第一部分TKGK1产品使用说明讲解.docx
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第一部分TKGK1产品使用说明讲解
第一部分
产
品
使
用
说
明
TKGK-1过程控制实验装置组成和各部分使用说明
TKGK-1型过程控制实验装置是根据自动化专业及相关专业教学的特点，吸收了国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，向广大师生推出一套全新的实验设备。
该设备可以满足《过程控制》、《自动化仪表》、《工程检测》、《计算机控制系统》等课程的教学实验。
整个系统结构紧凑、功能多样、使用方便，既能进行验证性、研究性实验，又能提供综合性实验。
本实验装置可满足本科、大专及中专等不同层次的教学实验要求，还可为科学研究开发提供实验手段。
本实验装置的控制信号及被控信号均采用IEC标准，即电压0~5V或1~5V，电流0~10mA或4~20mA。
实验系统供电要求为单相交流220V±10%，10A；外型尺寸为：
167*164*73，重量：
580Kg。
装置特点
本实验装置具有以下特点：
1、多种被控参数：
温度、压力、流量、液位。
2、控制方式多样：
位式控制、模拟PID控制、智能仪表控制、单片机控制、PLC控制、计算机控制等。
3、多种计算机控制软件：
PROTOOL-CS组态软件、MCGS组态软件、本公司开发的上位机监控软件。
4、丰富的计算机控制算法：
P、PI、PID、死区PID、积分分离、不完全积分、模糊控制、神元控制、基于SIMULINK的动态参数自适应补偿控制等。
5、开放的软件平台：
在我们提供的软件平台上，学生既可以利用我们所提供的算法程序进行实验，又可以用自己编写的PLC程序、MATLAB算法程序等进行实验。
6、灵活多样的实验组合：
可以很方便地对控制方式与被控参数进行不同组合，得到自己需要的单回路、多回路等多种控制系统。
系统组成
TKGK-1型过程控制实验装置集多参数闭环控制为一体，它是由被控对象、调节器模块、执行器模块、变送器模块和单片机控制模块等组成，各模块间组合灵活，基本包含了目前所有的工业控制方式，涉及温度、压力、流量和液位等重要的过程控制参数。
被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱、管道。
调节器主要有模拟调节器（含比例P调节、比例积分PI调节、比例微分PD调节、比例积分微分PID调节）、位式调节器、智能调节器、PLC控制、单片机控制、计算机控制等。
执行器模块主要有固态继电器、交流电机及水泵、直流电机及水泵、电热丝。
变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）等。
变送器的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V输出。
另外，根据用户需要，配置微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机实时控制实验的需要。
系统的结构组成如图0-1所示，被控对象的供水有两路：
一路是由交流电机从储水箱中抽水，通过阀5或阀6供给复合加热水箱，或经过流量计后，再经阀1或阀3分别供水给上、下两个水箱；另一路是由直流电机从储水箱中抽水，通过阀7或阀8也分别供水给上、下两个水箱。
两个水箱内均装有液位传感器（LT1，LT2）和溢流口，每个水箱的出水口均经过线性化处理。
上水箱的水通过阀2流到下水箱，在上水箱中还安装了压力传感器（PT），用于检测压力的大小，而下水箱的水经阀4流到复合加热水箱的外套，最后经溢流口3流回储水箱。
在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT），用于检测温度。
图0-1、GK-02装置结构展示屏面板图
图0-2、TKGK-1实验装置电气连接图
挂箱介绍
一、GK-01电源控制屏
GK-01电源控制屏如图1-1所示，它由一个交流电源控制区与三个执行部件接线区所组成：
1、交流电源控制区：
由总电源钥匙开关、空气开关、带灯启动、停止按钮、漏电保护器、电加热器电源开关、照明开关、电压表、告警指示灯与复位按钮等组成。
具体操作方法如下：
1）、将电源插座接220V市电电源。
2）、打开总电源空气开关。
3）、打开总电源钥匙开关，此时“停止”按
钮红灯亮，表示系统总电源接通。
4）、按下“启动”按钮，此时“启动”按钮
绿灯亮，表示系统电源接通。
5）、拨动照明钮子开关打开日光灯。
注意：
本实验装置配电压型和电流型漏电保
护系统。
当屏上漏电时保护系统动作，告警灯亮
并自动切断系统电源。
2、三相异步电动机电源接线区：
它与GK-07-2
交流变频控制挂件配合使用。
在此接线区一共有图1-1、GK-01控制屏面板图
A、B、C、Z、X、Y六个空芯接线柱，它们与三相异步电动机引线一一对应。
基于本装置中电源为单相交流220V，因而实验时必须按三角形接线方式（即将A与Z、B与X、C与Y相接）。
3、直流他励电动机电源接线区：
它与GK-06直流调速控制挂箱配合使用。
此区从直流他励电动机引出了的“励磁”、“电枢”两组空芯接线拄。
4、加热器控制接线区：
共有两个空芯接线柱，按固态继电器的接线原则“左正右负”，即控制电压信号正端接左边接线柱，地端接右边接线柱。
二、GK-02装置结构展示屏
一、控制对象
如图0-1所示，装置结构展示屏有四个被控对象：
上下两个水箱、复合加热水箱和管道。
二、供水系统
1、直流电机供水部分：
由直流电机驱动齿轮泵，将储水箱中的水经阀7、8分别注入上、下水箱。
2、交流电机供水部分：
由三相交流鼠笼电动机驱动齿轮泵，将储水箱中的水经流量计和阀1、3、6将水分别注入上、下水箱和复合加热水箱的外套水箱。
复合水箱的内套水箱通过阀5一次性加满水后即将它关闭。
3、调节阀2、阀4，可调节上、下水箱的排水量。
各水箱的过量水都通过溢流口1、2、3回流到储水箱中。
三、控制参数有四种：
温度、压力、流量、液位。
四、传感器输出与显示仪表：
在GK-02屏的左侧，设有控制参数的数显仪表，它们分别指示液位、压力、流量和温度等参数值。
各表头左侧的接线柱分别接LT1、PT、LT2、FT、TT等相应传感器检测信号的输出，其标准DC0~5V。
其中LT1、PT、LT2均有调零和调增益的电位器，可根据需要进行调整。
传感器的输出显示表头为三位半的数显表。
AI-708F温度变送器是一台含变送、调节双重功能的人工智能仪表。
其变送信号通过TT输出，其控制信号可通过TR输出。
TR输出用于控制固态继电器开关。
五、AI-708F人工智能仪表，使用方法如下：
图2-1、AI708智能仪表面板图
三、GK-03单片机控制屏
（一）、单片机控制屏如图3-1所示，它可以同时采集五路信号，三路输出用来控制执行器，以实现自动控制。
单片机控制屏的主要组成部分有：
1、五路模拟量输入，分别为LT1、PT、LT2、FT、TT，其接线端正好与右侧GK-02屏上传感器输出端相对应，模拟量输入为0~5V标准信号。
2、三路模拟量输出（即单片机控制输出信号），分别以1、2、3字样标出，输出为0~5V标准信号。
3、通讯接口方式：
通过RS232串行通讯口与计算机通讯，以实现计算机监控。
4、键盘操作：
共有六功能键。
5、两个显示框：
功能显示框（显示所选参数）、数值显示（显示对应参数值）。
（二）、单片机操作步骤：
1、键功能含义
“回路”键：
可循环选择1~5路输入；
“向上”、“向下”：
按此键可循环选择所显示的
参数或在整定状态下将数字增减；
“整定”键：
按此键数值显示框中有一位数据
闪烁，配合向上和向下键，即可进行某参数值整定。
“移位”键：
在参数整定中，按此键盘可选
择需要修改数据的位。
“确认”键：
开机时，单片机出现“
”
图3-1、GK-03控制屏面板图
提示，按此键后方可进入程序运行。
另外在参数整定结束时，按此键即可退出参
数整定，返回显示状态。
2、表1参数功能定义
AI
输入量
0~150（液位）
不可修改
AO
输出量
0~255
手动时可修改
AN
手动/自动
0或1
0手动1自动
ST
采样时间
0.1~19.9秒
PB
比例度
0~9999
增量式KC
TI
积分时间
0~9999
增量式Ki
TD
微分时间
0~9999
增量式Kd
CL
标尺下限
0~150（液位）
0~1470P（压力）
0~45ml/s（流量）
0~100℃（温度）
CH
标尺上限
0~150（液位）
0~1470P（压力）
0~45ml/s（流量）
0~100℃（温度）
UA
正/反作用
0或1
0—反作用
1—正作用
SP
给定值
0~150（液位）
OP
输出通道
0—3
0—不输出
1—从第一通道输出
2—从第二通道输出
3—从第三通道输出
（三）、开机操作步骤
1、打开电源开关。
2、功能显示框与数值显示框分别提示“TH--”与“PCS1”字样，分别表示
天煌教仪和过程控制系统之含义。
3、按“确认”键，功能显示框显示“AI-1”字样，“AI”表示功能参数（参照表1定义），“1”表示为第一回路。
4、连续按“回路”键，功能显示框的末位,将依次循环显示“1、2、3、4、5”
表示所选中的输入回路号。
5、按动“向上”或“向下”键，可改变所在回路相应的功能与参数值。
6、按“整定”键，数值显示框的末位闪烁，表示此位可进行修改，这时只要按“向上”“向下”键和“移位”键，就能对数值显示器的参数值进行整定修改。
数值设定完毕后，最后按“确认”键，即可完成对参数的设定。
7、本单片机系统在运行时，允许实时地对PID参数进行修改。
注意：
1、在实验前将各输入信号的信息（AN、ST、CL、CH、UA、OP等）通过
两组显示器，预先设置好。
2、输出通道设定，应与输入通道相对应，不能复用。
OP为“0”表示无输出。
四、GK-04模拟PID调节器挂箱
如图4-1所示，本挂箱有两路完全相同的PID调节器和一路给定信号源。
调节器的结构、使用方法如下：
1、接线端：
给定信号输入端、反馈信号输
入端、PID信号输出端。
注意地线是公共的，只
有两个地线接线端子。
给定信号大小由本模块中给
定信号源提供，反馈信号输入由传感器输出提供，
调节器输出信号用于控制执行器（如交流电机、直
流电机）。
2、积分时间波段开关：
共有三档：
X∞、X1、
X10。
当选择X∞档时才可进入纯P，或PD控制方式。
P、I、D参数设置
“P比例调节”——比例系数KC（即放大系数）
的调节。
它是比例度δ的倒数，即KC=1/δ。
图4-1、GK-04挂箱面板图
“I积分调节”——指积分时间常数Ti的调节，调节范围“0.01至2.5分”和“0.1至25分”。
“D微分调节器”——指微分时间常数Td的调节，调节范围“0.01至10分”。
3、“I”有开/关两种状态，“D”也有开/关两种状态（通过钮子开关切换，两个开关处于“开”状态时积分和微分才起作用）。
4、若需要选用“PI”控制，具体设置为：
“I”波段开关置于X1或X10档，I开/关置于“开”，电位器P、I旋至某一个刻度即可。
此时“D”开关应置于“关”。
5、正/反作用开关：
用于改变调节器的正反作用，实质上是改变输入偏差信号的正负号，以构成一个负反馈系统。
6、手动/自动开关：
当开关置于“手动”时，调节手动电位器，即可手动控制调节器输出信号。
若需要进行PID控制，则此开关必须位于“自动”状态。
7、给定信号源：
其输出信号由钮子开关切换输出值的正、负。
8、当进行串级模拟PID控制实验时，可利用两个GK-04调节器组成所需的自动控制系统。
五、GK-05位式控制器挂箱
如图5-1所示，位式控制挂箱由位式控制器和给定信号源两部分组成。
1、位式控制器
输入端为Vmax、Vi、Vmin,输出端为Vo
（在温度控制系统中用于控制固态继电器的
通断）。
其中Vmax表示上限电压值，Vmin
表示下限电压值，Vi为反馈信号的输入端。
接线原则：
上正下负（即上方空芯接线
柱接电压信号正端，下方空芯接线柱接电压
信号地端。
注意：
其中Vmax应大于Vmin，为保证实
验效果明显，可令Vmax与Vmin差值大于1V。
2、给定信号源
提供两组信号，其大小通过电位器RP1、
RP2调节，可以整定所需要的Vmax、Vmin之值。
图5-1、GK-05挂箱面板图
六、GK-06直流调速控制挂箱
如图6-1所示，直流调速面板共有三组接线端和一个反馈调节旋钮。
1、
输入电压范围为0~5V，用于控制直流
他励电动机的转速。
（由于电机和泵的摩擦阻力
较大，所以一般输入2~5V电压）
2、电枢绕组接线端——与GK-01中的电动
机接线端对应。
3、励磁绕组接线端——与GK-01中的电动
机接线端对应。
接线原则上正下负，左正右负。
4、电流截止负反馈作用是限制电机启动和负
载过大时的电流，以免烧坏直流电动机。
5、电压反馈量的调节旋钮。
它用于调节电压
负反馈值的大小，从而达到调节电机的转速。
通常
启动时，将反馈调至较大，从而降低启动电压。
图6-1、GK-06挂箱面板图
七、GK-07-2交流变频调速挂箱
如图7-1所示，交流变频控制挂箱面板图。
变频器为三菱FR-S20S-0.4K型。
具体使用说明、参
数设置及操作，详见产品使用手册。
（一）、挂箱面板接线端子功能说明：
为了保护变频器各接线端子不因实验时经常的装拆
线而损坏或丢失，故将其常用的端子引到挂箱面板上。
1、A、B、C：
变频器的三个输出端，（连接GK-01
中的三相鼠笼电机三相定子绕阻的接线端A、B、C）。
2、2和5：
外部电压控制信号（0~5V）输入端，
2接信号正极，5接信号地端。
3、F、STR：
电机正、反转控制端，STF与
SD相连为正转，STR与SD相连为反转。
图7-1、GK-07-2挂箱面板图
4、其它：
1）PC：
外部晶体管公共端、DC24V电源接点输入端。
2）SE：
集电极开路公共。
3）RUN：
集电极开路。
4）10：
频率设定用电源。
5）4：
频率设定电流信号。
6）、RH、RM、RL：
RH、RM、RL分别与SD连接实现多段速度选择。
7）a、b、c：
报警输出。
8）AM：
模拟信号输出。
9）、RST：
复位。
10）、SD：
输入/输出公共端。
*本实验装置各端子的引出是为了满足用户其它自拟实验接线的需要。
（二）、变频器的基本操作说明：
八、GK-08PLC可编程控制挂箱
（一）、PLC结构概述
PLC可编程控制挂箱面板，如图8-1所示。
1、PLC可编程控制面板上引出二路模拟输入（AI），一路模拟输出（AO），十路开关量输入（DI1—DI10），四路开关量输出（DO1—DO4）。
采用西门子S7-200PLC系列产品。
2、CPU为224，它集成14输入/10输出
，总共有24个数字量I/O点。
13K字节程序
和数据存储空间。
6个独立的30KHz高速计
数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出。
此
外，还有1个RS485通讯/编程口，它具有PPI
通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能
力。
3、EM235模拟量扩展模块，具有4路
模拟量输入，2路模拟量输出（实际的物理点
数为：
4输入，1输出）。
图8-1、GK-08挂箱面板图
4、PLC的编程环境软件为
STEP7-Micro/WIN32V3.0，
STEP7-Micro/WIN32V3.0可以对S7-200的所有功能进行编程。
CPU通过PC/PPI电缆或通过插在PG/PC上的CP5511或CP5611网卡与PC/PPI电缆可以在Windows95或Window98下实现多主站模式。
5、上位机的监控软件为：
PROTOOL—CS和MCGS工控组态软件（两种软件可供用户选择，每一种都可独立使用）。
（二）、应用PROTOOL—CS软件演示PID实验
1、此演示实验直接应用模拟量的输入与输出，所以AI（模拟输入口）接变送输出信号，AO（控制信号输出）接执行器。
2、用PC/PPI电缆线连接RS485通讯口与CP5611卡连接。
3、软件安装步骤：
1）、光盘目录：
\Prg-file\Pc-comm配合单片机的上位机通讯程序
\Prg-file\Pc-plcn~1\Ptl-run配合PLC的上位机监控程序
\Prg-file\Pc-plcn~1\S7-200PLC的PID控制源程序
\protool.rt\Disk1计算机组态软件
\s7200v3.1中文测试版为PLC编程软件
\software上位机安装程序
2）、点击S7200中的“setup.exe”，安装STEP7—Microwin32V3.1。
3）、点击Disk1中的“setup.exe”安装Protool-CS软件。
4）、将S700与PTL-run目录中的文件复制到硬盘上。
5）、点击“mypid.mwp”进入程序编辑状态。
6）、连接CP5611自带的电缆线，PLC初始波特率为9.6K（初次使用以后按8）改动）。
7）、下载程序时，PLC应打到STOP工作方式，运行时打到RUN或TERM工作方式。
8）、之后将SYSTEMBlock波特率改为187.5K，地址口为2。
9）、在Windows的控制面板中选择setPG/PCinterface项，再选择CP5611MPI，选择computing-cp5611（MPI）。
10）、点击“pro.fwd”文件可进入演示程序控制界面。
图8-2
注：
本装置中的演示组态软件只用到PLC的模拟量的I/O即AI与AO，各数字量I/O口，空着不用，由用户自由选用。
11）、屏幕键盘操作说明：
a）、操作方式：
手动或自动。
b）、参数设定：
KC为比例系数，设置范围：
0~9.9。
TS为采样时间，设置范围：
0~9.9秒。
Ti为积分时间，设置范围：
0~9.9分。
Td为微分时间，设置范围：
0~9.9分。
c）、运行：
在参数设定后，向上拉动设定键至所需的控制值，即可进入运行
状态。
在显示区可看到控制过程的进程。
（三）、应用MCGS工控组态软件PID实验
1、此控制实验直接应用模拟量的输入与输出，所以AI（模拟输入口）接变送输出信号，AO（控制信号输出）接执行器。
2、用适配器PC/PPI电缆连接PLC的RS485通讯口和计算机串口2（COM2）。
3、软件安装步骤：
1）、安装MCGS工控组态软件（30分钟学习板）：
a、在相应的驱动器中插入光盘，插入光盘后会自动弹出MCGS安装程序窗口（如没有窗口弹出，则从Windows的“开始”菜单中，选择“运行...”命令，运行光盘中AutoRun.exe文件）。
b、在安装程序窗口中选择“安装MCGS组态软件”，启动安装程序开始安装,随后，安装程序将提示你指定的安装目录。
（系统默认安装路径为D:
\MCGS）
c、MCGS系统文件安装完成后，安装程序要建立图标群组和安装数据库引擎，这一过程可能持续几分钟，请耐心等待。
d、安装过程完成后，安装程序将弹出“安装完成”对话框，上面有两个复选框，“重新启动计算机”和“不启动计算机”。
一般在计算机上初次安装时需要选择重新启动计算机。
按下“完成”按钮，将结束安装程序的运行。
e、安装完成后，MCGS的程序群组中将包含如下四个象标：
MCGS组态环境、MCGS运行环境、MCGS电子文档，MCGS自述文件。
2）、将PLC目录中的文件复制到硬盘上（包括下位机PLC编程程序plcpid.mwp和上位机监控组态演示程序tkgk-1.mcg）。
3）、点击“plcpid.mwp”进入STEP7-Micro/WIN32V3.0程序编辑状态。
4）、连接好PC/PPI电缆线，将适配器中的拨动开关2拨向1，其它为0，此时PLC的波特率为9.6K。
5）、下载plcpid.nwp程序时，PLC应打到STOP工作方式，运行时打到RUN或TERM工作方式。
6）、双击“tkgk-1.mcg”，进入MCGS组态环境后，按F5或选中文件下拉菜单中的“进入运行环境”选项，可进入监控界面，如图8-3所示。
图8-3
图中：
红色柱状图指示给定值SV，绿色柱状图指示测量值PV，粉红色柱状图指示输出值OP，x-y座标显示区将显示系统实时采集控制曲线。
7）、屏幕键盘操作说明：
a、操作方式：
手动或自动。
（当显示自动按钮时，表示运行在自动状态下。
单击自动按钮，就可以切换成手动状态，此时，算法停止运算，输出值就是手动所输入的值。
同理，此时单击手动按钮可以切换为自动状态。
）
b、参数设定：
测量值sv，设置范围：
0~150mm
比例系数P，设置范围：
0~无穷。
积分时间I，设置范围：
0.1~无穷。
微分时间D，设置范围：
0~无穷。
c、运行：
在参数设定后，即可进入运行状态。
在显示区可看到控制过程的进程。
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