过程控制实验装置

过程控制实验装置

一、过程控制实验装置综述

过程控制实验装置是一款集自动化仪表、计算机技术、通讯技术和自动控制技术于一体的综合性实验平台。该装置涵盖了流量、温度、液位等关键热工参数，能够执行系统参数测量、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制模式。其控制系统采用了西门子先进的分布式I/O单元ET200M，而监控软件则选用了广泛认可的SIMATIC WINCC。此外，装置还配备了现场总线的液位变送器、压力变送器、涡轮流量计、变频器、电动调节阀和温度变送器等核心组件，以及分布式I/O模块。

这款实验装置不仅适用于本科、专科和高职过程控制课程的实验教学，还可为研究生及科研人员在复杂控制系统和先进控制系统领域的研究提供物理模拟对象和实验手段。同时，它也是学习现场总线过程控制的一个理想实验平台。

现场总线系统基于全集成自动化的理念，其核心在于统一的过程数据库和数据库管理软件。所有系统信息仅需输入一次并存储于单一数据库中，从而显著增强了系统的整体性和信息的准确性。通讯方面，系统采用了符合IEC61131-3国际标准的编程软件和现场设备库，提供了连续控制、顺序控制及编程语言。现场设备库包含大量常用现场设备信息及功能块，可大幅简化组态工作，缩短工程周期。此外，系统还具备ODBC、OLE等标准接口，并应用以太网、现场总线等开放网络，展现出强大的开放性，便于与上位机管理系统和其他厂商的控制系统进行连接。

二、技术参数详解

1. 供电要求：系统需接入单相交流电源，电压为220VAC±10%，频率为50Hz±5%，电流不超过16A。同时，系统必须接地良好以确保安全。

2. 水源与排水：实验室应配备水源和排水口，且进排水口与设备间的距离应小于10米，以满足实验过程中的用水需求。

3. 直流电源：系统提供直流线性稳压电源（选用知名品牌产品），输出电压为24VDC，电流为1A。

4. 上位机软件：上位计算机组态软件选用国内市场占有率高的WINCC6.0版本，为用户提供直观易用的操作界面。

5. 设备尺寸：实验对象尺寸为1600mm750mm1850mm，控制柜尺寸为830mm750mm1900mm，便于在实验室内进行布局和安装。

三、实验项目概览

（一）特性实验

1. 单容水箱特性实验：探究单容水箱的液位变化特性。

2. 双容水箱特性实验：分析双容水箱的液位响应特性。

3. 上下水箱双容特性实验：研究上下水箱组合的双容液位特性。

4. 电动阀流量特性实验：测试电动阀的流量控制特性。

5. 变频器流量特性实验：评估变频器对流量的调节性能。

6. 温度特性实验：探究温度传感器的响应特性和控制效果。

7. 三容实验特性实验：分析三容系统的液位和流量特性。

（二）单回路控制实验

1. 电动调节阀支路单容液位控制：实现电动调节阀对单容液位的精确控制。

2. 变频器支路单容液位控制：利用变频器调节单容液位。

3. 上水箱双容液位控制：对上水箱的双容液位进行稳定控制。

4. 上下水箱双容液位控制：实现上下水箱组合的双容液位控制。

5. 三容液位控制：对三容系统的液位进行综合控制。

6. 电动调节阀支路流量控制：通过电动调节阀调节流量。

7. 变频器支路流量控制：利用变频器对流量进行精确控制。

8. 锅炉内胆温度控制：实现锅炉内胆温度的恒定控制。

（三）串级控制实验

1. 双容串级控制：探究双容系统的串级控制策略。

2. 上水箱液位与电动阀支路流量串级控制：实现上水箱液位与电动阀支路流量的协同控制。

3. 上水箱液位与变频器支路流量串级控制：利用变频器调节上水箱液位与流量的串级控制。

4. 三闭环三容液位串级控制：在三容系统中实现多闭环的串级控制。

（四）比值控制实验

1. 单闭环比值流量控制：探究单闭环比值流量控制的实现方法。

2. 随动流量比值控制：实现随动流量比值控制的实验验证。

（五）前馈反馈控制实验

1. 上水箱液位流量前馈反馈控制：结合前馈和反馈控制策略，实现上水箱液位的稳定控制。

（六）解耦控制实验

1. 上水箱双容液位解耦控制：针对上水箱双容液位系统的耦合问题，进行解耦控制实验。