第一部分产品使用说明.docx
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第一部分产品使用说明
“THKGK-1过程控制实验装置”实验目录
第一部分产品使用说明书
THKGK-1实验装置组成和基本原理-------------------------------------------------------------------1
一、GK-01电源控制屏--------------------------------------------------------------------------------------3
二、GK-02传感器输出与显示----------------------------------------------------------------------------4
三、GK-03单片机控制--------------------------------------------------------------------------------------5
四、GK-04PID调节器控制--------------------------------------------------------------------------------7
五、GK-05连续、位式控制--------------------------------------------------------------------------------8
六、GK-06对象系统流程图--------------------------------------------------------------------------------8
七、GK-07交流变频调速控制----------------------------------------------------------------------------9
八、GK-08可编程控制器----------------------------------------------------------------------------------10
九、GK-09触摸屏控制-------------------------------------------------------------------------------------11
第二部分实验内容
实验一、实验装置的基本操作与仪表调试--------------------------------------------------------------1
实验二、单容水箱对象特性测试--------------------------------------------------------------------------3
实验三、双容水箱对象特性测试--------------------------------------------------------------------------7
实验四、温度位式控制系统-------------------------------------------------------------------------------10
实验五、智能仪表温度位式控制系统-------------------------------------------------------------------14
实验六、智能仪表温度连续控制系统-------------------------------------------------------------------18
实验七、单容水箱液位PID控制系统------------------------------------------------------------------20
实验八、双容水箱液位PID控制系统------------------------------------------------------------------23
实验九、流量控制系统--------------------------------------------------------------------------------------28
实验十、单容水箱压力PID控制系统-----------------------------------------------------------------31
实验十一、单回路控制系统的质量研究---------------------------------------------------------------33
实验十二、串级控制系统的连接实验-------------------------------------------------------------------35
实验十三、液位串级PID控制系统---------------------------------------------------------------------40
实验十四、计算机控制系统-------------------------------------------------------------------------------43
实验十五、单片机控制系统-------------------------------------------------------------------------------51
实验十六、PLC单/双容液位控制
（一）-------------------------------------------------------------53
——利用西门子CP5611接口卡、MPI通讯模式、PROTOOL-CS监控软件
实验十七、PLC单/双容液位控制
（二）-----------------------------------------------------------------55
——利用PPI/PC通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）
实验十八、PLC上下水箱液位串级控制-----------------------------------------58
——利用PPI/PC通讯电缆、MCGS组态软件（DEMO版）
实验十九、基于MATLAB的单回路PID控制----------------------------------------------------60
实验二十、基于MATLAB的串级PID控制-------------------------------------------------------65
实验二十一、智能仪表控制系统-------------------------------------------------------------------------69
实验二十二、触摸屏、PLC控制----------------------------------------------------------------------71
附录
实验接线图----------------------------------------------------------------------------------------------------73
说明
“实验二十二、触摸屏、PLC控制”实验在THKGK-2型配置中才能做。
其于的实验与THKGK-1型的实验项目完全相同，实验指导书也可以通用。
第一部分
产
品
使
用
说
明
书
THKGK-1过程控制实验装置的组成和各部分使用说明
THKGK-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，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、课程设计等。
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，还可为科学研究的开发提供实验手段。
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：
182×160×70，重量：
380Kg。
装置特点
本实验装置具有以下特点：
1、多种被控参数：
液位、压力、流量、温度。
2、多种控制方式：
位式控制、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：
西门子PROTOOL-CS组态软件、北京昆仑公司的MCGS组态软件以及本公司开发的上位机监控软件，另外还可以用台湾HITECH公司的ADP6.0软件与PLC相连进行控制。
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、神精元控制、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`程序等进行实验，还可以利用人机界面（触摸屏）的组态再结合PLC的编程来进行控制实验。
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
被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。
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、智能仪表调节器、PLC控制器、单片机控制、计算机控制等。
执行器模块主要有固态继电器、磁力驱动泵、电加热丝。
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1所示，被控对象的供水有两路：
一路是由磁力泵1从储水箱中抽水，通过阀1再经阀3向上水箱供水、经阀4向下水箱供水、经阀5向复合加热水箱的内胆供水；另一路是
图1、系统结构流程图
磁力泵2从储水箱中抽水，分别通过阀2经阀9向上水箱供水、经阀10向下水箱供水、经阀11向复合加热水箱的夹套供水。
每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀6流到下水箱，在上水箱中安装了压力传感器（PT、LT1），用于检测压力、液位的大小;而下水箱的水经阀7流到复合加热水箱的外套，再经阀8流回储水箱，各水箱都设有溢流口，保证水箱满后不外流并顺利经溢流口流回储水箱。
在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT），它们分别用于加热和检测温度。
图2、THKGK-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、带灯启动和停止按钮、漏电保护器、电加热器控制开关、照明开关、电压表、告警指示灯与复位按钮等组成。
图1-1、GK-01控制屏面板图
具体操作方法如下：
1）、将电源插座接220V市电电源，要注意“左零右火”的接线方式并且要有可靠的接地保护。
如果一插上电源就有嘶嘶的声音，这时要检查电源的接线方式是否正确，是否可靠接地。
2）、插上三芯插头，此时控制屏左、右两侧的三芯电源插座均带电。
3）、先打开空气开关，再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）、拨动照明钮子开关到“上”侧，此时接通日光灯电源，日光灯亮。
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动作，告警灯亮并自动切断系统电源，等到解除报警时才能起动。
2、三相异步电动机电源接线区：
它与GK-07交流变频控制挂件配合使用。
在此接线区一共有U1、V1、W1,U2、V2、W2六个强电接线柱，它们与三相异步电动机引线相对应，已在内部连好。
3、加热器控制接线区：
包括固态继电器接线端和电加热器接线端，面板上给出了基本的工作原理。
如果用温度位式控制，直接将固态继电器的220V输出端与电加热器的输入端相连；如果用温度连续控制，直接将单相调压模块的输出端与电加热器的输入端相连。
4、温度智能位式调节仪：
在此把调节仪的输出和输入端子都引到面板上了，输出端包括位式调节输出及变送输出两部分，输入端包括PT100铂热电阻输入。
最下面有PT100铂热电阻输出端，是检测加热水箱温度的，可以直接加到智能仪表的“PT100铂热电阻”输入端。
AI-708F人工智能调节仪使用说明：
图2-1、AI708智能仪表面板图
二、GK-02传感器输出与显示
1、此挂件主要是对各个传感器变换信号的显示，包括上水箱的液位和压力；下水箱的液位以及交流支路管道的流量。
2、如右图2-1所示，图中左边为各个传感器变换输出端，右边显示各个被控参量的实时测量值。
当打开电源时，各个表头就会显示相应被控参量的当前测量值。
在水箱没有水的情况下有可能显示不为零，这是由于传感器的零点漂移引起的，通过调节压力变送器的零点电位器来纠正误差，具体方法后述。
3、左边输出端是各个传感器通过检测、变换后输出的电压值，也就是反馈值。
它的输出与各个被控参量显示之间有一定的比例关系，对应比例如下：
液位传感器：
输出0～5V电压对应0～20Cm的高度→1V电压对应5Cm的高度。
图2-1GK-02控制屏面板图
压力传感器:
输出0～5V电压对应0～2000Pa的压力→1V电压对应400Pa的高度。
流量传感器:
输出0～5V电压对应0～75ml/S的流量→1V电压对应15ml/S的流量。
温度传感器：
输出0～5V电压对应0～100℃的温度→1V电压对应20℃的温度。
以上关系式是根据被控对象的量程和各个传感器的量程换算出来的，在实验过程中要注意。
三、GK-03单片机控制
（一）、单片机控制挂件如图3-1所示,
它可以同时采集五路信号，一路输出用来控制执行器，以实现自动控制。
单片机控制挂件的主要组成部分有：
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标准电压信号。
2、一路模拟量输出：
此输出为单片机的控制输出端，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：
共有六个功能键，分别为回路、向上、向下、整定、移位、确认。
通过对这几个功能键的操作可以对单片机的各个参数进行整定。
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）。
图3-1、GK-03挂箱面板图
（二）、单片机键盘操作步骤：
1、键功能含义
“回路”键：
可循环选择1～5路输入。
“向上”、“向下”键：
按此键可循环选择所显示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“
”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、各个参数所表示的意义如下表:
AI
输入量
0～20（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
0～20Cm（液位）
0～2000Pa（压力）
0～75ml/s（流量）
0～100℃（温度）
CH
标尺上限
0～20Cm（液位）
0～2000Pa（压力）
0～75ml/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
0～20（液位）
OP
输出通道
0或1
0—无输出
1---从“调节输出”端输出
（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，本挂箱由给定信号源、比例积分微分设定旋钮以及PID调节回路组成。
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，给定信号的大小由本模块中给定信号源提供，反馈信号输入是由传感器输出提供，调节器输出信号用于控制执行器（如交流电机）。
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。
“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”。
图4-1、GK-04挂箱面板图
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”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、连续控制器挂箱
如图5-1所示，位式、连续控制挂箱由位式控制器、智能仪表、单相移相调压模块和给定信号源四部分组成。
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，可设定Vmax与Vmin差值大于1V。
2、智能仪表
本挂箱采用的是上海万迅仪表有限公司的AI-718A型智能仪表，0～5V、1～5V输入、铂热电阻输入、调节输出以及RS485通讯口等各端子已引到面板上。
使用时只要将相应的连线接好就可以了，输出端是0～5V的标准信号用于驱动执行机构。
3、单相移相调压模块
面板上已经引出信号输入端和调压输出端，打开挂件上的电源开关，此模块就得电。
当输入控制信号时，输出端就有电压输出，随着控制信号的变化，输出电压也会跟着变化。
图5-1、GK-05挂箱面板图
4、给定信号源
分别由两路1.25～6V的可调直流电源组成，电位器RP1和RP2分别用于调节输出电压大小，它们作为位式控制器上、下限幅值的给定。
六、GK-06控制系统流程图
图6-1所示，是本实验装置的控制对象系统流程图。
两路供水系统都可以供水给每个对象，包括上水箱、下水箱、复合加热水箱。
两套动力系统都采用了交流变频调速，分别驱动三相电机带动磁力驱动泵打水，每条支路都有相应的阀控制其进水量。
在实验时按照实验指导书以及实验接线图连接好实验系统的连线，然后再打开对应的阀门。
图6–1控制系统流程图
七、GK-07交流变频调速
如图7-1所示，交流变频控制挂箱面板图。
变频器为三菱FR-S520S-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
为了使变频器各接线端子不因每次做实验经常的装拆线而损坏或丢失，应将常用端子引到挂箱面板上，以方便实验连线，它们分别是：
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U、V、W）。
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、STF、STR：
电机正转与反转控制端，当STF与SD相连时电机为正转，当STR与SD相连时电机为反转。
4、其它：
PC：
外部晶体管公共端、DC24V电源接点输入端。
SE：
集电极开路公共。
RUN：
集电极开路。
10：
频率设定用电源。
4：
频率设定电流信号。
图7-1、GK-07挂箱面板图
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
（一）、PLC结构概述
PLC可编程控制挂箱面板，如图8-1所示，采用西门子S7-200PLC系列产品。
1、PLC可编程控制面板上引出二路模拟量输入端（AI1、AI2），一路模拟量输出端（AO），十路开关量输入端（DI1—DI10），四路开关量输出端（DO1—DO4）。
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、MP
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