DCS高級過程控制實訓系統，DCS過程控制系統
2023-09-19 07:00
DCS高級過程控制實訓系統
一、高級過程控制實訓系統簡要描述
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，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。
²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。
²檢測傳感器、執行機構：
²流量傳感器：渦輪流量計＋流量變送儀。
²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。
²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。
²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。
²變頻調速器：三菱變頻調速器一個。用于調節變頻動力支路的供水壓力及流量。
²電機運動控制模塊：主控：TMS320F28335。外擴：RAM512*16位，Flash512K*16位，使用撥碼開關實現模式選擇。功率板：采用集成IPM模塊，可外接剎車電阻，母線電容充電緩沖電路、母線電壓檢測電路，相電流檢測電路，動力電源位AC220V供電，功率3KW�？刂瓢澹阂壕敛捎�4.3寸串口屏 ，5個獨立按鍵按鍵（分別為RUN、STOP、REST、UP、DOW）。通信接口：RS232、RS485（異步串口不夠時可將RS232、RS485采用同一個串口使用短路帽進行短路條線）、CAN、以太網口（SPI接口，設計W5500模塊模塊接口使用現有的成品模塊）；CAN、RS232、RS485為隔離通信接口與TMS320F28335無直接電氣連接。串口感器接口：霍爾信號接口及差分編碼器接口統一使用DB15連接。模擬量輸出：不使用到的PWM用于RC濾波運放跟隨實現DAC輸出。模擬量輸入：芯片內部不使用的ADC接口用于外部模擬量輸入，接口為0~10V輸入。開關量輸出：2組，分別用于報警信號輸出、準備完成信號輸出。開關量輸入：開關量輸入3組。EEPROM存儲：有剩余IO可考慮設計24C02存儲器。測試點：預留環形測試點測試PWM信號、ADC信號、DAC信號、電源。本地控制：本地串口屏顯示參數電壓、電流、設定值、實時值，本地按鍵操作。遠程控制：遠程采用RS485或RS232接口使用FreeModbus-RTU協議實現與遠程工控屏的串口通信，顯示電壓、電流、設定值、實時值，在遠程觸摸屏上可進行控制實現5個獨立按鍵的功能。
²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、上位過程控制系統
上位控制操作/實驗面板：鋁面板噴塑結構。
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、上位過程控制系統基型配置：
1）S7-1200PLC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1200系列，主要展示小型（Micro）PLC在滿足小規模的控制任務中的完美表現，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，因此本產品采用第一種方式的應用。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、過程控制實驗裝置配置清單
表1 ：過程控制實驗對象（一套）
| 序號 | 名 稱 | 功 能 | 規格型號 | 材質 | 產地 | 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 | 鋁合金 | 杭州 | 1套 | |
| 2 | 標準框架及標準安裝底板 | 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。 | 鋁合金 | 杭州 | 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 |
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) |
杭州 |
1 | |
| 4 | 水箱 | 儲水箱（由1.5mm厚不銹鋼鏡面板制作）可移動 | 不銹鋼（2個通道） |
杭州 |
1 | |
| 有機玻璃上小水箱 |
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； |
杭州 |
1 | |||
| 有機玻璃中小水箱 |
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； |
杭州 |
1 | |||
| 有機玻璃下小水箱 |
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 |
杭州 |
1 | |||
| 5 | 水泵 | 低噪不銹鋼靜音泵 | 揚程15米 | 功率0.37KW，揚程15米,最大流量0.80-0.85立方米每小時 | 上海 | 2 |
| 6 | 溫度傳感器 | Pt100熱電阻 | 熱電阻 | Pt100 | 上海 | 4個 |
| 7 | 溫度變送器 | Pt100熱電阻標準信號轉換 | 輸出4-20mA標準信號 | 上海 | 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 | 金屬防水外殼 | 上海 | 3個 |
| 9 | 渦輪流量計及變送器 | 額定流量0.28-0.30T/h | 4-20mA標準信號輸出；測量精度±1.0％ | 金屬防水外殼 | 上海 | 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 | 帶不銹鋼法蘭 | 上海 | 1 |
| 11 | 電磁閥 | 使用壓力范圍為0-7㎏/㎝3 | 工作溫度為-5--80℃ | 常閉 | 上海 | 1 |
| 12 | 電加熱控制器 | 可控硅移相調壓裝置 | 輸入4-20mA | 可控硅 | 杭州 | 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 | 不銹鋼 | 杭州 | 1 |
| 序號 | 硬件型號 | 型號 | 產地 | 數量 |
| 1 | 實驗控制柜 | ZXGKT-01 | 杭州 | 1 |
| 2 | 電腦桌 | ZXPJ-02 | 杭州 | 1 |
| 3 | 強電控制面板 | 鈑金噴塑 | 杭州 | 1 |
| 4 | I/O信號接口控制面板 | 鈑金噴塑 | 杭州 | 1 |
| 5 | RS232/485轉換器 | 通訊轉換器 | 武漢瑞普 | 1 |
| 6 | 變頻調速器 | 0.37KW | 西門子 | 1 |
| 7 | AI智能調節儀（自帶Rs485通訊接口） | AI818AI708 | 廈門宇電或者萬訊 | 3 |
| 8 | 開關電源 | 24V/3A | 臺灣明緯 | 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 |
| 序號 | 硬件名稱 | 硬件型號 | 產地 | 數量 |
| 1 | 8路A/D ICP-7017 | 數據采集模塊 | 臺灣弘格 | 1 |
| 2 | 4路D/A ICP-7024 | 數據采集模塊 | 臺灣弘格 | 1 |
| 3 | RS232/485轉換器 | 通訊轉換器 | 臺灣弘格 | 1 |
| 序號 | 硬件名稱 | 硬件型號 | 產地 | 數量 |
| 1 | 控制器 | 1211C | 控制器 | 1 |
| 2 | 模擬量模塊 | EM235(4AI/1A0) | 模擬量模塊 | 1 |
| 3 | 通訊適配器 | PC/PPI | 通訊適配器 | 1 |
| 序號 | 名 稱 | 型號 | 品牌 | 數量 |
| 1 | MCGS工控組態軟件網絡版7.6 | MCGS | 昆侖通態 | 1套 |
| 2 | 西門子博圖PLC編程軟件 | V15 | 西門子 | 1套 |
| 3 | 智能儀表控制實驗軟件 | 1套 | ||
| 4 | DDC控制系統實驗軟件 | 集智成 | 1套 |
DCS控制系統功能及組成
系統結構圖
DCS控制系統控制柜
標準電器控制柜：高x寬x深：1900x600x600mm，內安裝漏電保護空氣開關、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，操作便捷；裝有分相電壓表、指示燈，開關電源等。
DP遠程I/O單元
遠程I/O單元，通過線纜同控制對象上的檢測、傳感、執行裝置相連。獲取底層對象檢測傳感信號，執行控制執行信號。
現場主控單元：
1）、工程師站下裝的組態控制程序在現場主控單元運行。
2）、現場主控單元內裝通訊卡，通過同總線遠程I/O單元通訊并獲取底層對象檢測傳感信號，發出控制執行信號。
3）、現場主控單元內裝以太網卡。同上位服務器計算機通訊、接受運行工程師站下裝的組態控制程序，同時現場主控單元向上位服務器發送上位監控計算機所需的控制信息。
工程師/操作員站：
主要作用：
1）、先期的控制組態程序在其上進行，組態編譯完畢的控制程序通過服務器向下位主控單元下裝。
2）、人機界面監控程序在上位工程師/操作站運行。
DCS工控平臺系統軟件及DCS控制實驗軟件
系統配置工程師站軟件/控制器運行軟件及操作員站監控組態軟件軟件：硬件設備組態軟件、數據庫組態軟件、控制組態軟件、圖形組態軟件、算法組態軟件。
根據用戶要求完成現場設計安裝，完成系統與用戶已有的控制對象的連接、調試，在DCS工控平臺系統軟件基礎上，我們根據學校的要求開發響應的實驗控制軟件，從而組成一個完整的DCS過程控制系統。
DCS集散上位控制系統配置
1、現場控制站硬件:
| 序號 | 硬件型號 | 硬件名稱 | 數量 |
| 1 | DCS控制柜 | 帶玻璃透明門的標準電器控制柜：長x寬x深：1800x600x600mm，內安裝漏電保護空氣開關、電流型漏電保護器充分考慮人身安全保護裝有分相電壓表、指示燈，開關電源等。 | 1 |
| 2 | 主控單元 | MCU主控單元 | 1 |
| 3 | 8路A/D | 遠程I/O模塊 | 1 |
| 4 | 8路D/A | 遠程I/O模塊 | 1 |
| 5 | 16路D/O | 遠程I/O繼電器輸出模塊 | 1 |
| 6 | 16路D/I | 遠程I/O模塊 | 1 |
| 7 | 終端匹配器 | 終端匹配器 | 1 |
| 8 | 普通端子底座 | 普通端子底座 | 4 |
| 9 | FM801 | 現場主控單元 | 1 |
| 10 | 通訊電纜 | 通訊電纜 | 1 |
| 11 | 電源 | 24V 3A | 1 |
| 12 | 接線端子 | 1 | |
| 13 | 數字量輸出隔離繼電器 | DC24V | 1 |
| 14 | 模擬量輸入、輸出隔離接線板 | 2 |
| 序號 | 名 稱 | 數量 |
| 1 | 監控組態軟件 | 1 |
| 2 | DCS 系統控制范例實驗軟件 | 1 |
1、實驗項目：
過程控制系統的組成認識實驗：（1）過程控制及檢測裝置硬件結構組成的認識，控制方案的組成及控制系統連接實驗。
（2）智能調節儀表、智能變送儀表等各種智能儀表的操作及參數設定。
（3）傳感器的校正（零點遷移與量程調整）
對象特性測試實驗l 單容水箱液位數學模型的測試實驗
l 雙容水箱液位數學模型的測試實驗
l 鍋爐內膽水溫特性測試實驗
單回路控制系統實驗l 單容水箱液位定值控制實驗
l 雙容水箱液位定值控制實驗
l 鍋爐內膽水溫定值控制實驗
l 單閉環流量定值控制實驗
l 鍋爐內膽壓力定值控制實驗
串級控制系統實驗l 水箱液位串級控制實驗
l 鍋爐內膽水溫與循環水流量串級控制實驗
l 水箱液位與進水口流量串級控制實驗
比值控制系統實驗l 流量比值控制系統實驗
變頻恒壓供水實驗 純滯后實驗溫度的滯后控制實驗流量純滯后控制實驗工控制組態軟件組態控制實驗l 所有實驗均包括數據庫組態、圖形動畫、報表、曲線、報警組態、設備通訊組態、算法組態等實驗
2、DCS系統部分實驗
單容水箱液位數學模型特性測試實驗雙容水箱液位數學模型特性測試實驗單容液位定值控制實驗 雙容液位定值控制實驗三容液位定值控制實驗鍋爐內膽水溫定值控制實驗鍋爐夾套水溫定值控制實驗 單閉環流量定值控制實驗鍋爐內膽水溫位式控制實驗水箱液位串級控制實驗 三閉環液位串級控制實驗 鍋爐夾套與內膽水溫串級控制實驗水箱液位與進水口流量串級控制實驗單（雙）閉環流量比值控制實驗下水箱液位前饋-反饋控制實驗鍋爐內膽水溫前饋-反饋控制實驗 溫度的滯后控制實驗流量純滯后控制實驗鍋爐夾套與內膽水溫解耦控制實驗上水箱液位與出口水溫解耦控制實驗六、實驗室軟硬件管理系統
管道圖