现场总线课程设计 - 图文

第一章 实训装置说明

第一节 系统概述

一、概述

“THJDS-1A型 过程自动化控制系统实训平台”是由对象系统实训平台、S7-200PLC控制系统、智能仪表及远程数据采集控制系统和上位监控PC机四部分组成。本装置是专门为高等院校、职业院校开设的自动化、过程控制装置及自动化、自动控制等专业而研制的，可满足各大高校所开设的《传感器检测与转换技术》、《过程控制》、《自动化仪表》、《自动控制理论》、《计算机控制》、《PLC可编程控制》等课程实训的教学要求。装置选用当前工业现场的典型的被控对象、被控参量和控制流程，可开展现场仪表的调校、被控对象流程的组建、控制系统线路连接、控制算法及组态软件的编程以及控制系统的分析等工作任务，适合职业学校、本科院校的技能训练和研究。

学生通过本实训装置进行综合实训后可掌握以下内容： 1．传感器特性的认识和零点迁移； 2．自动化仪表的初步使用； 3．变频器的基本原理和初步使用； 4．电动调节阀的调节特性和原理； 5．测定被控对象特性的方法； 6．单回路控制系统的参数整定； 7．串级控制系统的参数整定； 8．复杂控制回路系统的参数整定； 9．控制参数对控制系统的品质指标的要求；

10．控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力培养； 11．各种控制方案的生成过程及控制算法程序的编制方法。 二、系统特点

? 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

? 被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。 ? 具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号。

? 具有控制参数和控制方案的多样化。通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控制系统实训项目。

? 各种控制算法和调节规律在开放的实训软件平台上都可以实现。实训数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实训者进行实训后的比较和分析。

? 多种控制方式：可采用AI智能仪表控制、S7-200PLC控制、远程数据采集模块控制。

? 充分考虑了各大高校自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实训、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实训方案，进行综合性、创造性过程控制系统实训的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。

三、实训装置的安全保护体系

1. 三相四线制总电源输入经带漏电保护装置的三相四线制断路器进入系统电源后分为一个三相电源支路和一个单相支路，每一支路都带有各自三相、单相断路器。总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表。

2. 各种电源及各种仪表均有可靠的自保护功能。

3. 强电接线插头采用封闭式结构，以防止触电事故的发生。

4. 强弱电连接线采用不同结构的插头、插座，防止强弱电混接。

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第二节 THJDS-1A型 过程自动化控制对象系统实训平台

实训对象总貌图如图1.2.1所示：

图1.2.1 实训对象总貌图

本实训装置对象主要由水箱、锅炉、盘管和管路四大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、耐震压力表、电动调节阀、交流电磁阀、电磁流量计、压力变送器及手动调节阀组成；另一路由变频器、耐震压力表、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

一、被控对象

由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、3KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位

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较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。同时，结合行业和产业实际生产过程的对象，在上水箱和中水箱的出水口均增加了电动球阀和流量计，可以实现水箱出水流量的自动控制。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱的实训供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实训。做温度实训时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实训。

3．盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实训过程中可根据不同的实训需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实训。

4．管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实训装置的使用年限。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

二、检测装置

1．压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其中三只采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。其量程为0～5KP，精度为0.5级。

2．温度传感器、变送器：装置中采用了6只Pt100铂电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）、上水箱出口的水温。Pt100测温范围：-200～+650℃。经过2只温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号，然后送入二次仪表进行温度的测量。Pt100传感器精度高，热补偿性较好，可用于做标准校验用热电阻。

3．流量传感器、变送器：采用3台涡轮流量计。涡轮流量计的传感器部分为涡轮结构，是一种速度式检测仪表，用于检测水流量的大小，当流量很小时其精度也不会降低。变送器为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度1.0级，是高精度型传感器、变送器一体式结构的流量检测装置，用来对电动调节阀支路流量、变频泵支路流量及盘管出口流量进行检测。

三、执行机构

1．电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

2．水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

3．电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。工作压力：最小压力为0MPa，最大压力为1.0MPa；工作温度：－5～80℃；工作电压：AC220V。

4．三相电加热管：由三根1KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。

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第三节 THJDS-1A型 过程自动化控制系统

“THJDS-1A型过程自动化控制系统”主要由电源控制组件、智能仪表控制系统组件、PLC控制系统组件、数据采集模块控制系统组件、调压器及变频控制组件、电气控制辅助组件、信号转接端子组件等几部分组成。

一、电源控制组件 1．总电源控制指示面板

充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关。总电源控制指示面板如图1.3.1所示。合上总电源空气开关和三相电源空气开关，此时三相电源各相指示灯亮，指示各相电压接通。

图1.3.1 总电源控制指示面板

2．电控旋钮开关面板

该面板的作用主要是通过面板上的各个旋钮开关分别手动控制各个动力设备、执行器、控制系统。

图1.3.2 电控旋钮开关面板

注意：在学生做实训连接实训系统时，一定确保空气开关打关的状态，各旋钮开关也旋在关的位置，接线过程中切勿将变频器的输出接到380V三相磁力驱动泵输入端，更不能将380V电源输出接到220V三相变频磁力泵的输入端，否则将损坏磁力驱动泵。

二、智能仪表控制系统组件

智能仪表控制系统组件如图1.3.3所示，采用AI系列全通用人工智能调节仪表，型号为TH-AI818AXS。TH-AI818AXS型仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

图1.3.3 智能仪表控制组件图

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1. 仪表面板说明及操作说明

① 输出指示灯 ② 报警1 指示灯

③ 报警2 指示灯 ④ AUX辅助接口工作指示灯 ⑤ 显示转换(兼参数设置进入)

⑥ 数据移位（兼手/自动切换及程序设置入） ⑦ 数据减少键（兼程序运行/暂停操作） ⑧ 数据增加键（兼程序停止操作） ⑨ 给定值显示窗

⑩ 测量值显示窗

2. 显示状态

图1.3.4 智能仪表显示状态图

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