SBGCS-68A过程控制实验设备

一、概 述

过程控制实验设备是本企业根据自动化专业及其相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计、多次实验和反复论证，研发的一套全新的实验装置。

本装置可满足《自动控制理论》、《过程控制》、《自动化仪表》以及《传感器检测与转换技术》等课程的实验教学，除了能满足本、专科学生不同层次的实验教学要求，还能为研究生、相关专业老师和工程技术人员进行复杂控制系统、智能控制系统等方面的研究，提供了实验对象和实现的途径。

二、装置特点

1.过程控制实验装置的各种功能均综合在一个实验台上，采用积木式结构，系统结构紧凑、造型美观大方、便于运输及实验室的多台布局。

2.对象小型化、适应性强、综合性强，控制对象模型由不锈钢和有机玻璃水箱组成，实验水箱在屏右边能清楚看见，管道流程直观、清晰。

3.参数全面，涵盖了液位、流量、压力、温度四大典型过程控制参数。

4.小型（小功率）执行元件，它们是二个磁力驱动泵和一个电加热器，使整体结构更为紧凑、小型化。

5.系统控制方式多样性

主要有智能仪表控制、PLC控制、两套磁力泵交流变频调速控制和单相移相调压控制等，并可组成不同的控制方式。

6.安全保护齐全

设有智能电源管理系统具有过温、短路、过流、过压、欠压、失压、功率限定7大保护功能；电源具有一键锁定功能，处理故障时，防止漏电保护器合闸，造成触电危险；电源具有故障锁定功能，发生故障导致跳闸时，不能人为上电，只能通过远程清除故障后，才能上电成功；能通过无线4G和有线以太网与手机APP和PC端云平台通讯，没有网络的情况下，教室整套智能电源管理系统可离线独立运行。

（1）智能终端：智能电源管理系统以32位ARM为核心，采用4.3寸彩色触摸屏为人机交互界面，实时监控设备运行情况，提供Zigbee、CAN等多种通信模式，具备语音播报功能。能实时监测三相电压、电流、功率，功率因数、频率、电能等参数，液晶触摸屏监测数值。能监控实验室电源的故障类型和故障次数；设备时间管理包含年月日时间的显示；用户通过刷卡方式请求开启设备，PC端进行授权之后，设备可启动使用，PC端可分时预约设备的启动和停止。

（2）手机APP：用电状态界面实时显示当前电压、电流、有无功功率、电能、设备温度、漏电电流值等；用电数据界面能智能查找近2年用电数据，设置界面能设置限定电能值、负载值、设备超温值、过欠压值、过欠压恢复时间值等。后台查看报警日志、操作日志、故障日志等。控制：可在微信小程序中远程控制智能开关的通断。

（3）PC端软件：每个设备状态信息显示，具有多个子界面，具有故障分析，用电能效分析、集中管理、个人中心资料管理、用户报警定位跟踪与信息统计；具有管理员信息修改与权限管理等功能。可一键开启和关闭所有设备，可单独控制每台设备的开关。

（4）后台系统：包含账号管理、设备管理、报修管理、用户管理，设备管理：

①包含监控管理：实时视频监控每个教室，可一键预览所有设备的在线和运行情况，分析设备使用率及运行时间！

②包含设备节点：可显示设备所在位置、编码名称、挂载情况、用户编辑、用户查询等。报修管理：用户可进行远程报修，反应设备故障信息，编辑报修情况，后台可进行远程维护，及时跟进，以有效解决用户设备维护。用户管理：可连通手机号，对账户进行一对一的安全加密，实名认证，防止账户泄密、防盗，现场数据连接云平台后台数据库管理。

三、系统组成

本装置集多参数控制为一体，由过程控制对象、传感器、变送器、调节器、执行器、显示器和计算机（用户自配）等组成。

1.控制对象的模型由上、中、下三个水箱及一个储水箱组成，上、中、下水箱由两台磁力泵供水。上、中两个水箱各装有一个扩散硅压力变送器来检测压力和液位；下水箱是一个复合式水箱，其中内筒不锈钢水箱中装有500W电加热器和PT100温度传感器。主管道上装有小型涡轮流量计（定做）、小型阀门和两台磁力驱动泵。水箱中的水位、压力、水温以及供水的流量都可以用于构成控制系统的被控参量。两台磁力泵中的任一台都可作为调节通道或干扰通道，模拟现场产生的干扰信号，以验证系统的稳定性和抗干扰性能。

2.实验挂箱

本装置共提供五个实验挂箱，分别是GK02传感器输出与显示； GK-06面板流程图；GK07交流变频器（日本三菱）挂箱（配两个）；GK08 PLC控制器（西门子S7－200）挂箱。

3.PC/PPI专用编程电缆线

4.RS232/485通讯转换器

5.豪华型电脑桌

6.计算机（用户自备）

7.上位机软件

PLC编程环境软件为STEP 7-Micro/WIN32，它可以对S7-200的所有功能进行编程。上位机具有二种监控软件：

(1)MCGS工控组态软件(DEMO版)：利用PC/PPI电缆线组成PLC与MCGS工控组态软件监控系统，以及利用RS232/485转换器组成智能调节仪与MCGS工控组态软件监控系统，可实现对被控对象过渡过程的数据采集和存储，数据曲线的动态显示和监控。MCGS工控组态软件还可以对控制对象的图形任意组态，动态显示，编制控制策略，输出实时曲线、历史曲线、实时数据、历史数据，打印工程报表，操作菜单设计等一系列强大的功能。

8.智能物联网模块

1、功能描述：由物联网云平台、采集通信模组与扩展板组成，实现与各种仪表的数据采集、处理，经过数据处理后上传到服务器平台，同时服务器平台可对物联网模块下达指令，配合扩展板模块实现远程控制。

2、通讯方式： 4G

3、监控数据：设备电压、电流、通电状态、电箱温度等。

4、安装方式：安装于电源屏内部。

5、组成要求：由物联网云平台、采集通信模块与扩展模块组成，其中采集通信 模组包括：4G 通信模块、网口模块、主控模块、485通信模块以及指示灯模块。扩展模块配有4路输入检测与4路输出驱动电路，模块功能参数如下：

1）采集与通信模块： 模块可以通过 RS-485 接口，利用 ModbusRTU 协议采集 仪表和 PLC 的数据，再将数据按照物联网服务器平台的协议进行打包，然后通过4G模块或网口模块上传到服务器平台进行数据解析并显示，同时服务器平台可以发送相应的控制指令到通信模块， 完成对应的ModbusRTU设备或者对扩展板模块进行数 据传输。

2）物联网底板：该模块作为智能物联网模块的桥梁，上面搭载了24V电源输入端子、3.3V电源转换集成电路、固件更新接口、网络模式切换按钮、两路 RS-485 接口、与4G模块相兼容的单排母接口、与主控模块兼容的双排母接口、与扩展板相连的排线口、与网口模块相连的过孔以及与指示灯面板相连的通孔与焊盘。该模块设计集成度超高，兼容性好，在产品损坏更换或硬件模块更新时可以直接将模块替换而无需更换底板。

3）网口模块：模块采用ARM内核，支持TCPServer、TCP Client、UDP Client、UDP Server、Httpd Client多种工作模式，支持Modbus网关功能。模块用于实现串口到以太网口的数据的双向透明传输，模块内部完成协议转换，数据包，通过简单设置即可指定工作细节。网口参数可以通过内置网页也可以通过设置软件或串口发送AT指令的方式进行设置，一次设置永久保存。采用双网口结构,分为外网口与内网口。外网口用于与外网连接将信息发送到云端服务器平台，内网口用于MosbusRTU 协议与MosbusTCP协议相互转换，可用于兼容仅支持ModbusTCP协议和网口相连的设备。

4）4G 模块： 模块采用4G通信模组与Arm Cortex-M0+；内核的低功耗控制器相集成的4G模块， 模块是一款带分集接收功能的4G多模全网通无线通信模块，该模块支持LTE-TDD/LTE-FDD/TD-SCDMA/WCDMA/GPRS 五模。模块支持多输入多输出技术（MIMO），即在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而降低误码率，改善通信质量。整体的4G模块利用Arm Cortex-M0+内核控制实现4G模块自动运行，故障重启，断开连接，参数修改与保存等功能。

5）核心控制模块： 核心控制模块由Arm Cortex-M4内核高性能微控制器及外围电路组成，运行主频可达168MHZ，模块配有固件烧录口，方便调试。模块控制固件采用了FreeRTOS实时操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行。模块利用FreeRTOS 实时操作系统实现分任务管理，使程序处理效率大大增加。

6）扩展板模块： 该模块由4路继电器输出接口，4路输入检测接口， 指示灯以及电源接口组成，主要用于配合采集与通讯模块工作，达到服务器平台远程控制继电器输出，从而控制继电器上的用电器通断。

四、技术指标

1.供电电源：单相三线220V±10%  50Hz

2.整机最大功耗：＜1kVA

3.整机尺寸：172cm×73cm×160cm

五、基本实验项目

1.实验装置的基本操作与仪表调试

2.压力变送器的零点迁移和性能测试实验

3.单容自衡水箱的对象特性测试实验

4.双容自衡水箱的对象特性测试实验

5.温度位式控制实验

6.温度连续控制实验（智能仪表控制、PLC控制模式）

7.智能仪表控制实验

8.单容水箱液位PID控制实验（智能仪表控制、PLC控制模式）

9.双容水箱液位PID控制实验（智能仪表控制、PLC控制模式）

10.流量定值控制实验（智能仪表控制、PLC控制模式）

11.单容水箱压力PID控制实验（智能仪表控制、PLC控制模式）

12.单回路控制系统的质量研究

13.串级控制系统连接实验

14.液位串级控制实验

15.单容自衡水箱的对象特性测试实验

16.双容自衡水箱的对象特性测试实验

17.单容液位控制实验--利用PC/PPI通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）

18.双容液位控制实验--利用PC/PPI通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）

19.流量定值控制实验--利用PC/PPI通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）

20.温度位式控制实验--利用PC/PPI通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）

21.温度连续控制实验--利用PC/PPI通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）

22.PLC上下水箱液位串级控制实验--利用PC/PPI通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）

23.液位流量串级控制实验--利用PC/PPI通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）

六、过程控制实验设备配置清单：