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1、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05V或15V，电流010mA或420mA
2、。实验系统供电要求为单相交流220V10%，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
3、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
4、、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
5、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
6、、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
7、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、、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DC 05V。其中LT1、PT、LT
9、2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05
10、V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05V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15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
11、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0150（液位）不可修改AO输出量0255手动时可修改AN手动/自动0或10手动 1自动ST采样时间0.119.9秒PB比例度09999增量式KCTI积分时间09999增量式KiTD微分时间09999增量式KdCL标尺下限0150（液位）01470P(压力)045ml/s(流量)0100(温度)CH标尺上限0150（液位）01470P(压力)045ml/s(流量)0100(温度)UA正/反作用0或10反作用1正作用SP给定值015
12、0（液位）OP输出通道030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
13、，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
14、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。它是比例度的倒数，即KC=1/。 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
15、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
16、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
17、共有三组接线端和一个反馈调节旋钮。1、 输入电压范围为05V，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25V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
18、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（05V）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
19、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-08 PLC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（DI1DI10），四路开关量输出（DO1DO4）
20、。采用西门子S7-200 PLC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、EM 235 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 STEP 7-Micro/WIN32 V3.0， STEP 7-Micro/WIN32 V3.0 可以对S7-200的所有功能进
21、行编程。 CPU通过PC/PPI 电缆或通过插在PG/PC上的CP 5511或 CP 5611网卡与PC/PPI电缆可以在Windows 95或Window 98下实现多主站模式。5、上位机的监控软件为：PROTOOLCS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PROTOOLCS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CP 5611卡连接。3、软件安装步骤：1）、光盘目录：Prg-filePc-comm 配合单片机的
22、上位机通讯程序 Prg-filePc-plcn1 Ptl-run 配合PLC的上位机监控程序 Prg-filePc-plcn1S7-200 PLC的PID控制源程序 protool.rtDisk1 计算机组态软件 s7200 v3.1 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 STEP7Microwin 32 V3.1。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CP5
23、611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SYSTEM Block 波特率改为187.5K，地址口为2。9）、在Windows的控制面板中选择set PG/PC interface 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）
24、、操作方式：手动或自动。b）、参数设定：KC为比例系数，设置范围：09.9。 TS为采样时间，设置范围：09.9秒。 Ti为积分时间，设置范围：09.9分。 Td为微分时间，设置范围：09.9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
25、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
26、。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plc pid.mwp和上位机监控组态演示程序tkgk-1.mcg）。3）、点击“plc pid.mwp”进入STEP 7-Micro/WIN32 V3.0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plc pid.nwp程序时，PLC应打到STOP工作方式，运行时打到RUN或T
27、ERM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：0150mm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。
