SBGCS-68A過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備
一、概 述
過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備是本企業(yè)根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，吸收了國內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長處，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，研發(fā)的一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置。
本裝置可滿足《自動(dòng)控制理論》、《過程控制》、《自動(dòng)化儀表》以及《傳感器檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，除了能滿足本、?？茖W(xué)生不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，還能為研究生、相關(guān)專業(yè)老師和工程技術(shù)人員進(jìn)行復(fù)雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等方面的研究，提供了實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)現(xiàn)的途徑。
二、裝置特點(diǎn)
1.過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的各種功能均綜合在一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用積木式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀大方、便于運(yùn)輸及實(shí)驗(yàn)室的多臺(tái)布局。
2.對(duì)象小型化、適應(yīng)性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象模型由不銹鋼和有機(jī)玻璃水箱組成，實(shí)驗(yàn)水箱在屏右邊能清楚看見，管道流程直觀、清晰。
3.參數(shù)全面，涵蓋了液位、流量、壓力、溫度四大典型過程控制參數(shù)。
4.小型（小功率）執(zhí)行元件，它們是二個(gè)磁力驅(qū)動(dòng)泵和一個(gè)電加熱器，使整體結(jié)構(gòu)更為緊湊、小型化。
5.系統(tǒng)控制方式多樣性
主要有智能儀表控制、PLC控制、兩套磁力泵交流變頻調(diào)速控制和單相移相調(diào)壓控制等，并可組成不同的控制方式。
6.安全保護(hù)齊全
設(shè)有智能電源管理系統(tǒng)具有過溫、短路、過流、過壓、欠壓、失壓、功率限定7大保護(hù)功能；電源具有一鍵鎖定功能，處理故障時(shí)，防止漏電保護(hù)器合閘，造成觸電危險(xiǎn)；電源具有故障鎖定功能，發(fā)生故障導(dǎo)致跳閘時(shí)，不能人為上電，只能通過遠(yuǎn)程清除故障后，才能上電成功；能通過無線4G和有線以太網(wǎng)與手機(jī)APP和PC端云平臺(tái)通訊，沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下，教室整套智能電源管理系統(tǒng)可離線獨(dú)立運(yùn)行。
（1）智能終端：智能電源管理系統(tǒng)以32位ARM為核心，采用4.3寸彩色觸摸屏為人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，提供Zigbee、CAN等多種通信模式，具備語音播報(bào)功能。能實(shí)時(shí)監(jiān)測三相電壓、電流、功率，功率因數(shù)、頻率、電能等參數(shù)，液晶觸摸屏監(jiān)測數(shù)值。能監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室電源的故障類型和故障次數(shù)；設(shè)備時(shí)間管理包含年月日時(shí)間的顯示；用戶通過刷卡方式請(qǐng)求開啟設(shè)備，PC端進(jìn)行授權(quán)之后，設(shè)備可啟動(dòng)使用，PC端可分時(shí)預(yù)約設(shè)備的啟動(dòng)和停止。
（2）手機(jī)APP：用電狀態(tài)界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電壓、電流、有無功功率、電能、設(shè)備溫度、漏電電流值等；用電數(shù)據(jù)界面能智能查找近2年用電數(shù)據(jù)，設(shè)置界面能設(shè)置限定電能值、負(fù)載值、設(shè)備超溫值、過欠壓值、過欠壓恢復(fù)時(shí)間值等。后臺(tái)查看報(bào)警日志、操作日志、故障日志等。控制：可在微信小程序中遠(yuǎn)程控制智能開關(guān)的通斷。
（3）PC端軟件：每個(gè)設(shè)備狀態(tài)信息顯示，具有多個(gè)子界面，具有故障分析，用電能效分析、集中管理、個(gè)人中心資料管理、用戶報(bào)警定位跟蹤與信息統(tǒng)計(jì)；具有管理員信息修改與權(quán)限管理等功能?？梢绘I開啟和關(guān)閉所有設(shè)備，可單獨(dú)控制每臺(tái)設(shè)備的開關(guān)。
（4）后臺(tái)系統(tǒng)：包含賬號(hào)管理、設(shè)備管理、報(bào)修管理、用戶管理，設(shè)備管理：
①包含監(jiān)控管理：實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控每個(gè)教室，可一鍵預(yù)覽所有設(shè)備的在線和運(yùn)行情況，分析設(shè)備使用率及運(yùn)行時(shí)間！
②包含設(shè)備節(jié)點(diǎn)：可顯示設(shè)備所在位置、編碼名稱、掛載情況、用戶編輯、用戶查詢等。報(bào)修管理：用戶可進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)修，反應(yīng)設(shè)備故障信息，編輯報(bào)修情況，后臺(tái)可進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，及時(shí)跟進(jìn)，以有效解決用戶設(shè)備維護(hù)。用戶管理：可連通手機(jī)號(hào)，對(duì)賬戶進(jìn)行一對(duì)一的安全加密，實(shí)名認(rèn)證，防止賬戶泄密、防盜，現(xiàn)場數(shù)據(jù)連接云平臺(tái)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理。
三、系統(tǒng)組成
本裝置集多參數(shù)控制為一體，由過程控制對(duì)象、傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、顯示器和計(jì)算機(jī)（用戶自配）等組成。
1.控制對(duì)象的模型由上、中、下三個(gè)水箱及一個(gè)儲(chǔ)水箱組成，上、中、下水箱由兩臺(tái)磁力泵供水。上、中兩個(gè)水箱各裝有一個(gè)擴(kuò)散硅壓力變送器來檢測壓力和液位；下水箱是一個(gè)復(fù)合式水箱，其中內(nèi)筒不銹鋼水箱中裝有500W電加熱器和PT100溫度傳感器。主管道上裝有小型渦輪流量計(jì)（定做）、小型閥門和兩臺(tái)磁力驅(qū)動(dòng)泵。水箱中的水位、壓力、水溫以及供水的流量都可以用于構(gòu)成控制系統(tǒng)的被控參量。兩臺(tái)磁力泵中的任一臺(tái)都可作為調(diào)節(jié)通道或干擾通道，模擬現(xiàn)場產(chǎn)生的干擾信號(hào)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性能。
2.實(shí)驗(yàn)掛箱
本裝置共提供五個(gè)實(shí)驗(yàn)掛箱，分別是GK02傳感器輸出與顯示； GK-06面板流程圖；GK07交流變頻器（日本三菱）掛箱（配兩個(gè)）；GK08 PLC控制器（西門子S7－200）掛箱。
3.PC/PPI專用編程電纜線
4.RS232/485通訊轉(zhuǎn)換器
5.豪華型電腦桌
6.計(jì)算機(jī)（用戶自備）
7.上位機(jī)軟件
PLC編程環(huán)境軟件為STEP 7-Micro/WIN32，它可以對(duì)S7-200的所有功能進(jìn)行編程。上位機(jī)具有二種監(jiān)控軟件：
(1)MCGS工控組態(tài)軟件(DEMO版)：利用PC/PPI電纜線組成PLC與MCGS工控組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，以及利用RS232/485轉(zhuǎn)換器組成智能調(diào)節(jié)儀與MCGS工控組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象過渡過程的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)曲線的動(dòng)態(tài)顯示和監(jiān)控。MCGS工控組態(tài)軟件還可以對(duì)控制對(duì)象的圖形任意組態(tài)，動(dòng)態(tài)顯示，編制控制策略，輸出實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，打印工程報(bào)表，操作菜單設(shè)計(jì)等一系列強(qiáng)大的功能。
8.智能物聯(lián)網(wǎng)模塊
1、功能描述：由物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、采集通信模組與擴(kuò)展板組成，實(shí)現(xiàn)與各種儀表的數(shù)據(jù)采集、處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后上傳到服務(wù)器平臺(tái)，同時(shí)服務(wù)器平臺(tái)可對(duì)物聯(lián)網(wǎng)模塊下達(dá)指令，配合擴(kuò)展板模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
2、通訊方式： 4G
3、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)：設(shè)備電壓、電流、通電狀態(tài)、電箱溫度等。
4、安裝方式：安裝于電源屏內(nèi)部。
5、組成要求：由物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、采集通信模塊與擴(kuò)展模塊組成，其中采集通信 模組包括：4G 通信模塊、網(wǎng)口模塊、主控模塊、485通信模塊以及指示燈模塊。擴(kuò)展模塊配有4路輸入檢測與4路輸出驅(qū)動(dòng)電路，模塊功能參數(shù)如下：
1）采集與通信模塊： 模塊可以通過 RS-485 接口，利用 ModbusRTU 協(xié)議采集 儀表和 PLC 的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)按照物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器平臺(tái)的協(xié)議進(jìn)行打包，然后通過4G模塊或網(wǎng)口模塊上傳到服務(wù)器平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析并顯示，同時(shí)服務(wù)器平臺(tái)可以發(fā)送相應(yīng)的控制指令到通信模塊， 完成對(duì)應(yīng)的ModbusRTU設(shè)備或者對(duì)擴(kuò)展板模塊進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳輸。
2）物聯(lián)網(wǎng)底板：該模塊作為智能物聯(lián)網(wǎng)模塊的橋梁，上面搭載了24V電源輸入端子、3.3V電源轉(zhuǎn)換集成電路、固件更新接口、網(wǎng)絡(luò)模式切換按鈕、兩路 RS-485 接口、與4G模塊相兼容的單排母接口、與主控模塊兼容的雙排母接口、與擴(kuò)展板相連的排線口、與網(wǎng)口模塊相連的過孔以及與指示燈面板相連的通孔與焊盤。該模塊設(shè)計(jì)集成度超高，兼容性好，在產(chǎn)品損壞更換或硬件模塊更新時(shí)可以直接將模塊替換而無需更換底板。
3）網(wǎng)口模塊：模塊采用ARM內(nèi)核，支持TCPServer、TCP Client、UDP Client、UDP Server、Httpd Client多種工作模式，支持Modbus網(wǎng)關(guān)功能。模塊用于實(shí)現(xiàn)串口到以太網(wǎng)口的數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸，模塊內(nèi)部完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)包，通過簡單設(shè)置即可指定工作細(xì)節(jié)。網(wǎng)口參數(shù)可以通過內(nèi)置網(wǎng)頁也可以通過設(shè)置軟件或串口發(fā)送AT指令的方式進(jìn)行設(shè)置，一次設(shè)置永久保存。采用雙網(wǎng)口結(jié)構(gòu),分為外網(wǎng)口與內(nèi)網(wǎng)口。外網(wǎng)口用于與外網(wǎng)連接將信息發(fā)送到云端服務(wù)器平臺(tái)，內(nèi)網(wǎng)口用于MosbusRTU 協(xié)議與MosbusTCP協(xié)議相互轉(zhuǎn)換，可用于兼容僅支持ModbusTCP協(xié)議和網(wǎng)口相連的設(shè)備。
4）4G 模塊： 模塊采用4G通信模組與Arm Cortex-M0+；內(nèi)核的低功耗控制器相集成的4G模塊， 模塊是一款帶分集接收功能的4G多模全網(wǎng)通無線通信模塊，該模塊支持LTE-TDD/LTE-FDD/TD-SCDMA/WCDMA/GPRS 五模。模塊支持多輸入多輸出技術(shù)（MIMO），即在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而降低誤碼率，改善通信質(zhì)量。整體的4G模塊利用Arm Cortex-M0+內(nèi)核控制實(shí)現(xiàn)4G模塊自動(dòng)運(yùn)行，故障重啟，斷開連接，參數(shù)修改與保存等功能。
5）核心控制模塊： 核心控制模塊由Arm Cortex-M4內(nèi)核高性能微控制器及外圍電路組成，運(yùn)行主頻可達(dá)168MHZ，模塊配有固件燒錄口，方便調(diào)試。模塊控制固件采用了FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行。模塊利用FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分任務(wù)管理，使程序處理效率大大增加。
6）擴(kuò)展板模塊： 該模塊由4路繼電器輸出接口，4路輸入檢測接口， 指示燈以及電源接口組成，主要用于配合采集與通訊模塊工作，達(dá)到服務(wù)器平臺(tái)遠(yuǎn)程控制繼電器輸出，從而控制繼電器上的用電器通斷。
四、技術(shù)指標(biāo)
1.供電電源：單相三線220V±10% 50Hz
2.整機(jī)最大功耗：＜1kVA
3.整機(jī)尺寸：172cm×73cm×160cm
五、基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1.實(shí)驗(yàn)裝置的基本操作與儀表調(diào)試
2.壓力變送器的零點(diǎn)遷移和性能測試實(shí)驗(yàn)
3.單容自衡水箱的對(duì)象特性測試實(shí)驗(yàn)
4.雙容自衡水箱的對(duì)象特性測試實(shí)驗(yàn)
5.溫度位式控制實(shí)驗(yàn)
6.溫度連續(xù)控制實(shí)驗(yàn)（智能儀表控制、PLC控制模式）
7.智能儀表控制實(shí)驗(yàn)
8.單容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)（智能儀表控制、PLC控制模式）
9.雙容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)（智能儀表控制、PLC控制模式）
10.流量定值控制實(shí)驗(yàn)（智能儀表控制、PLC控制模式）
11.單容水箱壓力PID控制實(shí)驗(yàn)（智能儀表控制、PLC控制模式）
12.單回路控制系統(tǒng)的質(zhì)量研究
13.串級(jí)控制系統(tǒng)連接實(shí)驗(yàn)
14.液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
15.單容自衡水箱的對(duì)象特性測試實(shí)驗(yàn)
16.雙容自衡水箱的對(duì)象特性測試實(shí)驗(yàn)
17.單容液位控制實(shí)驗(yàn)--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
18.雙容液位控制實(shí)驗(yàn)--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
19.流量定值控制實(shí)驗(yàn)--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
20.溫度位式控制實(shí)驗(yàn)--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
21.溫度連續(xù)控制實(shí)驗(yàn)--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
22.PLC上下水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
23.液位流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
六、過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置清單：
序號(hào) | 名稱 | 規(guī)格型號(hào) | 單位 | 數(shù)量 |
1 | 控制對(duì)象模型 | SBGCS-68A-1 | 套 | 1 |
2 | 控制屏 | SBGCS-68A-2 | 套 | 1 |
3 | 實(shí)驗(yàn)掛箱 | GK02傳感器輸出與顯示 | 個(gè) | 1 |
4 |
| GK-06面板流程圖 | 個(gè) | 1 |
5 |
| GK07交流變頻器（日本三菱）掛箱 | 個(gè) | 2 |
6 |
| GK08 PLC控制器（西門子S7－200SMART）掛箱 | 個(gè) | 1 |
7 | 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線 | 雙圈安全插 | 個(gè) | 若干 |
8 | 編程電纜 | 編程電纜及下載線 | 套 | 1 |
9 | PLC編程環(huán)境軟件 | STEP 7 - MicroWIN V4.0 . SP6 | 套 | 1 |
10 | MCGS工控組態(tài)軟件 |
| 套 | 1 |
11 | 實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書 |
| 本 | 1 |
12 | 豪華電腦桌 |
| 臺(tái) | 1 |
13 | 塑鋼凳子 |
| 個(gè) | 2 |
