CS4000高級過程控制實驗裝置設備操作說明書

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一、概述面對經(jīng)濟全球化的大趨勢，特別是我國加入WTO以后，企業(yè)面對的是國際競爭。為了提升產(chǎn)品品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，持續(xù)提高企業(yè)的競爭力，越來越多的企業(yè)應用最新科技的自動化技術，因而企業(yè)對相應技術人員的要求也越來越高。作為自動化及相近專業(yè)的學生，只有擁有良好的理論知識、又具有很強的動手能力和較高的綜合素質(zhì)，才能在日益嚴峻的就業(yè)形勢中得到用人單位的青睞。CS4000型過程控制實驗裝置是中控科教根據(jù)自動化及相近專業(yè)的教學特點和學生培養(yǎng)目標，結合國內(nèi)外最新科技動態(tài)而推出的集智能儀表技術，計算機技術，通訊技術，自動控制技術為一體的普及型多功能實驗裝置。該裝置本著工程化、人才培養(yǎng)綜合化的設計原則和思想設計開發(fā)，既可以滿足《自動控制原理》、《過程控制》、《控制儀表》、《自動檢測技術與傳感器》、《計算機控制》等自動化專業(yè)課程的實驗教學，對溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)應用多種控制方案進行控制，同時讓學生熟悉主流的工業(yè)控制產(chǎn)品，并具備一定操作、選型、設計能力，為就業(yè)時迅速進入角色打下基礎。整個系統(tǒng)由對象系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成：CS4000過程控制實驗裝置對象系統(tǒng)實驗對象主-副管路流量系統(tǒng)四容水箱液位系統(tǒng)加熱水箱-純滯后水箱溫度系統(tǒng)檢測機構擴散硅式壓力液位傳感器渦輪流量計電磁流量計Pt100熱電阻溫度傳感器執(zhí)行機構可控硅移相調(diào)壓裝置電動調(diào)節(jié)閥變頻器輔助系統(tǒng)漏電保護器防干燒系統(tǒng)防高溫系統(tǒng)控制系統(tǒng)智能數(shù)字儀表控制系統(tǒng)DDC計算機直接控制系統(tǒng)PLC可編程控制器控制系統(tǒng)

二、對象系統(tǒng)1、豐富的實驗對象雙管路流量系統(tǒng)系統(tǒng)包括兩個獨立的水路動力系統(tǒng)，一路由水泵、電動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計組成（主管路），由電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，電磁流量計檢測流量；另一路由變頻器、水泵、渦輪流量計組成（副管路），由變頻器調(diào)節(jié)流量，渦輪流量計檢測流量?？梢酝瓿啥喾N方式下的流量控制實驗：單回路流量控制實驗流量比值控制實驗四容水箱液位系統(tǒng)系統(tǒng)提供一組有機玻璃四容水箱，每個水箱裝有液位變送器；通過閥門切換，任何兩組動力的水流可以到達任何一個水箱。因此系統(tǒng)可以完成多種方式下的液位、流量及其組合實驗：單容、雙容（一階、二階）液位對象特性測試實驗單回路液位控制實驗不同干擾方式下液位控制實驗不同水箱液位串級控制實驗前饋-反饋控制實驗耦合控制實驗加熱水箱-純滯后水箱溫度系統(tǒng)系統(tǒng)提供了一個加熱水箱和一個溫度純滯后水箱，加熱水箱及純滯后水箱不同時間常數(shù)位置裝有Pt100熱電阻檢測溫度，由可控硅控制電加熱管提供可調(diào)熱源，系統(tǒng)可以完成多種溫度實驗。溫度對象特性測試實驗（包括純滯后特性）不同水流狀態(tài)溫度位式控制實驗不同水流狀態(tài)溫度單回路PID控制實驗不同時間常數(shù)純滯后溫度控制實驗2、精密的檢測機構擴散硅式壓力傳感器浙大中控SP0018型絕壓變送器，其核心為擴散硅壓力傳感器，直流24V供電，測量精度0.25%。下圖是這種根據(jù)壓阻效應工作的半導體壓力測量元件的結構示意圖，在杯狀單晶硅膜片的表面上，沿一定的晶軸方向擴散著一些長條形電阻。當硅膜片上下兩側出現(xiàn)壓差時，膜片內(nèi)部產(chǎn)生應力，使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。需要說明，這里擴散電阻的變化，在機理上和普通的金屬應變電阻不同，普通的金屬電阻絲受力變形時，其電阻的變化是由幾何尺寸變化引起的，由電阻絲的長度l和截面積S的變化引起的。而半導體擴散電阻在受到一定方向的應力作用時，材料內(nèi)部晶格之間的距離發(fā)生變化，禁帶寬度以及載流子之間的相互作用都發(fā)生變化，使載流子濃度和遷移率改變，導致半導體材料的電阻率ρ發(fā)生強烈變化，其靈敏度約比金屬應變電阻高100倍左右。為了減小半導體電阻隨溫度變化引起的誤差，在硅膜片上常擴散四個阻值相等的電阻，以便接成橋式輸出電路獲得溫度補償，如下圖所示。平面式彈性膜片受壓變形時，中心區(qū)與四周的應力方向是不同的。在膜片上用擴散法制造電阻時，將四個橋臂電阻中的兩個置于受壓區(qū)，這樣如圖接成推挽電路測量壓力時，電阻溫度漂移可以得到很好的補償，而輸出電壓加倍。在使用幾伏的電源電壓時，橋路輸出信號幅度可達幾百毫伏。這樣，后面只要用一個普通的運算放大器，便可將它轉(zhuǎn)換為標準電信號輸出了。渦輪流量計LWGY10AP型渦輪流量計，直流24V供電，測量精度±1%。渦輪流量計中渦輪的軸裝在導管的中心線上，流體軸向流過渦輪時，推動葉片，使渦輪轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速近似正比于流量Q。渦輪流量計的輸出，由于軸在管道里面不便直接引出，都采用非接觸的電磁感應方式，如根據(jù)磁阻變化產(chǎn)生脈沖的輸出方式。在不導磁的管殼外放著一個套由感應線圈的永久磁鐵，因為渦輪葉片是導磁材料制成的，故渦輪旋轉(zhuǎn)時，每片葉片經(jīng)過磁鐵下面時，都改變磁路的磁阻，使通過線圈的磁通量發(fā)生變化，感應輸出電脈沖。這種脈沖信號很易遠傳，而且積算總量特別方便，只需配用電子脈沖計數(shù)器即可。電磁流量計浙大中控SF10TD-C一體式電磁流量計，內(nèi)壁光滑、無阻流件，壓力損失為零，測量精度±0.5%，其結果不受液體的壓力、溫度、密度、電導率等物理參數(shù)影響，工作可靠。電磁流量計以電磁感應定律為基礎，在管道兩側安放磁鐵，以流動的液體當作切割磁力線的導體，由產(chǎn)生的感應電動勢測知管道內(nèi)液體的流速和流量。電磁流量計的基本原理如上圖所示。在一段不導磁的測量管兩側裝上一對電磁鐵，被測液體從管內(nèi)流過，管壁上在與磁場垂直的方向上，有一對與液體接觸的電極，根據(jù)電磁感應定律，若管道內(nèi)磁感應強度為B[Gs]，管內(nèi)流體的流速為v[cm/s]，切割磁力線的導體的長度就是兩個電極間的距離，也就是管道內(nèi)徑D[cm]，則感應電動勢e=B·D·v×10-8[V]由于體積流量Q[cm3/s]與流速v有如下關系：由此可見，流量正比于感應電動勢e。電磁流量計的優(yōu)點是管道中不設任何節(jié)流元件，因此可測各種粘度的液體，特別宜于測量含各種纖維及固體污物的液體。此外，對腐蝕性液體也很適用，因為測量管中除一對由不銹鋼或金、鉑等耐腐蝕材料制成的電極與流體直接接觸外，沒有其它零件和流體接觸，工作非常可靠。電磁流量計的測量精度約1%，刻度線形，測量范圍寬，反應速度快，且可測水平或垂直管道中來回兩個方向的流量。Pt100熱電阻溫度傳感器熱電阻測溫儀表是根據(jù)金屬導體的電阻隨溫度變化的特性進行測溫的，對確定的電阻，只要精確地測定其阻值的變化，便可知道溫度的高低。適合作電阻感溫元件的材料應滿足如下要求：電阻溫度系數(shù)大，電阻與溫度關系線性度好，在測溫范圍內(nèi)物理化學性能穩(wěn)定。目前用得最多的是鉑和銅兩種材料，其中鉑電阻精度高，性能穩(wěn)定可靠，被國際組織規(guī)定為-259.34~+630.74℃間的基準器，在工業(yè)上則廣泛用于-200~+500℃間的溫度測量。電阻感溫元件根據(jù)用途不同，做成各種形狀和尺寸，其基本結構都是把很細的電阻絲繞在棒狀或平板狀的骨架上，骨架由陶瓷或云母等制成。溫度變化時電阻絲在骨架上要求不受應力的影響，以保持特性的穩(wěn)定。在電阻絲外面一般都有保護層或保護套管。為了減小測溫的時間滯后，電阻體內(nèi)部要導熱良好，并盡量減小熱容量。在適用熱電阻測溫時，有一個需要注意的問題，就是電阻體外部的導線電阻是與熱電阻串聯(lián)的，如果導線電阻不確定，測溫是無法進行的。為此，常使用三根引出線的熱電阻，如上圖所示。這樣，在使用平衡電橋?qū)犭娮鑂t進行測量時，由電阻體引出的三根導線，一根的電阻與電源E串聯(lián)，不影響橋路的平衡，另外兩根的電阻被分別置于電橋的兩臂內(nèi)，它們隨環(huán)境溫度變化對電橋的影響可以打部分抵消。3、準確的執(zhí)行機構可控硅移相調(diào)壓裝置通過4~20mA電流控制信號控制單相220V交流電源在0~220V之間實現(xiàn)連續(xù)變化，從而調(diào)節(jié)電加熱管的功率。固體繼電器（亦稱固態(tài)繼電器）英文名稱為SolidStateRelay，簡稱SSR。它是用半導體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。交流固體繼電器（SSR）分過零型和隨機型。過零型SSR用作“開關”切換，從“開關”切換功能而言即等同于普通的繼電器或接觸器。隨機型SSR主要用于“調(diào)壓”。隨機型SSR的控制信號必須為與電網(wǎng)同步且上升沿可在0°-180°范圍內(nèi)改變的方波信號時才能實現(xiàn)調(diào)壓，單一電壓信號或模擬信號并不能使其調(diào)壓，從“調(diào)壓”功能的角度講隨機型SSR完全不同于普通的繼電器或接觸器。有一點必須強調(diào)，各類調(diào)壓模塊或固體繼電器內(nèi)部作為輸出觸點的器件均為可控硅，且都是依靠改變可控硅導通角來達到“調(diào)壓”的目的，故輸出的電壓波形均為“缺角”的正弦波（不同于自耦調(diào)壓器輸出的完整正弦波），因此存在高次諧波，有一定噪音，電網(wǎng)有一定“污染”。電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥通過改變管路的流通面積來改變控制通過的流量，由電動執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)閥兩部分組成。調(diào)節(jié)閥部分主要由閥桿、閥體、閥芯、及閥座等部件組成。當閥芯在閥體內(nèi)上下移動時，可改變閥芯閥座間的流通面積。電動執(zhí)行機構一般采用隨動系統(tǒng)的方案組成，如上圖所示。從調(diào)節(jié)器來的信號通過伺服放大器驅(qū)動電動機，經(jīng)減速器帶動調(diào)節(jié)閥，同時經(jīng)位置發(fā)信器將閥桿行程反饋給伺服放大器，組成位置隨動系統(tǒng)。依靠位置負反饋，保證輸入信號準確地轉(zhuǎn)換為閥桿的行程。為了簡單，電動執(zhí)行器中常使用兩位式放大器和交流鼠籠式電機組成交流繼電器式隨動系統(tǒng)。執(zhí)行器中的電機常處于頻繁的啟動制動過程中，在調(diào)節(jié)器輸出過載或其他原因使閥卡住時，電機還可能長期處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了保證電機在這種情況下不至因過熱而燒毀，電動執(zhí)行器都使用專門的異步電機，以增大轉(zhuǎn)子電阻的辦法，減小啟動電流，增加啟動力矩，使電機在長期堵轉(zhuǎn)時溫升也不超出允許范圍。這樣做雖使電機效率降低，但大大提高了執(zhí)行器的工作可靠性。變頻器各國使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC）。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學術語為“inverter”(逆變器)。由于變頻器設備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器，變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中不僅有電機（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電，在該項應用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。感應式交流電機（以后簡稱為電機）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機的極數(shù)和頻率。由電機的工作原理決定電機的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以不適和改變該值來調(diào)整電機的速度。另外，頻率是電機供電電源的電信號，所以該值能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機，這樣電機的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是作為電機調(diào)速設備的優(yōu)選設備。n=60f/p，n:同步速度，f:電源頻率，p:電機極數(shù)，改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法。如果僅改變頻率，電機將被燒壞。特別是當頻率降低時，該問題就非常突出。為了防止電機燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓，例如：為了使電機的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。例如：為了使電機的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。4、完善的輔助系統(tǒng)整個對象系統(tǒng)有著完善的輔助系統(tǒng)，包括漏電保護、防干燒，防高溫等。電氣控制柜在對象框架的左邊，其面板如下圖所示。最上方為電源開關和按鈕。總電源開關包括漏電保護器，當發(fā)生漏電時漏電保護器會自動切斷電源。電源采取自鎖設計。打開總電源開關，按動啟動按鈕，整個對象通電；按動停止按鈕，整個對象斷電。若電源意外斷開，在此供電時必須重新按動啟動按鈕對象才會通電?？傠娫撮_關和按鈕下方是主管路水泵電源開關和電動調(diào)節(jié)閥電源開關。變頻器的輸出端直接副管路泵，通過控制水泵電機的轉(zhuǎn)速來控制副管路的流量，其電源開關在變頻器的左下方。變頻器有手動、自動兩種工作狀態(tài)，手動狀態(tài)下按變頻器操作面板旋鈕設定的頻率工作，自動狀態(tài)下按外給定信號（4-20mA）設定的頻率工作，手/自動切換開關在變頻器的右下方。變頻器型號為三菱FR-S520S-0.4K-CHR，其參數(shù)設置如下表所示，變頻器的具體使用參見《FR-S500使用手冊》。名稱表示設定范圍設定值上限頻率P10-120Hz60Hz下限頻率P20-120Hz25Hz擴張功能顯示選擇P300，11頻率設定電流增益P391-120Hz60HzRH端子功能選擇P624操作模式選擇P790-80C5C5輸出頻率大小25HzC6C6偏置20%檢測設備電源開關為整個對象的檢測設備供電，包括用于液位檢測的壓力變送器、用于溫度檢測的熱電阻和溫度變送器、用于流量檢測的電磁流量計、渦輪流量計。加熱開關為可控硅調(diào)壓模塊供電，通過調(diào)壓模塊來調(diào)節(jié)加熱管的加熱功率。加熱管在干燒狀態(tài)（加熱水箱無水）下工作是非常危險的，產(chǎn)生的熱量無法及時傳走最后會導致加熱管爆裂。因此在加熱水箱裝有防干燒裝置，當檢測到加熱水箱中液位高度過低時會自動切斷調(diào)壓模塊的控制信號，這樣加熱管便會停止工作，同時電氣控制柜面板上的報警指示燈點亮，只有當液位重新升高后加熱管才會重新工作。加熱水箱為有機玻璃制成，當溫度高于78℃時有機玻璃會軟化，當溫度高于104℃時由及玻璃會熔化。此外，如果加熱使水箱中熱水溫度過高也有可能發(fā)生液體飛濺燙傷事件，為防止此類事件發(fā)生，在對象裝置上特加裝了防高溫裝置。在電氣控制柜中安裝了一塊帶數(shù)顯功能的溫度位式控制儀表，指示加熱區(qū)的溫度，當溫度過高時，同樣會自動停止加熱管的工作。溫控表中已將高溫報警設置為65±2℃，請勿隨意改動，如需改動，請與本公司工作人員聯(lián)系。

三、控制系統(tǒng)1、智能數(shù)字儀表控制系統(tǒng)智能數(shù)字儀表控制系統(tǒng)的核心是浙大中控的C3000智能調(diào)節(jié)記錄儀?？刂乒δ蹸3000多功能控制器具有單回路控制和串級控制功能。用戶可以根據(jù)需要選擇表達式和控制模式。在表達式功能中，定時器和控制回路可以用來特殊控制。串聯(lián)多臺C3000多功能控制器可以執(zhí)行更復雜的控制功能。表達式運算C3000多功能控制器具有表達式功能，使用表達式可以對儀表內(nèi)部信號的算術運算、乘方運算、關系運算、邏輯運算及條件運算，以達到復雜的運算和控制功能的需求。自整定功能C3000多功能控制器控制回路具有參數(shù)自整定功能，每個回路啟動自整定功能需要在組態(tài)中設定相應的參數(shù)。在儀表正常運行中將自動禁止自整定功能。密碼保護C3000多功能控制器具有四種登陸模式：操作員1、操作員2、工程師1及工程師2，每種登陸模式都有獨立的密碼保護，其中工程師2可以任意修改其他登陸模式的密碼。歷史數(shù)據(jù)記錄控制功能C3000多功能控制器具有歷史數(shù)據(jù)記錄控制功能?？梢宰杂蛇x擇需要記錄的數(shù)據(jù)；儀表修改記錄間隔，不會影響已有的記錄，即支持記錄間隔的修改；支持更多的記錄間隔，最小支持0.125s記錄間隔；可以手動啟動（或停止）或自動啟動（或停止）儀表的記錄，自動方式可以通過定時方式啟動（或停止）記錄或使用表達式邏輯功能啟動（或停止）記錄。儀表界面顯示：不連續(xù)的兩段數(shù)據(jù)之間用固定長度的空白段顯示；一段連續(xù)的數(shù)據(jù)顯示中，兩個連續(xù)點時間的差值是該段數(shù)據(jù)記錄間隔的X倍（其中X是縮小倍數(shù)）。其他曲線畫面、棒圖畫面及控制畫面可以橫向顯示和縱向顯示。2、DDC計算機直接控制系統(tǒng)DDC實驗軟件是我們公司面向過程控制實驗領域的特點，并結合我們公司的過程控制實驗裝置開發(fā)的一套DDC實驗軟件。它具有一般通用組態(tài)軟件在系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控等方面的優(yōu)勢，同時我們的軟件具有功能強大的控制算法模塊，克服了通用組態(tài)軟件在算法運算的方面的不足。DDC實驗軟件的核心調(diào)度程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和輸出、數(shù)據(jù)的實時記錄以及實時監(jiān)控。同時，DDC實驗軟件為學生在過程控制實驗裝置上進行實驗提供了友好的人機交互界面，包括：首頁界面、實驗界面、控制器界面、趨勢界面和I/O設置界面。通過這些友好的界面，學生可以在過程控制實驗裝置實現(xiàn)經(jīng)典和先進的控制方案。四水箱DDC實驗軟件根據(jù)中控教儀四水箱過程控制實驗裝置的對象系統(tǒng)的特點，分別設計了基于水箱對象系統(tǒng)和溫度對象系統(tǒng)的DDC實驗。儀表提供2個頻率輸入通道，8個模擬量（1-5V）輸入通道，4個模擬量（4-20mA）輸出通道。其中通道4并聯(lián)有250Ω精密電阻，信號自動轉(zhuǎn)換為1-5V標準信號，與頻率輸入信號組合使用可用于頻率信號的轉(zhuǎn)換。3、PLC可編程控制器控制系統(tǒng)可編程序控制器，簡稱PLC，它是60年代末在美國首先出現(xiàn)的，當時叫可編程邏輯控制器，目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。其基本設計思想是把計算