)中的各類檢測變送及執(zhí)行裝置
(1)擴(kuò)散硅壓力變送器三只：分別檢測上水箱、中水箱、下水箱液位；其中下水箱的壓力變送器采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的壓力變送器（SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器通過總線供電，不需要另外接工作電源）。
(2)渦輪流量計(jì)三只：分別檢測兩條動(dòng)力支路及盤管出水口的流量；其中調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計(jì)。Pt100熱電阻溫度傳感器六只：分別用來檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤管（三只）及上水箱出水口水溫；
(3)控制模塊：包含電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥各一個(gè)；調(diào)節(jié)閥采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行回路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。由CPU直接發(fā)送的數(shù)字信號(hào)控制閥門的開度，本氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)校正，使用和校正都非常方便
(4)三相380V不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵、三相220V不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵。
(5)變頻器采用SIEMENS帶PROFIBUS-DP通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC220V，輸出為三相AC220V。
(6)空氣壓縮機(jī)采用具有無油靜音，氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的空壓機(jī)，用于給氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥提供氣源。
（二）系統(tǒng)主要特點(diǎn)
1.本套實(shí)驗(yàn)裝置既包含了各種常規(guī)的檢測裝置，又包含了SIEMENS PA接口的總線檢測裝置；
2.被控參數(shù)全面，涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)；
3.真實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象組件全部來源于工業(yè)現(xiàn)場；
4.執(zhí)行器中既有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，又有變頻器、可控硅移相調(diào)壓裝置。調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有設(shè)定值的階躍擾動(dòng)外，還可以通過對(duì)象中的電磁閥和手動(dòng)操作閥制造各種擾動(dòng)；
5.一個(gè)被調(diào)參數(shù)可在不同的動(dòng)力源、不同的執(zhí)行器和不同的工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣；
6.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到兩個(gè)信號(hào)在本對(duì)象中存在著相互耦合，二者同時(shí)需要對(duì)原獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行整定，或進(jìn)行解耦實(shí)驗(yàn)，以符合工業(yè)實(shí)際的性能要求；
7.能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；
可構(gòu)成從現(xiàn)場檢測到上位機(jī)監(jiān)控檢測之間的全數(shù)字通道。
現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置：
（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
“現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)”為工業(yè)現(xiàn)場控制柜結(jié)構(gòu)，它是“現(xiàn)場總線過程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”的控制部分，其控制網(wǎng)絡(luò)的控制流程圖如下：
1.硬件介紹
(1)電氣部分給各種工作部件提供電源
(2)SIEMENS 315-2DP CPU一個(gè)（含MMC卡）
(3)CP343-1以太網(wǎng)通訊模塊一個(gè)
(4)DP LINK 鏈路器一個(gè)
(5)DP/PA Coupler 耦合器一個(gè)
(6)遠(yuǎn)程分布式I/O模塊ET200M一個(gè)
(7)模擬量輸入模塊SM331模塊兩個(gè)
(8)模擬量輸出模塊SM332模塊一個(gè)
(9)SIEMENS MICROMASTER 420變頻器一個(gè)
(10)SIEMENS 變頻器DP通訊模塊一個(gè)
(11)SIEMENS SITRNS PA 溫度變送器一個(gè)
(12)普通網(wǎng)卡一個(gè)
(13)DP通訊線和DP接頭若干
(14)10/100M交換機(jī)一只
2.軟件介紹
3.本套控制系統(tǒng)下位機(jī)編程軟件采用SIEMENS公司的下位機(jī)編程軟件STEP 7。STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表。它是SIEMENS SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。STEP 7以其強(qiáng)大的功能和靈活的編程方式廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，總體說來，它有如下的功能特性：
4.可通過選擇SIMATIC工業(yè)軟件中的軟件產(chǎn)品進(jìn)行擴(kuò)展
5.為功能摸板和通訊處理器賦參數(shù)值
6.強(qiáng)制和多處理器模式
7.全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊
8.使用通訊功能塊的事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送
9.組態(tài)連接
10.本套控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件采用SIEMENS公司的上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件SIMATIC Wincc。
11.Wincc指的是Windows Control Center，它是在生產(chǎn)過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實(shí)用性。
12.Wincc是基于Windows NT 32位操作系統(tǒng)的，在Windows NT或Windows 2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，Wincc具有控制自動(dòng)化過程的強(qiáng)大功能，它是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性價(jià)比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。Wincc的顯著特性就是全面開放，它很容易結(jié)合用戶的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確地滿足控制系統(tǒng)的要求。不僅如此，Wincc還建立了像DDE、OLE等在Windonws程序間交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此能毫無困難的集成ActiveX控制和OPC服務(wù)器、客戶端功能。
13.Wincc軟件是基于多語言設(shè)計(jì)的，這意味著可以在中文、德語、英語等眾多語言之間進(jìn)行選擇。（二）系統(tǒng)特點(diǎn)
現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)從上位機(jī)控制系統(tǒng)到現(xiàn)場儀表之間清晰的分為三層，其中操作員站和服務(wù)器之間，服務(wù)器和主控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)的管理級(jí)；主控制器、遠(yuǎn)程分布式I/O模塊、變頻器、DP/PA耦合器之間通過PROFIBUS-DP協(xié)議進(jìn)行通信，構(gòu)成了控制系統(tǒng)的控制級(jí)；控制級(jí)通過DP/PA鏈路延伸出下一級(jí)PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)，壓力傳感器、電磁流量計(jì)、溫度變送器和閥門定位器直接掛接在同一條PROFIBUS-PA總線上，這樣就實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場儀表通過DP/PA鏈路和主控制器之間的數(shù)據(jù)交換。
（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的組成與認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)
2.下位機(jī)軟件中的硬件組態(tài)和程序編寫
3.上位機(jī)軟件中的通信建立和界面組態(tài)
4.一階單容上水箱對(duì)象特性測試實(shí)驗(yàn)
5.二階雙容水箱對(duì)象特性測試實(shí)驗(yàn)
6.上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)
7.串接雙容下水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)
8.三容液位定值控制實(shí)驗(yàn)
9.鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實(shí)驗(yàn)
10.鍋爐夾套水溫PID控制實(shí)驗(yàn)
11.單閉環(huán)流量PID控制實(shí)驗(yàn)
12.鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制實(shí)驗(yàn)
13.水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
14.三閉環(huán)液位控制實(shí)驗(yàn)
15.鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
16.鍋爐內(nèi)膽水溫與水流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
17.上水箱液位與進(jìn)水流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
18.單閉環(huán)流量比值控制實(shí)驗(yàn)
19.下水箱液位前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)
20.鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)
21.溫度純滯后控制實(shí)驗(yàn)
22.流量純滯后控制實(shí)驗(yàn)
23.鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫解耦控制實(shí)驗(yàn)
24.上水箱液位與出口水溫解耦控制實(shí)驗(yàn)
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