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现场总线课程设计本科论文

第1章实训装置说明

第一节系统概述

1、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。

2、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。

3、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。

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。

1、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。

2、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。

3、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。

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。

1、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。

2、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

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

④AUX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

3.基本使用说明

a.显示切换：

按

键可以切换不同的显示状态。

TH－AI818系列仪表可在①、②两种状态下切换；TH－AI708系列仪表只能显示①，无需切换。

b.修改数据：

如果参数锁没有锁上，仪表下显示窗显示的数值除自动输出值不可直接修改外，其余数据均可通过按

、

或

键来修改下显示窗口显示的数值。

例如：

需要设置给定值时，可将仪表切换到显示状态①，即可通过按

、

或

键来修改给定值。

AI仪表同时具备数据快速增减法和小数点移位法。

按

键减小数据，按

键增加数据，可修改数值位的小数点同时闪动（如同光标）。

按键并保持不放，可以快速地增加/减少数值，并且速度会随小数点右移自动加快（3级速度）。

而按

键则可直接移动修改数据的位置（光标），操作快捷。

c.手动/自动切换：

在显示状态②下，按A/M键（即

键），可以使仪表在自动及手动两种状态下进行无扰动切换。

在显示状态②且仪表处于手动状态下，直接按

键或

键可减少或增加手动输出值。

通过对run参数设置（详见run参数功能说明），也可使仪表不允许由面板按键操作来切换至手动状态，以防止误入手动状态。

d.设置参数：

在基本状态（显示状态①或②）下按

键并保持约2秒钟，即进入参数设置状态（显示状态⑤）。

在参数设置状态下按

键，仪表将依次显示各参数，例如上限报警值HIAL、参数锁Loc等等，对于配置好并锁上参数锁的仪表，只出现操作工需要用到的参数（现场参数）。

用

、

或

键可修改参数值。

按

键并保持不放，可返回显示上一参数。

先按键

键不放接着再按

键可退出设置参数状态。

如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。

如果参数被锁上（后文介绍），则只能显示被EP参数定义的现场参数（可由用户定义的，工作现场经常需要使用的参数），而无法看到其它的参数。

不过，至少能看到Loc参数显示出来。

4.重要参数说明

TH-AI系列仪表是通用的人工智能调节器，输入输出规格很多，功能丰富，如果不正确的配置各项参数，就不能有效的投入使用。

这里特别说明几个常用设置：

CtrL：

控制方式。

CtrL＝0，采用位式控制；CtrL＝1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL＝2，启动自整定参数功能；CtrL＝3，自整定结束。

Sn：

用于选择仪表的输入规格，必须将Sn设定值和输入规格相符；

DIL：

输入下限显示值，一般DIL＝0。

DIH：

输入上限显示值。

输入为液位信号时，DIH＝50；输入为热电阻信号时，DIH＝100；输入为流量信号时，DIH＝100。

oP1：

输出方式，一般OP1＝4为4～20mA线性电流输出。

oPL、oPH：

用于限制调节输出极限值，互相配合使用，控制oP1的调节输出；

Ctrl：

用于选择仪表的控制方式，是位式控制、PID调节或者启动自整定；

dF：

避免因测量输入值波动而导致频繁通断或报警频繁产生／解除，主要用于仪表的位式调节，此时P、I、d、CtI等人工智能算法的控制参数不起作用；另外人工智能调节的自整定值和dF设定有关；

CF：

系统功能选择。

CF＝0为内部给定，反作用调节；CF＝1为内部给定，正作用调节；CF＝8为外部给定，反作用调节；CF＝9为外部给定，正作用调节。

Addr：

通讯地址。

单回路实训Addr＝1；串级实训主控为Addr＝1，副控为Addr＝2；三闭环实训主控为Addr＝1，副控为Addr＝2，内环为Addr＝3。

实训中各仪表通讯地址不允许相同。

P、I、D参数可根据实训需要调整，其他参数请参考默认设置。

有关AI系列仪表的使用请参考说明书上相关的内容。

5.智能仪表与实训工程通讯参数设置：

智能仪表与实训工程通讯参数设置编辑窗口如图1.3.5所示；此时的串口端口号一定要与现在计算机正使用的端口号相同，否则通讯不上。

其余组态工程上的参数都按照图1.3.5进行设置。

图1.3.5通用串口设备窗口参数设置

此时的模块地址一定要与现在正被使用的智能调节仪的地址相同，否则也通讯不上，其余组态工程上的参数都按照图1.3.6进行设置。

图1.3.6AI818智能调节仪表属性窗口参数设置

3、S7-200PLC控制系统组件

现场总线控制系统主要包括CPU224主机、EM235四入一出模拟量输入/输出模块。

S7-200PLC控制系统组件如图1.3.7所示。

图1.3.7S7-200PLC控制系统组件图

1．S7-200PLCCPU主机

S7-200的CPU种类很多，具有不同的功能，所以其面板也不是完全相同。

如图1.3.8所示，主要有如下的部件：

图1.3.8S7-200PLCCPU主机示意图

2.S7-200PLCCPU连接到编程PC

图1.3.9S7-200PLCCPU和PC连接示意图

3.S7-200PLCCPU接线图

图1.3.10S7-200PLCCPU主机接线图

4．模拟量输入/输出模块EM235

本设备中所采用的EM235模拟量输入输出模块为直流输入输出模块，通过24V直流电压供电，输入0-20mA电流信号或者0-5V电压信号，输出0-20mA电流信号。

可在149μ秒之内将模拟信号输入转换为其相应的数字值。

每当用户程序存取模拟点时，模拟信号输入都将进行转换。

这些转换时间必须加到用于访问模拟量输入的指令的基本执行时间上。

EM235提供一个未经处理的数字值（未经线性化或滤波），它对应于模拟量输入端处出现的模拟量电压或电流。

由于这种模块是高速模块，它们可以跟踪模拟量信号中的快速变化（包括内部和外部噪声）。

对一个恒定或缓慢变化的模拟量输入，由噪声引起的信号读数之间的差异，可通过对读数值取平均值的方法使其影响为最小。

但由于计算平均值而增加读取信号的次数（即采样次数），会相应地降低对外部输入信号的响应速度。

订货号为：

6ES7235-0KD22-0XA8。

该模块的端子接线图和框图如图1.3.11所示：

图1.3.11EM235模块端子接线图和框图

EM235配置

----表3-1所示为如何用DIP开关设置EM235模块。

开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。

所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。

表A-14所示为如何选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和衰减（开关1、2和3）。

下表中，ON为接通，OFF为断开。

表3-1EM235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表

单极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

OFF

0到50mV

12.5μV

OFF

0到100mV

25μV

OFF

0到500mV

125uA

OFF

0到1V

250μV

OFF

0到5V

1.25mV

OFF

0到20mA

5μA

OFF

0到10V

2.5mV

双极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

OFF

±25mV

12.5μV

OFF

±50mV

25μV

OFF

±100mV

50μV

OFF

±250mV

125μV

OFF

±500

250μV

OFF

±1V

500μV

OFF

±2.5V

1.25mV

OFF

±5V

2.5mV

OFF

±10V

5mV

表3-1

表3-2EM235选择单/双极性、增益和衰减的开关表

EM235开关

单/双极性选择

增益选择

衰减选择

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

单极性

OFF

双极性

OFF

X10

OFF

X100

无效

OFF

0.8

OFF

0.4

OFF

0.2

表3-2

4、数据采集模块控制系统组件

RemoDAQ-8000系列是基于RS-485网络的数据采集和控制模块。

它们提供了模拟量输入、模拟量输出/数字量输入输出、定时器/计数器和其他功能，这些模块可以由命令远程控制。

1.RemoDAQ-8017是一个8通道模拟量输入模块，通过24VDC供电，采样数率10次/秒，精确度±0.1%。

模拟量输入模块具有如下共同特点：

●3000VDC隔离

●24位ADC提供极高的精确度

●软件校准如图所示：

图1.3.12模拟量输入模块R8017

2.RemoDAQ-8017主要由输入、电源、通讯、控制器、光隔离等几部分组成，如图所示：

图1.3.13模拟量输入模块R8017结构图

3.RemoDAQ-8024是4路模拟量输出模块并有如下特性：

●3000VDC光隔离模拟量输出

●商店模拟量输出值可编程

●输出斜率可编程

●软件校准

●

图1.3.14模拟量输出模块R8024

●

图1.3.15模拟量输出模块R8024结构图

●

5、调压器及变频器组件

该组件包括LSA-TH3P40Y三相全隔离一体化交流调压器模块、FR-D720S-0.4K-CHT交流变频器及HS-100-24DC24V开关电源模块等。

图1.3.16调压器及变频器组件图

1、三相全隔离一体化交流调压器模块

三相全隔离一体化交流调压器模块，采用多控制信号输入设计，可以通过标准4～20mA、0～10V、0～5V等信号，对调压模块进行输出调压控制，控制输出与控制信号具有很高的线性度，调压效果好。

图1.3.17三相调压模块

2、交流变频器

采用日本三菱公司的FR-D720S-0.4K-CHT型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

主电路图:

控制电路图:

主电路端子的端子排列与电源、电机的接线：

用变频器面板旋钮直接手动控制变频器的输出来驱动三相磁力驱动泵。

有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。

变频器常用参数设置：

P1＝50；P160＝0；P161＝1；P182＝4；P79＝6。

注意：

在学生做实验连接实验导线时，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。

6、电气控制辅助组件

下图为电气控制辅助组件实图，主要由电源输出端子排、液位继电器、交流接触器、执行器电源输入端子排、信号输入输出端子排等组成。

图1.3.18液位继电器和交流接触器实物图

图1.3.19执行器电源输入端子实物图

图1.3.20信号输入输出端子排实物图

端子分布说明图如下

图1.3.21执行器电源输入端子排说明图

图1.3.22信号输入输出端子排说明图

第四节软件介绍

一、MCGS组态软件

1.简介

本装置中三种控制方案均采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows2000/XP等操作系统。

MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

MCGS5.5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

2.系统组成

MCGS5.5软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。

组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。

运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

MCGS组态软件（以下简称

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