YUY-CG08现场总线过程控制系统实验装置
一、系统概述
“现场总线过程控制系统实验装置”是从高校自动化相关专业教学实验的需求出发，采用代表自动化行业技术潮流的现场总线技术，开发出来的进行通讯和远程控制的网络化和数字化实验装置。
“现场总线过程控制系统实验装置”是由现场总线控制系统和对象系统组成。
现场总线高级过程控制对象系统实验装置：
（一）系统组成
1.过程控制实验对象系统
实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5kW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。
系统动力系统有两套：一套由三相（380V交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、交流电磁阀、涡轮流量计等组成；另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计等组成。
整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板，甚至小到每一颗紧固螺钉。
2.对象系统中的各类检测变送及执行装置
(1)扩散硅压力变送器三只：分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位；其中下水箱的压力变送器采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的压力变送器（SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器通过总线供电，不需要另外接工作电源）。
(2)涡轮流量计三只：分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量；其中调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。Pt100热电阻温度传感器六只：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温；
(3)控制模块：包含电磁阀、电动调节阀各一个；调节阀采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的气动调节阀，用来进行回路流量的调节。它具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便
(4)三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵。
(5)变频器采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。
(6)空气压缩机采用具有无油静音，气量自动调节系统的空压机，用于给气动调节阀提供气源。
（二）系统主要特点
1.本套实验装置既包含了各种常规的检测装置，又包含了SIEMENS PA接口的总线检测装置；
2.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；
3.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；
4.执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置。调节系统除了有设定值的阶跃扰动外，还可以通过对象中的电磁阀和手动操作阀制造各种扰动；
5.一个被调参数可在不同的动力源、不同的执行器和不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣；
6.系统设计时考虑到两个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求；
7.能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验；
可构成从现场检测到上位机监控检测之间的全数字通道。
现场总线过程控制系统实验装置：
（一）系统结构
“现场总线过程控制系统”为工业现场控制柜结构，它是“现场总线过程控制对象系统实验装置”的控制部分，其控制网络的控制流程图如下：
1.硬件介绍
(1)电气部分给各种工作部件提供电源
(2)SIEMENS 315-2DP CPU一个（含MMC卡）
(3)CP343-1以太网通讯模块一个
(4)DP LINK 链路器一个
(5)DP/PA Coupler 耦合器一个
(6)远程分布式I/O模块ET200M一个
(7)模拟量输入模块SM331模块两个
(8)模拟量输出模块SM332模块一个
(9)SIEMENS MICROMASTER 420变频器一个
(10)SIEMENS 变频器DP通讯模块一个
(11)SIEMENS SITRNS PA 温度变送器一个
(12)普通网卡一个
(13)DP通讯线和DP接头若干
(14)10/100M交换机一只
2.软件介绍
3.本套控制系统下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位机编程软件STEP 7。STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下的功能特性：
4.可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
5.为功能摸板和通讯处理器赋参数值
6.强制和多处理器模式
7.全局数据通讯
8.使用通讯功能块的事件驱动数据传送
9.组态连接
10.本套控制系统上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位机监控组态软件SIMATIC Wincc。
11.Wincc指的是Windows Control Center，它是在生产过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。
12.Wincc是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000标准环境中，Wincc具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。Wincc的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确地满足控制系统的要求。不仅如此，Wincc还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。
13.Wincc软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。（二）系统特点
现场总线过程控制系统从上位机控制系统到现场仪表之间清晰的分为三层，其中操作员站和服务器之间，服务器和主控制器之间采用工业以太网通讯，构成了整个控制系统的管理级；主控制器、远程分布式I/O模块、变频器、DP/PA耦合器之间通过PROFIBUS-DP协议进行通信，构成了控制系统的控制级；控制级通过DP/PA链路延伸出下一级PROFIBUS-PA网络，压力传感器、电磁流量计、温度变送器和阀门定位器直接挂接在同一条PROFIBUS-PA总线上，这样就实现了现场仪表通过DP/PA链路和主控制器之间的数据交换。
（二）实验内容
1.现场总线控制系统（FCS）的组成与认识实验
2.下位机软件中的硬件组态和程序编写
3.上位机软件中的通信建立和界面组态
4.一阶单容上水箱对象特性测试实验
5.二阶双容水箱对象特性测试实验
6.上水箱液位PID整定实验
7.串接双容下水箱液位PID整定实验
8.三容液位定值控制实验
9.锅炉内胆水温PID控制实验
10.锅炉夹套水温PID控制实验
11.单闭环流量PID控制实验
12.锅炉内胆水温位式控制实验
13.水箱液位串级控制实验
14.三闭环液位控制实验
15.锅炉夹套与内胆水温串级控制实验
16.锅炉内胆水温与水流量串级控制实验
17.上水箱液位与进水流量串级控制实验
18.单闭环流量比值控制实验
19.下水箱液位前馈-反馈控制实验
20.锅炉内胆水温前馈-反馈控制实验
21.温度纯滞后控制实验
22.流量纯滞后控制实验
23.锅炉夹套与内胆水温解耦控制实验
24.上水箱液位与出口水温解耦控制实验
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