LG-GCX03型高級過程控制對象系統實驗裝置

LG-GCX03型 高級過程控制對象系統實驗裝置能完成《自動控制理論》、《過程控制》、《自動化儀表》、《集散控制》、《PLC可編程控制》、《單片機控制》、《計算機控制》等課程所開的實驗項目。集多領域、多學科技術于一體，充分體現了高級過程控制對象系統實驗裝置的先進性、開放性和功能的多樣化。產品吸取國內外教學儀器的優點，并結合我國工業的現場而設計，具有外形美觀大方，布局合理，使用方便，適用于多層次實驗教學和開放性實驗室的建設。

一、技術指標及要求
1.工作電源：三相四線（或三相五線）380V±10% 50Hz
2.外形尺寸：183cm×73cm×140cm
3.整機容量：＜5kVA
二、裝置的配備
1. 電源控制屏(鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，鋁質面板)
(1) 交流電源面板
提供實驗所需的三相四線～380V、三路單相～220V電源，總電源由三相鑰匙開關控制，電網電壓由三只交流電壓表監示，三相帶燈熔斷器作為斷相指示。設有漏電保護空氣開關、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。另外，還設有定時器兼報警記錄儀，為學生實驗技能的考核提供一個統一的標準。
(2) 執行機構及I/O信號接口面板
執行機構有三相可控硅移相調壓裝置、電動調節閥、三相不銹鋼磁力泵、電磁閥、三菱變頻器及三相電加熱管組成，另外電加熱鍋爐帶有防干燒保護設備。并將各傳感器檢測及執行器控制信號同面板上的插座相連，便于學生自己連線組成不同的控制系統。
2.實驗桌
實驗桌為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，桌面為防火、防水、耐磨高密度板，結構堅固，形狀似長方體封閉式結構，造型美觀大方；設有兩個大抽屜、柜門，用于放置工具、存放掛件及資料等。桌面用于安裝電源控制屏并提供一個寬敞舒適的工作臺面。電腦桌聯體設計，造型美觀大方。
3. 交流變頻控制
4. 控制種類
Ø 智能儀表控制
Ø 遠程數據采集控制
Ø DCS分布式過程控制
Ø S7-300PLC過程控制
Ø S7-200PLC過程控制
Ø 單片機控制
Ø 以太網控制
Ø 嵌入式以太網控制
Ø 三菱PLC控制
Ø PCI采集卡控制
5. 系統實驗教學軟件：包括MCGS工控組態軟件、組態王組態軟件、和利時MACS V系統組態軟件、STEP7編程軟件、WinCC組態軟件及單片機數據采集與控制軟件等，根據硬件配置進行配套。
三、實驗項目
本裝置能完成如下實驗項目內容：
1. 過程控制系統結構組成的認識實驗
(1) 過程控制及檢測裝置硬件結構組成的認識與控制方案的組成及連接實驗
(2) 智能調節儀表、智能變送儀表等智能儀表的操作及參數設定實驗
(3) 傳感器的校正(零點遷移與量程調整)
2. 被控對象特性測試實驗
(1) 單容水箱特性測試實驗
(2) 雙容水箱特性測試實驗
3. 單回路控制系統實驗
(1) 單回路控制系統的實踐
(2) 上水箱（或中水箱或下水箱）液位定值控制實驗
(3) 雙容水箱液位的定值控制實驗
(4) 三容水箱液位的定值控制實驗
(5) 鍋爐內膽靜態水溫的定值控制實驗
(6) 鍋爐內膽動態水溫的定值控制實驗
(7) 鍋爐夾套水溫的定值控制實驗
(8) 電動閥支路流量的定值控制實驗
(9) 變頻調速磁力泵支路流量的定值控制實驗
4. 溫度位式控制系統實驗
(1) 鍋爐內膽水溫位式控制實驗
5. 串級控制系統的實驗
(1) 串級控制系統的連接實踐
(2) 水箱液位串級控制實驗
(3) 三閉環液位控制實驗
(4) 下水箱液位與電動調節閥流量的串級控制實驗
(5) 下水箱液位與變頻調速磁力泵支路流量的串級控制實驗
(6) 鍋爐內膽水溫與鍋爐內膽循環水流量的串級控制實驗
(7) 盤管出水口水溫與熱水流量的串級控制實驗
6. 比值控制系統實驗
(1) 單閉環流量的比值控制實驗
(2) 雙閉環流量的比值控制實驗
7. 滯后控制系統實驗
(1) 盤管出水口溫度的純滯后控制實驗
(2) 盤管出水口溫度的滯后控制實驗
(3) 流量純滯后控制實驗
8. 前饋-反饋控制系統實驗
(1) 鍋爐內膽水溫的前饋-反饋控制實驗
(2) 下水箱液位的前饋-反饋控制實驗
9. 解耦控制系統實驗
(1) 上水箱水溫與液位的解耦控制實驗
(2) 鍋爐夾套水溫與鍋爐內膽水溫的解耦控制實驗
10. 工控組態軟件組態控制實驗
(1) 實時數據庫組態實驗
(2) 圖形動畫、報表、曲線、報警組態實驗
(3) 設備通訊組態實驗
(4) 腳本程序應用組態實驗
四、智能儀表控制
1. LG-12 智能調節儀（三件）
系統采用智能型的AI-818儀表（3只），線性電流4～20mA電流輸出，包含人工智能調節算法，模糊PID及參數自整定功能，可組成三閉環控制系統。
2. LG-13 智能位式調節儀
系統采用智能型的AI-708儀表，帶有計算機RS485通訊功能，采用繼電器位式輸出、位式控制算法，掛箱內部裝有接觸器位式控制裝置，儀表可根據設定值、回差來控制繼電器的動作，完成溫度位式控制。
3. LG-14 比值器、前饋反饋補償器、解耦裝置
采用硬件前饋反饋補償器、比值器和解耦裝置，完成前饋反饋、比值、解耦控制實驗，其中通過比值器可完成流量單閉環與雙閉環比值控制實驗；通過前饋反饋補償器可以完成液位與流量以及溫度與流量的前饋反饋控制實驗；通過解耦裝置可完成液位與溫度以及鍋爐夾套與內膽的溫度解耦實驗。
五、遠程數據采集控制
1. 遠程數據采集控制系統硬件組件
(1) LG-21 遠程數據采集熱電阻輸入模塊
(2) LG-22 遠程數據采集模擬量輸出模塊
(3) LG-23 遠程數據采集模擬量輸入模塊
(4) RS232/485通訊轉換器
2. 遠程數據采集控制系統軟件組成
上位PC機中安裝MCGS工控組態軟件及模塊測試軟件，實驗控制通過MCGS工控組態軟件編寫上位機控制軟件的運行算法，并可進行通訊參數的修改及設定控制算法的參數，被控參數的實時曲線、歷史曲線進行動態顯示，此外，還能對實驗流程圖和本實驗相關的被控參數的動態變化進行顯示。
3. 系統特點
該上位機控制系統實際上屬于計算機DDC控制系統，它是將模擬量輸入AI模塊和模擬量輸出AO模塊，開關量輸入/輸出DI/DO模塊置于計算機之外，計算機通過RS232/485通訊轉換裝置同DDC模塊（自帶RS485通訊接口）通訊。
DDC采集模塊的作用是將傳感器檢測到的被控參數標準信號通過AD轉換送入計算機，計算機同時也將通過控制運算發出的控制信號通過DA轉換發給執行機構（如：調節閥、變頻器、可控硅移相調壓裝置）。整個控制系統的控制算法及監控功能都在上位PC機中實現。
4.現場總線控制系統結構圖如下：

六、DCS分布式過程控制
1. DCS系統硬件組件
(1) LG-31 FM148 8路模擬量輸入（電流型〈4～20mA〉/電壓型〈0～5V/1～5V〉）現場總線I/O模塊
(2) LG-32 FM143 8路熱電阻（Pt100）輸入現場總線I/O模塊
(3) LG-33 FM151 8路模擬量輸出（電流型〈4～20mA〉/電壓型〈0～5V/1～5V〉）現場總線I/O模塊
(4) LG-34 MACS控制系統網絡示意圖
2. DCS配套系統硬件單元
(1) MCU主控單元（帶PROFIBUS-DP總線通訊接口卡）
(2) 24V直流電源模塊
(3) 以太網卡（Realtek8139 100M自適應以太網卡1張）
(4) 數據交換機（8端口10/100M雙速交換機1只）
3. DCS系統軟件提供MACS V組態軟件，具體分為：
(1) 數據庫總控組態軟件
(2) 設備組態軟件
(3) 算法組態軟件
(4) 圖形組態軟件
(5) 操作員站在線監控軟件
(6) 服務器軟件
4. 系統特點
DCS過程控制系統硬件部分完全采用“和利時”的MACS V系統，它能直觀清晰的將集散控制系統I/O模塊、現場控制站等展現給學生，讓學生對DCS現場控制站的組成有一個充分的認識。軟件部分完全采用“和利時”的算法組態控制軟件和操作員站上位機監控軟件，該軟件功能強大，中文界面簡單易學，學生可在操作員站和工程師站上進行DCS組態控制實驗。實驗對象采用了很多工業現場常用的檢測控制裝置。學生通過對該系統的了解和使用，一旦進入企業后就能夠很快適應工作環境。同時該系統也為教師和研究生提供了一個高水平的學習場所和科研開發平臺。
5.對象系統總貌圖

七、S7-300 PLC過程控制
1. S7-300系統硬件組件
LG-41A S7-300可編程控制器（包含主機CPU315-2DP、MMC卡、SM331 8路模擬量輸入模塊、SM332 4路模擬量輸出模塊）
2. S7-300其它系統硬件
(1) CP5611通訊網卡
(2) DP通訊專用電纜
3. S7-300系統編程軟件
下位S7-300 PLC控制系統運行程序采用STEP7軟件編譯，并下裝到CPU315-2DP主機模塊中。系統控制運算主要由下位的S7-300PLC執行。上位PC機中監控軟件采用WINCC V6.0人機界面軟件編寫，上位PC監控軟件可進行控制算法參數設定，被控參數實時曲線、歷史曲線、動態顯示，實驗流程圖的顯示及本實驗相關的被控參數動態數據顯示。
4. SIMATIC WinCC—視窗控制中心軟件
目前，在PC基礎上的操作員監控系統已經迅速地發展起來，SIMATIC WinCC在使用*新軟件技術上是潮流的帶頭人，WinCC代表Windows Control Center（視窗控制中心），換句話說，它在Windows標準環境中的各種便利功能，能夠確保安全可靠的控制生產。WinCC的特性之一是全面開放，它可以方便地結合標準和用戶程序生成人機界面，準確地滿足實際要求。WinCC既可以用來完成小規模的，簡單的過程控制和監控，也可以用來完成復雜的應用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮的人機對話接口，保證生產過程的安全，使操作員能夠優化生產過程。WinCC使用所配置的人機接口，可以清晰地管理和優化生產過程的事件。此外，WinCC還提供了有效、安全的過程操作功能。
八、S7-200 PLC過程控制
1. S7-200系統硬件組件
西門子S7-200主機CPU224（自帶PPI/MPI通訊口），4路模擬量輸入和1路模擬量輸出模塊EM235，通過帶有PC/PPI通訊電纜線可將開發好的程序下裝至PLC主機中，可完成所有多通道輸出、多通道輸入控制實驗，實驗開放性好。其運行安全可靠，穩定性高，也是工業現場*常用的控制器。
2. S7-200 PLC可編程控制軟件
S7-200PLC的編程環境軟件為STEP7-Micro/WIN32，通過PC/PPI通訊電纜線使PLC與計算機使用本軟件建立通訊關系后，使用本軟件可以對S7-200PLC的所有功能進行編程，對編寫好的程序進行下裝，對已運行程序進行在線編程或監控等。
九、單片機過程控制
1. 單片機硬件組件
單片機控制系統掛箱擁有5通道模擬量輸入和1通道模擬量輸出功能，自帶RS232通訊接口，可完成兩種控制方式：一種是其本身具有的閉環控制功能，另外一種是結合上位PC機的相關通訊監控軟件實現更為先進和開放的計算機控制。單片機硬件上可以同時進行5路模擬量輸入和1路模擬量輸出，此外它還具有常規PID控制程序，所以可以不與計算機通訊的情況下實現獨立控制器功能。
2. 單片機控制軟件
在單片機控制系統中，PC機安裝有單片機上位機監控軟件和MATLAB軟件，通過單片機軟件，可完成壓力、流量、液位、溫度四大熱工參數的單閉環控制，還可完成模糊控制和神經元控制等先進算法；另外本套單片機控制系統還可在MATLAB中自行編輯算法，完成后放入相應的目錄，本單片機上位機監控軟件可啟動預先編好的MATLAB算法，并對算法進行驗證性的操作，真正來控制本套系統，所以本套系統可完成開放性的算法開發實驗。
十、以太網控制
1. 硬件組成
(1) LG-61 研華ADAM-6015 6路以太網分布式熱電阻模塊    1只
(2) LG-62 研華ADAM-6024分布式綜合模塊(6路模擬量輸入/2路模擬量輸出；2路開關量入/2路開關量出) 1只
(3) LG-64 8口集線器 1只；網卡 1張
2. 系統軟件
上位機采用組態王組態軟件，該組態軟件是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，可運行于Microsoft Windows 98/NT/2000/XP等操作系統。組態王采用了多線程、COM+組件等新技術，能實現實時多任務，運行穩定可靠。所有實驗均包括組態王實時數據庫組態、圖形動畫、報表、曲線、報警組態、設備通訊組態等實驗。
3. 實驗內容
除了能完成“第三大項”中的所有實驗外，還能夠完成如下實驗：
(1) Smith預估控制
(2) 內模控制
(3) 二維模糊控制
(4) 單神經元控制
十一、嵌入式以太網控制
1. 系統硬件
(1) LG-61 研華ADAM-6015 6路以太網分布式熱電阻模塊    1只
(2) LG-62 研華ADAM-6024分布式綜合模塊(6路模擬量輸入/2路模擬量輸出；2路開關量入/2路開關量出) 1只
(3) LG-63 研華ADAM-6500 嵌入式以太網分布式通信控制模塊    1只
(4) LG-64 8口集線器 1只；網卡 1張
十二、三菱PLC控制
1. 三菱系統硬件組件
三菱PLC控制裝置（包含FX2N-48MR主機、FX2N-4AD 4路模擬量輸入模塊（配兩塊）、FX2N-4DA 4路模擬量輸出模塊及FX2N-4AD-PT 4路鉑電阻輸入模塊）。
2. GX系統編程軟件
下位三菱PLC控制系統的運行程序采用GX軟件編譯，并下載到FX2N-48MR主機模塊中。系統控制運算主要由下位三菱PLC執行。上位PC機中監控軟件采用MCGS組態軟件，上位PC監控軟件可進行控制算法參數設定，被控參數的實時曲線、歷史曲線、動態顯示，實驗流程圖的顯示及本實驗相關的被控參數動態數據顯示。
十三、PCI采集卡控制
1. LG-81 PCI數據采集卡，采用美國NI公司PCI-6024數據采集卡，主用來進行 MATLAB實時仿真，
以實現MATLAB的快速原型化。
2. LG-82 PCI數據采集卡，采用臺灣研華公司PCI-1711數據采集卡，MCGS組態軟件直接支持該板卡，
另配備兩只LG-12 智能儀表掛箱作溫度變送后，可完成所有實驗項目。研華PCI-1711數據采集卡是功能強大的多功能PCI總線數據卡，完全符合PCI規格Rev2.1標準，支持即插即用，MCGS直接支持研華PCI-1711數據采集卡，采樣時可完成多路選通開關的控制，可根據每個通道不同的輸入電壓類型，來進行輸入范圍的確定。其配備了16路單端模擬量輸入，12位A/D轉換器，采樣速率可達100k，每個輸入通道的增益可編程，具有自動通道/增益掃描功能，卡上有1k的采樣FI/FO緩沖器，兩路12位模擬量輸出，16路數字量輸入，16路數字量輸出，給學生做設計性實驗提供了前提和基礎。
十四、配置清單(可選配)

序號	編號	名稱	數量
1	LG-01	電源控制屏	1 件
1	LG-02	實驗桌	1 張
2	LG-11	交流變頻控制（日本三菱）	1 件
3	LG-12	智能調節儀控制（按實驗要求需配3件）	3 件
	LG-13	智能位式調節儀	1 件
	LG-14	比值/前饋-反饋補償器、解耦裝置	1 件
		配套實驗教學軟件	1 套
4	LG-21	遠程數據采集熱電阻輸入模塊	1 件
	LG-22	遠程數據采集模擬量輸出模塊	1 件
	LG-23	遠程數據采集模擬量輸入模塊	1 件
		配套實驗教學軟件	1 套
5	LG-31	FM148 現場總線遠程I/O模塊（8路模擬量輸入）	1 件
	LG-32	FM143 現場總線遠程I/O模塊（8路熱電阻輸入）	1 件
	LG-33	FM151 現場總線遠程I/O模塊（8路模擬量輸出）	1 臺
	LG-34	MACS控制系統網絡示意圖	1 件
	LG-35	MCU主控單元（帶PROFIBUS-DP總線通訊接口卡）	1 套
		“和利時”MACS V組態軟件	1 套
		配套實驗教學軟件	1 套
6	LG-41A	S7-300 PLC可編程控制器（含CPU315-2DP模塊、SM331 8路模擬量輸入模塊、SM332 4路模擬量輸出模塊）	1 件
	LG-43	S7-300控制系統網絡示意圖	1 件
		STEP7 5.2編程軟件	1 套
		WinCC 6.0組態軟件	1 套
7	LG-44	S7-200 PLC可編程控制器（西門子S7－200<主機CPU224，集成24點開關量，14點輸入/10點輸出>，模擬量模塊EM235）	1 件
7		配套實驗教學軟件	1 套
8		CP5611專業網卡及通訊電纜	1 件
9		MCGS工控組態軟件（200點）	1 套
10		組態王軟件（256點）	1 套
11	LG-51	單片機控制（利用RS232通信接口，配合單片機控制與計算機算法控制軟件<著名MATLAB軟件>，可實現各種數字式PID運算控制和各種先進的智能控制，并實現數據實時采集作圖）	1 件
11		配套實驗教學軟件	1 套
12	LG-61	ADAM-6015 6路熱電阻模塊	1 件
	LG-62	ADAM-6024 多功能模塊	1 件
	LG-64	HUB以太網交換機	1 件
		配套實驗教學軟件	1 套
13	LG-63	ADAM-6500通信控制模塊	1 件
13		配套實驗教學軟件	1 套
14	LG-71	可編程控制器系統（包含FX2N-48MR主機<主機集成48點開關量>、FX2N-4AD 8路模擬量輸入模塊、FX2N-4DA 4路模擬量輸出模塊及FX2N-4AD-PT 4路鉑電阻輸入模塊）	1 件
14		配套實驗教學軟件	1 套
15	LG-81	PCI數據采集卡(采用美國NI公司PCI-6024數據采集卡，主要用來進行MATLAB實時仿真，以實現MATLAB的快速原型化)	1 件
15	LG-82	PCI數據采集卡(采用臺灣研華公司PCI-1711數據采集卡，MCGS組態軟件直接支持該板卡，通過兩只智能溫度儀表變送后，可完成所有實驗項目)	1 件
16	LG-91	采用研華ADAM5510/KW控制器，配置ADAM5017模擬量輸入模塊、ADAM5024模擬量輸出模塊及ADAM5050開關量輸入/輸出模塊，配套實驗教學軟件	1 件
17	LG-03	高可靠護套結構手槍插實驗連接線、航空連接電纜及實驗配件	1 套

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LG-GCX03型 高級過程控制對象系統實驗裝置

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