CN203191853U - 一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统 - Google Patents

一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，其采用了控制柜，电能数据采集系统、网络通讯系统，由控制柜、控制系统、过程控制实验装置、电能数据采集系统、网络通讯系统五个部分组成实验系统，控制系统通过络通讯系统与控制柜、过程控制实验装置、电能数据采集系统配连；控制柜配合过程控制实验装置完成PLC基础实验项目；控制柜配合电能数据采集系统完成能源数据采集应用实验项目。其结构合理、方便实用，能够给操作人员提供自行学习的条件，允许操作人员自行设计控制方案。可以实现水位、水流量、加热水温度等自动控制及PID调节，能模拟各种DCS控制系统日常维护运行中遇到的故障，教会操作人员掌握如何处理的方法。

Description

一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统
技术领域
本实用新型涉及自动化控制及数据通讯领域，特别是一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统。
背景技术
目前，冶金工业生产中所采用的控制系统通常是DCS控制系统和PLC控制系统；据申请人所知，现应用于各种加热炉、制氧、焦化、电站、水处理中的的控制系统一般是DCS控制系统，用于炼铁、炼钢、轧钢、热处理水泵房等生产线的的控制系统多为PLC控制系统。上述二种控制系统均采用多种通讯方式来传输数据。
申请人经过研究发现，由于现有的DCS控制系统和PLC控制系统的控制点多、控制面广，其操作起来不是很简单，而且出现的问题比较多，现场处理起来较为困难，特别是DCS控制系统尤为突出。据申请人了解，DCS控制系统所采用的联锁控制程序相当复杂，这就加大和加重了工作人员的劳动强度；在工作的过程中，使用DCS控制系统，如果工作人员不熟悉该系统，就可能会遇到麻烦；操作时稍有不慎，就可能失误，会造成停车，给生产带来影响，给国家和企业造成不必要的财产损失。因此，长期从事DCS控制系统和PLC控制系统的工作人员一直期待着有一种能够实现理想控制的实验系统，其应当具有方便实用的特点和好的工作性能，该实验系统除了能够进行通常的过程控制实验外，还可以进行多种新设备的应用试验；既可以灵活地进行多种过程控制的实验，还可以实现对操作人员的技术培训。
发明内容
本实用新型的目的是，针对上述现有技术存在的不足进行改进，提出并研究一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统。其能很好地解决DCS和PLC控制系统在运行过程不能随便更改工艺运行参数的实际问题，还能够实现对维护人员的技术培训，当出现故障时能做到及时排除,充分发挥整个控制系统的潜能为生产服务, 在工艺更新时还能够及时地使整个控制系统得到优化。
本实用新型的技术解决方案是，包括控制柜，电能数据采集系统、网络通讯系统，其特征在于，采用了控制系统、过程控制实验装置，控制系统通过网络通讯系统与控制柜、过程控制实验装置、电能数据采集系统配连；控制柜配合过程控制实验装置，完成PLC基础实验项目；控制柜配合电能数据采集系统，完成能源数据采集应用实验项目。
其特征在于，电能数据采集系统包括有智能电能表、数据采集站。
其特征在于，网络通讯系统包含网络交换机。 
其特征在于，控制柜采用了PC工控机、交流变频器、直流变频器。
其特征在于，控制系统由电源卡、一个带以太网通讯接口的主控卡、通讯卡、AI电流卡、AO卡、RTD 热电阻卡、DI卡以及DO卡组成。 
其特征在于，过程控制实验装置由上储水罐、下储水罐、水位控制阀、电磁流量计、加热器、供水泵、电磁阀、测温元件以及若干管路系统组成；上储水罐位于下储水罐的上方通过管路系统配接在一起；上储水罐上安装有加热器、测温元件；上储水罐通过管路系统与水位控制阀和电磁流量计配连；下储水罐配有测温元件，下储水罐通过管路系统与水位控制阀和电磁流量计配连。
其特征在于，控制柜采用DCS主控柜。
其特征在于，控制柜采用PLC主控柜。
本实用新型的创新点在于，1、可真实实现水位、水流量、加热水温度等自动控制及PIC调节。2、通过水位、水流量、加热水温度与调节阀不同的组合实现自动给水、自动加温控制， 还可真实演练冶金工厂实际工况，如制氧空气加热器装置、预冷系统和水处理中的各种过程控制等。3、能够提供直接操作和运行过程的环境，给操作人员以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。4、在实验中可以模拟各种DCS控制系统日常维护运行中遇到的故障情况，教会操作人员掌握如何处理的方法。
本实用新型的优点是，设计新颖、结构合理、方便实用，能够进行通常的过程控制实验外，还可以进行多种新设备的应用试验；既可以灵活地进行多种过程控制的实验，还可以实现对操作人员的技术培训。能够给操作人员提供自行学习的条件，允许操作人员自行设计控制方案。
附图说明
图1、本实用新型的基本结构方框图。
图2、本实用新型采用的DCS主控柜的结构示意图。
图3、本实用新型采用的PLC主控柜的结构示意图。
图4、本实用新型采用的过程控制实验装置的结构示意图。
图5、本实用新型采用的过程控制实验装置的控制原理图。
图中，1、控制柜；2、网络通讯系统；3、过程控制实验装置；4、控制系统；5、电能数据采集系统；6、智能电能表；7、数据采集站；8、网络交换机；9、冗余电源；10、DCS主控制站；11、数据采集卡；12、1#交换机；13、2#交换机；14、交流变频器；15、PLC控制站；16、晶闸管；17、直流变频器；18、加热器；19、测温元件；20、上储水罐；21、立下储水罐；22、供水泵；23、测温元件；24、水位控制阀；25电磁流量计；V1、电磁阀；V2、电磁阀；V3、电磁阀。
具体实施方式，
下面，根据附图详细描述本实用新型的实施例。
如图1所示，本实用新型采用控制柜1，电能数据采集系统5、网络通讯系统2，由控制柜1、控制系统4、过程控制实验装置3、电能数据采集系统 5、网络通讯系统2组成实验系统，控制系统4通过络通讯系统2与控制柜1、过程控制实验装置3、电能数据采集系统5配连；控制柜1配合过程控制实验装置3，完成PLC基础实验项目；控制柜1配合电能数据采集系统5，完成能源数据采集应用实验项目。控制柜1采用PC工控机、交流变频器14、直流变频器17。
电能数据采集系统5包括有智能电能表6、数据采集站7。网络通讯系统2包含的网络交换机8采用以太网交换机。 
如图2 所示，本实用新型的控制柜1采用DCS主控柜。DCS主控柜由PC工控机、冗余电源9、DCS主控制站10、数据采集卡11；1#交换机12、2#交换机13和机箱组成。
如图3 所示，控制柜1还可以采用PLC主控柜。PLC主控柜由交流变频器14、PLC控制站15、晶闸管16、直流变频器17、PC工控机和机箱组成。PLC主控柜为西门子公司生产的PLC控制柜。
如图4、图5 所示，本实用新型采用的过程控制实验装置3由上储水罐20、下储水罐21、水位控制阀24、电磁流量计25、加热器18、供水泵21、电磁阀V1、V2、 V3、测温元件19、23以及若干管路系统组成。水位控制阀24采用了液位变送器24-1、24-2、24-3。上储水罐20位于下储水罐21的上方通过管路系统配接在一起；上储水罐20上安装有加热器18、测温元件19；上储水罐20通过管路系统与水位控制阀24和电磁流量计25配连；下储水罐21配有测温元件23，下储水罐21通过管路系统与水位控制阀24和电磁流量计25配连。
上储水罐20和下储水罐21采用立式储水罐。供水泵22采用离心泵。加热器18采用电加热器。电加热器为螺旋式加热器。
本实用新型采用的过程控制实验装置3的控制原理是，采用闭环控制。
控制系统4由电源卡、一个带以太网通讯接口的主控卡、通讯卡、AI电流卡、AO卡、RTD 热电阻卡、DI卡以及DO卡组成。控制系统4包括有2块电源卡、2块主控卡（带以太网通讯接口）、2块通讯卡、3块AI电流卡、2块AO卡、2块RTD 热电阻卡、2块DI卡以及2块DO卡组成，控制系统4通过网络通讯系统2与控制柜1、过程控制实验装置3、电能数据采集系统5配连；网络通讯系统2包含的网络交换机8即1#交换机12和2号交换机13。
本实用新型配有2套控制系统4、4台PC工控机、2台交流变频器、2台直流变频器。
控制柜1采用西门子公司生产的PLC控制柜。过程控制实验装置3采用二水罐的过程控制实验装置。控制系统4采用的控制软件为中控JX-300XP控制系统所使用的控制软件。应用本实用新型可以完成基础实验、应用实验、工程项目实验、网络实验多项工作任务。其中：
（一）由西门子PLC控制柜和二水罐的过程控制实验装置完成PLC基础实验项目可完成下面实验：
1、    模拟量的认识实验 ；
1.1    模拟量单元的初始设定（初始化程序）实验；
1.2    向模拟量输出通道写数据实验；
1.3    调节PLC面板模拟电位器，观察内部模拟量数据变化实验；
1.4    用模拟量输入设定PLC内部数据实验；        
1.4.1  用模拟量输入信号改变计时器设定值实验；
1.4.2  用模拟量输入信号改变计数器设定值实验；
2、    模拟量输入信号与开关量输出信号实验；
2.1    拟量输入信号上下限报警显示实验；
2.2    模拟量输入输出16点棒图显示实验；
3、    开关量输入信号与模拟量输出信号；
3.1    电机加减速控制实验；
3.2    电机转速为三角波形加减速控制实验；
4、    模拟量输入信号与模拟量输出信号实验；
4.1    将两路模拟量输入信号求和结果模拟量输出显示； 
4.2    将模拟量输入信号乘2求积结果输出显示；
5、    模拟量输入信号与脉冲输出信号实验；
5.1    将模拟量信号转换为脉冲量信号；
5.2    将模拟量信号转换为脉宽调速信号；
6、    脉冲输入信号与模拟量输出信号实验；
6.1    将脉冲频率信号转换为模拟量信号；
6.2    将转速检测频率信号转换为模拟量信号；
7、    用PMW脉冲输出实现直流电机闭环调速控制实验；
7．1   用闭环控制原理及PLC运算等指令实现调速控制；
7．2． 用PLC 、PID指令实现调速控制；
7．3   用模糊控制思想加PLC比较等指令实现调速控制； 
7．4   用其它方法实现调速控制；      
8、    用模拟量输出点实现温度控制实验 
8.1    用闭环控制原理及PLC运算等指令实现温度控制
8.2    用PLC 、PID指令实现温度控制
8.3    用模糊控制思想加PLC比较等指令实现温度控制
8.4    用其它方法实现温度控制
9、    综合应用实验
9.1   电机正反转加减速控制实验
9.2   存储罐液位动态监控实验
（二）中控JX-300XP控制系统配合二水罐的过程控制实验装置组成的系统
中控JX-300XP控制系统采用监控软件编程方便灵活，可实现硬件组态，软件提供四种编程方式选择，由于采用了半实物模拟新技术，可以通过计算机监控软件控制，自动组合成多种工艺过程实验项目。实验内容可以全面重组和变化，只需通过软件组态方式或改变信号线连接，由软件即可实现，易如反掌可完成实验如下：
1）离心泵及液位系统开、停车试验。
2）液位与流量的线性特性实验。 
3）离心泵特性实验 。
4) 阀门特性试验与计算。
5）离心泵与液位系统的流量、液位和压力控制训练。
6）多级液位控制训练。 
（三）本实用新型的电能数据采集系统5在实验室可以完成能源中心智能电能表6、数据采集站7的各种通讯功能的测试，还中以完成DCS控制系统通过OPC软件与Wonderware公司、西门子公司、T-BOX公司间软硬件产品数据交换实验。
控制柜1、控制系统4、过程控制实验装置3、电能数据采集系统5 、网络通讯系统2五部分根据不同的工作任务要求，通过相互组合，能够完成冶金工厂的PLC和DCS 基础实验、PLC和DCS应用实验、PLC和DCS工程项目实验、PLC和DCS网络实验。

Claims (8)

1.一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，采用了控制柜，电能数据采集系统、网络通讯系统，其特征在于，由控制柜（1）、控制系统（4）、过程控制实验装置（3）、电能数据采集系统（5）、网络通讯系统（2）五个部分组成实验系统，控制系统（4）通过络通讯系统（2）与控制柜（1）、过程控制实验装置（3）、电能数据采集系统（5）配连；控制柜（1）配合过程控制实验装置（3），完成PLC基础实验项目；控制柜（1）配合电能数据采集系统（5），完成能源数据采集应用实验项目。
2.根据权利要求1所述的一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，其特征在于，电能数据采集系统（5）包括有智能电能表（7）、数据采集站（6）。
3.根据权利要求1所述的一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，其特征在于，网络通讯系统（2）包含网络交换机（8）。
4.根据权利要求1所述的一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，其特征在于，控制柜（1）采用了PC工控机、交流变频器（14）、直流变频器（17）。
5.根据权利要求1所述的一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，其特征在于，控制系统（4）由电源卡、带以太网通讯接口的主控卡、通讯卡、AI电流卡、AO卡、RTD 热电阻卡、DI卡以及DO卡组成。
6. 根据权利要求1所述的一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，其特征在于，过程控制实验装置（3）由上储水罐（20）、下储水罐（21）、水位控制阀（24）、电磁流量计（25）、加热器（18）、供水泵（22）、电磁阀（V1、V2、V3）、测温元件（19、23）以及若干管路系统组成；上储水罐（20）位于下储水罐（21）的上方通过管路系统配接在一起；上储水罐（20）上安装有加热器（19）、测温元件（19）；上储水罐（21）通过管路系统与水位控制阀（24）和电磁流量计（25）配连；下储水罐（21）配有测温元件（23），下储水罐（21）通过管路系统与水位控制阀（24）和电磁流量计（25）配连。
7.根据权利要求1所述的一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，其特征在于，控制柜（1）采用DCS主控柜。
8.根据权利要求1所述的一种用于冶金自动化过程控制及通讯的实验系统，其特征在于，控制柜采（1）用PLC主控柜。
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