HLGCK-09型过程控制系统综合实验装置

（三容水箱、仪表独立型）

一、概述

该实验装置包括一组三容有机玻璃水箱，每个水箱均装有液位传感变送器；同时具有两路供水系统，一路由德国循环泵、调节阀、电磁流量计组成，另一路由变频器、德国循环泵、涡轮流量计组成，通过阀门切换，任何一组供水可以到达任何一个水箱。另外，该实验装置专门设计了一只常压电加热锅炉，以完成温度控制实验。该电加热锅炉由锅炉、防干烧装置组成。锅炉分内胆和夹套两层，内胆由电加热器提供热源，由一路供水系统提供水源，锅炉内胆装有防干烧装置以确保设备安全；夹套由一路供水系统提供冷却水。通过改变电加热器的加热功率或冷却水/待加热水的流量来影响内胆水温和夹套水温。锅炉内胆和夹套均安装有热电阻测温元件。此外，该实验装置还专门设计了一只强制对流换热器，用以完成传热温度控制实验；与此同时，用户可选配纯滞后盘管，用以完成纯滞后补偿控制、内模控制等实验。

二、系统简要描述

整套系统分为：上位控制层系统，实验对象层，检测传感、变送、执行设备，上位控制软件四部分。系统特点:整套系统安放在可移动的试验台桌上，小巧且试验装置占地面积小。

1、上位控制层系统：①、智能仪表控制模块；②、PLC控制系统；③DDC控制系统。

2、实验对象层系统：

控制对象：由铝合金框架安装、外置不锈钢储水箱、有机玻璃三容串接水箱、带夹套不锈钢常压锅炉容器、铝塑复合管路、不锈钢等组成。

1.标准铝型材安装框架：标准PVC铝塑管安装有机玻璃三容串接水箱、带夹套不锈钢常压锅炉容器。安装底板铺设间隔铝合金可安装检测传感执行装置、管路等。

2.实验台桌：实验台桌上安放控制对象;

3.外置不锈钢储水箱及水泵安装在带可移动脚轮的框架上（由铝合金框架制作的），作为一体。水泵出水口带快插接头，水泵同控制对象管路系统相连便可实验。

4.有机玻璃三容串接水箱：

①有机玻璃双容串接水箱：由进口有机玻璃制作，上水箱、中水箱、下水箱、上中下水箱三容串接安装，每个水箱带溢流管及下排水管及阀门，压力液位传感器接口

5、带夹套的不锈钢常压加热锅炉容器：

内胆Φ100×500（通动态被加热水），带单相1.5KW电加热管，夹套Φ150×400，内胆安装Pt100温度传感器。

系统动力：功率可调的不锈钢循环水泵:可组成不锈钢泵＋电动调节阀＋涡轮流量计的动力流量调节系统，也可组成不锈钢泵＋变频器＋涡轮流量计的动力流量调节系统。单相可控硅移相调压装置、单相电加热管组成锅炉加热动力系统。

检测传感器、执行机构：

流量传感器：涡轮流量计＋流量变送仪。

液位传感器：扩散硅液位传感器三个，分别用于检测上中下三个水箱的液位。另外加热锅炉容器上还加一个扩散硅压力传感器，做恒压供水实验时检测容器压力。

温度传感器：Pt100热电阻传感器一个，Pt100热电阻温度变送器一个。用于检测带夹套的不锈钢常压加热锅炉的内胆温度。

压力传感器：扩散硅压力传感器一个。用于检测加热锅炉容器压力实验时的动态压力。

变频调速器：西门子变频调速器一个。用于调节变频动力支路的供水压力及流量。

电动调节阀：全不锈钢电动调节阀一个。用于调节电动调节阀动力支路的供水压力及流量。

二、HLGCK-09系列上位过程控制系统

（1）HLGCK-09上位控制操作/实验面板

HLGCK-09上位控制操作/实验台同实验对象装置一体制作安装。上位上位控制操作/实验台安装在铝合金实验台桌上方。

（2）HLGCK-09上位控制操作/实验面板

上位控制操作/实验面板：钢制喷塑结构。

强电控制面板：装有漏电保护空气开关、电流型漏电保护器，充分考虑人身安全保护；配置带钥匙的电源启动控制回路和多组保险丝，同时每一组强电输出都有旋钮开关控制，保证设备安全，操作控制便捷；装有分相电压表、指示灯，直观，强电信息一目了然；装有变频器及其控制接口面板，方便变频器熟悉、操作和应用。

控制器面板：变频控制器面板、智能仪表控制面板。

信号接口面板：控制对象中的仪表信号和电气信号转移到信号接线板上，提供AI、AO、DO等传感器检测及执行器控制信号接口，便于学生自己连线组成不同的控制系统。实验者通过安全型接插式导线将实验板与信号板之间进行不同的配线，以完成过程控制各类实验。

三、HLGCK-09上位过程控制系统基型配置：

1）S7-200PLC控制系统

随着科技的发展，PLC即使是Micro PLC，也可以胜任多种控制任务。本产品提供的PLC控制系统主机选用西门子的S7200系列，主要展示小型（Micro）PLC在满足小规模的控制任务中的表现，为培养工程化人才提供更多更强的实验平台。

2）智能仪表控制系统

仪表控制系统核心为带通信功能的各种仪表，仪表内集成了各种算法，根据现场情况整定仪表控制算法的各种参数，达到控制效果。同时带通讯功能的仪表与上位计算机的软件平台通讯。仪表各种参数和过程值进入软件平台（一般为工控组态软件）的数据库，再加上组态的流程画面和操作界面，可以方便在上位计算机整定参数，对过程值进行记录分析。

3）DDC控制系统

DDC控制系统一般有两种形式，一种采用外部数据采集模块的形式，其核心为带RS485通讯的数据采集模块和计算机算法软件；另一种采用工控机和ISA或PCI插槽的数据采集板卡。外部数据采集模块由于安装方便，同时就地安装时采用通讯方式向计算机送数据不存在信号衰减，因此本产品采用种方式的应用。用户可根据自己学校的实际情况选用第二种方式的应用（例如研华A/D、D/A、采样板卡）。

在控制台直接装有数据采集模块，同时利用工控软件MCGS中强大的算法组态功能，便捷的组建一个带人机界面的DDC控制系统。在DDC系统中提供开放的算法软件供实验和算法编程参考，方便实验教学和工程人才培养。

四、HLGCK-09型过程控制实验装置配置清单

表1 HLGCK-09型过程控制实验对象（一套）

表2：智能仪表控制实验台硬件配置表

表3  DDC上位控制系统硬件配置表

表4：西门子S7200-PLC上位控制系统硬件配置表

表5：软件清单

五、HLGCK-09型过程控制系统实验项目

1、液位控制系列实验

三容液位对象特性测试

三容液位对象的单回路PID控制

三容液位对象的位式控制

上下水箱液位的串级控制与抗干扰性测试

中下水箱液位的串级控制与抗干扰性测试

上、中、下水箱的三闭环液位串级控制与抗干扰性测试

上下水箱液位双回路对象特性的获取

上下水箱液位的双回路控制

上下水箱液位的解耦控制

2、温度控制系列实验

锅炉夹套温度与内胆温度双回路对象特性的获取

锅炉夹套温度与内胆温度的双回路控制

锅炉夹套温度与内胆温度双回路的解耦控制

纯滞后盘管出口温度的对象特性测试实验

纯滞后盘管出口温度的单回路控制实验

盘管出口温度与锅炉内胆温度的串级控制

盘管出口温度的单回路SMITH补偿控制

盘管出口温度与锅炉内胆温度的串级SMITH补偿控制

盘管出口温度的单回路内模控制

盘管出口温度与锅炉内胆温度的串级内模控制

3、自主设计开发控制系统实验

基于MCGS实时数据库，并借助于MCGS脚本程序范例程序，师生可自主设计开发具有个人创造性的控制系统，例如神经元控制、专家控制、自适应控制等现代控制方法。

六、技术指标

工作电源：二相三线 220V±5% 50Hz

外形尺寸： 实验台加控制对象

整机容量：<5KVA/控制信号：电压1～5

七、安全保护体系

锅炉加热程控保护系统

锅炉加热内胆加由水位液位保护装置，水位不达到一定的高度，控制系统不能控制可控硅调压器工作。

电加热管电源控制开关采用钥匙开关，不实验时，由教师保护放置钥匙，避免无关人员误操作。

电源保护措施

加有电流型漏电保护器。

两相电源加有保险管，防止断路。

电源启停控制方式；

采用启停按钮控制接触器来控制电源的启停。

漏电保护装置及安全性和安全承诺；

各种电源及各种仪表的可靠的保护功能

各种电源及各种仪表的强电采用开关控制，学生不自行接线，不存在强弱电混插的问题。

实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。