SBGCS-68A過程控制實驗設(shè)備
一、概 述
過程控制實驗設(shè)備是本企業(yè)根據(jù)自動化專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)教學的特點，吸收了國內(nèi)外同類實驗裝置的特點和長處，經(jīng)過精心設(shè)計、多次實驗和反復論證，研發(fā)的一套全新的實驗裝置。
本裝置可滿足《自動控制理論》、《過程控制》、《自動化儀表》以及《傳感器檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》等課程的實驗教學，除了能滿足本、專科學生不同層次的實驗教學要求，還能為研究生、相關(guān)專業(yè)老師和工程技術(shù)人員進行復雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等方面的研究，提供了實驗對象和實現(xiàn)的途徑。
二、裝置特點
1.過程控制實驗裝置的各種功能均綜合在一個實驗臺上，采用積木式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀大方、便于運輸及實驗室的多臺布局。
2.對象小型化、適應性強、綜合性強，控制對象模型由不銹鋼和有機玻璃水箱組成，實驗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，它們是二個磁力驅(qū)動泵和一個電加熱器，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大保護功能；電源具有一鍵鎖定功能，處理故障時，防止漏電保護器合閘，造成觸電危險；電源具有故障鎖定功能，發(fā)生故障導致跳閘時，不能人為上電，只能通過遠程清除故障后，才能上電成功；能通過無線4G和有線以太網(wǎng)與手機APP和PC端云平臺通訊，沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下，教室整套智能電源管理系統(tǒng)可離線獨立運行。
（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交互界面，實時監(jiān)控設(shè)備運行情況，提供Zigbee、CAN等多種通信模式，具備語音播報功能。能實時監(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)控實驗室電源的故障類型和故障次數(shù)；設(shè)備時間管理包含年月日時間的顯示；用戶通過刷卡方式請求開啟設(shè)備，PC端進行授權(quán)之后，設(shè)備可啟動使用，PC端可分時預約設(shè)備的啟動和停止。
（2）手機APP：用電狀態(tài)界面實時顯示當前電壓、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、負載值、設(shè)備超溫值、過欠壓值、過欠壓恢復時間值等。后臺查看報警日志、操作日志、故障日志等。控制：可在微信小程序中遠程控制智能開關(guān)的通斷。
（3）PC端軟件：每個設(shè)備狀態(tài)信息顯示，具有多個子界面，具有故障分析，用電能效分析、集中管理、個人中心資料管理、用戶報警定位跟蹤與信息統(tǒng)計；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，可單獨控制每臺設(shè)備的開關(guān)。
（4）后臺系統(tǒng)：包含賬號管理、設(shè)備管理、報修管理、用戶管理，設(shè)備管理：
①包含監(jiān)控管理：實時視頻監(jiān)控每個教室，可一鍵預覽所有設(shè)備的在線和運行情況，分析設(shè)備使用率及運行時間！
②包含設(shè)備節(jié)點：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。報修管理：用戶可進行遠程報修，反應設(shè)備故障信息，編輯報修情況，后臺可進行遠程維護，及時跟進，以有效解決用戶設(shè)備維護。用戶管理：可連通手機號，對賬戶進行一對一的安全加密，實名認證，防止賬戶泄密、防盜，現(xiàn)場數(shù)據(jù)連接云平臺后臺數(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，由過程控制對象、傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、顯示器和計算機（用戶自配）等組成。
1.控制對象的模型由上、中、下三個水箱及一個儲水箱組成，上、中、下水箱由兩臺磁力泵供水。上、中兩個水箱各裝有一個擴散硅壓力變送器來檢測壓力和液位；下水箱是一個復合式水箱，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（定做）、小型閥門和兩臺磁力驅(qū)動泵。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。兩臺磁力泵中的任一臺都可作為調(diào)節(jié)通道或干擾通道，模擬現(xiàn)場產(chǎn)生的干擾信號，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性能。
2.實驗掛箱
本裝置共提供五個實驗掛箱，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）；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.計算機（用戶自備）
7.上位機軟件
PLC編程環(huán)境軟件為STEP 7-Micro/WIN32，它可以對S7-200的所有功能進行編程。上位機具有二種監(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)，可實現(xiàn)對被控對象過渡過程的數(shù)據(jù)采集和存儲，數(shù)據(jù)曲線的動態(tài)顯示和監(jiān)控。MCGS工控組態(tài)軟件還可以對控制對象的圖形任意組態(tài)，動態(tài)顯示，編制控制策略，輸出實時曲線、歷史曲線、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，打印工程報表，操作菜單設(shè)計等一系列強大的功能。
8.智能物聯(lián)網(wǎng)模塊
1、功能描述：由物聯(lián)網(wǎng)云平臺、采集通信模組與擴展板組成，實現(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，同時服務(wù)器平臺可對物聯(lián)網(wǎng)模塊下達指令，配合擴展板模塊實現(xiàn)遠程控制。
2、通訊方式： 4G
3、監(jiān)控數(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、采集通信模塊與擴展模塊組成，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。擴展模塊配有4路輸入檢測與4路輸出驅(qū)動電路，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)器平臺的協(xié)議進行打包，然后通過4G模塊或網(wǎng)口模塊上傳到服務(wù)器平臺進行數(shù)據(jù)解析并顯示，同時服務(wù)器平臺可以發(fā)送相應的控制指令到通信模塊， 完成對應的ModbusRTU設(shè)備或者對擴展板模塊進行數(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，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發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，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)核控制實現(xiàn)4G模塊自動運行，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，運行主頻可達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實時操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點，可以方便地移植到各種單片機上運行。模塊利用FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)分任務(wù)管理，使程序處理效率大大增加。
6）擴展板模塊： 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，達到服務(wù)器平臺遠程控制繼電器輸出，從而控制繼電器上的用電器通斷。
四、技術(shù)指標
1.供電電源：單相三線220V±10% 50Hz
2.整機最大功耗：＜1kVA
3.整機尺寸：172cm×73cm×160cm
五、基本實驗項目
1.實驗裝置的基本操作與儀表調(diào)試
2.壓力變送器的零點遷移和性能測試實驗
3.單容自衡水箱的對象特性測試實驗
4.雙容自衡水箱的對象特性測試實驗
5.溫度位式控制實驗
6.溫度連續(xù)控制實驗（智能儀表控制、PLC控制模式）
7.智能儀表控制實驗
8.單容水箱液位PID控制實驗（智能儀表控制、PLC控制模式）
9.雙容水箱液位PID控制實驗（智能儀表控制、PLC控制模式）
10.流量定值控制實驗（智能儀表控制、PLC控制模式）
11.單容水箱壓力PID控制實驗（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.串級控制系統(tǒng)連接實驗
14.液位串級控制實驗
15.單容自衡水箱的對象特性測試實驗
16.雙容自衡水箱的對象特性測試實驗
17.單容液位控制實驗--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
18.雙容液位控制實驗--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
19.流量定值控制實驗--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
20.溫度位式控制實驗--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
21.溫度連續(xù)控制實驗--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
22.PLC上下水箱液位串級控制實驗--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
23.液位流量串級控制實驗--利用PC/PPI通訊電纜、MCGS組態(tài)軟件（DEMO版）
六、過程控制實驗設(shè)備配置清單：
序號 | 名稱 | 規(guī)格型號 | 單位 | 數(shù)量 |
1 | 控制對象模型 | SBGCS-68A-1 | 套 | 1 |
2 | 控制屏 | SBGCS-68A-2 | 套 | 1 |
3 | 實驗掛箱 | GK02傳感器輸出與顯示 | 個 | 1 |
4 |
| GK-06面板流程圖 | 個 | 1 |
5 |
| GK07交流變頻器（日本三菱）掛箱 | 個 | 2 |
6 |
| GK08 PLC控制器（西門子S7－200SMART）掛箱 | 個 | 1 |
7 | 實驗導線 | 雙圈安全插 | 個 | 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 | 實訓指導書 |
| 本 | 1 |
12 | 豪華電腦桌 |
| 臺 | 1 |
13 | 塑鋼凳子 |
| 個 | 2 |
