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2024年2月20日发(作者：莫靖易)

CS2000系统说明书

CS2000

系统说明书

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第一章硬件系统..........................................................................................3

1.1 系统主要特点.....................................................................................................4

1.2 实验对象组成结构.............................................................................................4

1.3 控制台组成结构..................................................................................................7

1.4 RS-485接口转换器与通讯电缆.........................................................................11

第二章 MCGS组态系统 ............................................................................13

2.1主控窗口..............................................................................................................13

2.2 设备窗口..............................................................................................................13

2.3 用户窗口..............................................................................................................14

2.4 实时数据库..........................................................................................................14

2.5 运行策略..............................................................................................................14

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第一章硬件系统

生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求的目标，在18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用以后，自动化技术时代开始了。随着工业技术的更新，特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、物位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”系统。过程控制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且已成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。随着计算机控制装置在控制仪表基础上的发展，自动化控制手段也越来越丰富。其中有在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表控制系统、智能仪表加计算机组态软件控制系统、计算机DDC控制系统、PLC控制系统、DCS分布式集散控制系统、FCS现场总线控制系统等。在现代化工业生产中，过程控制技术正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产效率、改善劳动条件、保护生态环境等起到越来越大的作用。

CS2000型过程控制实验装置是根据我国工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业装置的自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS(分布式集散控制系统)，经过精心设计、多次实验和反复论证后，推出的一套基于本科生、研究生教学和学科基地建设的实验设备。该设备涵盖了《信号和信息处理》、《传感技术》、《工程检测》、《模式识别》、《控制理论》、《自动化技术》、《智能控制》、《过程控制》、《自动化仪表》、《计算机应用和控制》、《计算机控制系统》等课程的教学实验与研究。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。

CS2000仪表维修工竞技实训装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即1～5V电压信号， 4～20mA电流信号。

实验系统供电要求：单相220V交流电，

外型尺寸：控制台 600×850×1800mm;

重量：控制台 50Kg;

对象:1500×850×2200mm,200Kg

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1.1 系统主要特点

被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。

执行器中既有电动调节阀（或气动调节阀）、单相调压装置等仪表类执行机构，又有变频调速器等电力拖动类执行器。

调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过另一动力支路或电磁阀和手操阀制造各种扰动。

一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。

某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，它们同时输入和工作时需对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。

各种控制算法和调节规律在开放的组态实验软件平台上都可以实现。

实验数据及图表可以永久存储，在MCGS组态软件中也可随时调用，以便实验者在实验结束后进行比较和分析。

在整体实训装置中，设有温度故障排除功能、调节阀故障排除功能、卡件故障排除功能等

该系统设计从工程化、参数化、现代化、开放性和培养综合性人才的原则出发，在实验对象中采用了工业现场常用的检测控制装置！仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件等。基型产品控制系统中既有上位监控机加智能仪表控制系统，又有无纸记录仪控制系统。对象系统预留有扩展信号接口，用于控制系统二次开发，进行DCS控制，FCS控制，PLC控制开发。扩展控制系统为DCS分布式集散控制系统，西门子S7300PLC加上位WINCC组态软件。学生们通过对该实验装置的了解和使用，进入企业后能够很快适应企业环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供了一个高水平的学习和研究开发平台。

1.2 实验对象组成结构

CS2000型过程控制实验装置包括控制台与对象两大部分。

对象系统包含有：不锈钢储水箱、圆筒形有机玻璃上水箱（Ф250×380mm）、（中水箱、）下水箱（Ф250×350mm）、单相2.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）。系统动力支路分为两路组成：一路由循环水泵、调节阀、孔板流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路循环水泵、变频调速器、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。装置检测变送和执行元件有：液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、压力表、调节阀等。

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1.2.1 检测装置

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CS2000实验对象的检测装置包括：压力液位传感器。分别用来检测上水箱、（中水箱、）下水箱液位；孔板流量计、涡轮流量计分别用来检测其所在动力支路的水流量；Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套的水温，强制对流换热装置。

1. 压力液位变送器

工作原理：当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输V/A电压、电流转换器，转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4~20mA标准电流输出信号。接线如图1.2-2所示。

14～36V电源红＋－－mA＋芯片运放白/蓝负载250欧/50欧1～5V/0.2～1V

图1.2-2 压力液位传感器接线图

接线说明：传感器为二线制接法，它的端子位于中继管内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接红线，白线/蓝线接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接24V-。传感器输出4~20mA电流信号，通过负载电阻250/50Ω转换成电压信号。当负载电阻接250Ω时信号电压为1~5V，当负载电阻切换成50Ω时信号电压为0.2~1V。

变送器的调试：

1. 先将变送器安接线图正确接线。

．．2. 旋开变送器后盖即可看到零点和满量程调节电位器，如图1.2-3。

．．3. 调整步骤：

．．a．将压力液位变送器装于实验台上通电预热15分钟后，再进行调整。

．．b．将变送器施加下限值压力，调整零位调节电位器使其输出为4mA（接250Ω负．．载电阻后为1V）。

c．将变送器施加上限值压力，调整满度调节电位器使其输出为20mA（接250Ω．．负载电阻后为5V）。

d．反复b、c两个步骤，直到使变送器输出达到规定的要求。

．．e．旋紧变送器后盖。

．．

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调零位调满度

图1.2-3

2. 温度传感器

在CS2000过程控制系统中，我们采用Pt100热电阻作为温度传感器对系统中的温度进行检测。

工作原理：利用Pt电阻阻值与温度之间的良好线性关系。

图1.2-4 Pt100热电阻接线图

接线说明：连接两端元件热电阻采用的是三线制接法，以减少测量误差。在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化。为了消除由于这种变化而产生的测量误差，采用三线制接法。即在两端元件的一端引出一条导线，另一端引出两条导线，这三条导线的材料、长度和粗细都相同，如图1.2-4中所示的a、b、c。它们与温度变送器输入电桥相连接时，导线a和c分别加在电桥相邻的两个桥臂上，导线b在桥路的输出电路上，因此，a和c阻值的变化对电桥平衡的影响正好抵消，b阻值的变化量对仪表输入阻抗影响可忽略不计。

3. 涡轮流量计

涡轮流量计的输出信号为频率信号，测量范围：0~1.0m3/h。接线如图1.2-5所示。

脉冲输出－＋5～24VDC-p+

图1.2-5 涡轮流量计接线图

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4. 压力表

安装位置：单相泵之后，调节阀之前。

测量范围：0~0.25MPa

图1.2-7 压力表

1.2.2 执行装置

1. 电动调节阀

QSTP-16K智能电动单座调节阀

主要技术参数：

执行机构

型式：智能型直行程执行机构

输入信号：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC

输入阻抗：250Ω/500Ω

输出信号：4~20mADC

输出最大负载：<500Ω

信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值

电源：220V±10%/50Hz

2. 单相可控硅移相调压模块

通过4~20mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0~220V之间根据控制电流的大小实现连续变化。

3. 变频器

系统中所用的变频器的为三菱变频调速器，其型号为：FR-S520S-0.4K-CHR。变频器的输出端与丹麦循环泵相连，实现丹麦循环泵支路的流量控制。

1.3 控制台组成结构

控制台由喷塑钢板作为框架，以防火材料为桌面板，桌底装有滚动轮子和固定地盘，外观优美，耐用结实。面板用喷塑铝合金板制作，容易安装拆卸。控制面板上安装了智能调节

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仪控制面板、C3000控制面板、信号面板、强电面板。

1.3.1 电源和I/O信号面板

电源和I/O信号面板上有总电源开关和各种元器件的电源开关，还有各种检测信号和控制信号的接线端子。

1.3.2智能数字仪表C3000控制系统

智能数字仪表控制系统的核心是浙大中控的C3000智能调节记录仪。

控制功能

C3000多功能控制器具有单回路控制和串级控制功能。用户可以根据需要选择表达式和控制模式。在表达式功能中，定时器和控制回路可以用来特殊控制。串联多台C3000多功能控制器可以执行更复杂的控制功能。

表达式运算

C3000多功能控制器具有表达式功能，使用表达式可以对仪表内部信号的算术运算、乘方运算、关系运算、逻辑运算及条件运算，以达到复杂的运算和控制功能的需求。

自整定功能

C3000多功能控制器控制回路具有参数自整定功能，每个回路启动自整定功能需要在组态中设定相应的参数。在仪表正常运行中将自动禁止自整定功能。

密码保护

C3000多功能控制器具有四种登陆模式：操作员1、操作员2、工程师1及工程师2，每种登陆模式都有独立的密码保护，其中工程师2可以任意修改其他登陆模式的密码。

历史数据记录控制功能

C3000多功能控制器具有历史数据记录控制功能。可以自由选择需要记录的数据；仪表修改记录间隔，不会影响已有的记录，即支持记录间隔的修改；支持更多的记录间隔，最小支持0.125s记录间隔；可以手动启动（或停止）或自动启动（或停止）仪表的记录，自动方式可以通过定时方式启动（或停止）记录或使用表达式逻辑功能启动（或停止）记录。仪表界面显示：不连续的两段数据之间用固定长度的空白段显示；一段连续的数据显示中，两个连续点时间的差值是该段数据记录间隔的X倍（其中X是缩小倍数）。

其他

曲线画面、棒图画面及控制画面可以横向显示和纵向显示。

1.3.3 智能调节仪面板

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智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A，除具备AI708A的全部功能特点外，还具备外给定、手动/自动切换操作、手动整定及显示输出值等功能，并具备直接控制阀门的位置比例输出（伺服放大器）功能，也可独立做手动操作器或伺服放大器用。此外，还具备可控硅移相触发输出功能，可节省可控硅移相触发器，能精确控制温度、压力、流量、液位等各种物理量。

智能调节仪使用参数设置：

修改参数时，按住键3秒，即可调出如下表第一个参数HIAL，用、、、修改参数的值。修改好第一个参数后，再按一下参数代号

HIAL

LOAL

DHAL

DLAL

CTrL

DIP

DIL

DIH

OP1

OPL

OPH

Addr

bAud

run

参数含义

上限报警

下限报警

正偏差报警

负偏差报警

回差

控制方式

比例度

积分时间

微分时间

输入规格

小数点位置

输入下限显示值

输入上限显示值

输出方式

输出下限

输出上限

系统功能选择

通讯地址

通讯波特率

输入数字滤波

运行状态

说明

即可进入下一个参数的修改。

设置范围

999.9

-199.9

999.9

0．3

100

1（或2或3）

9600

按不同实验设置不同参数

测量值大于HIAL+dF时产生上限报警

测量值大于LOAL-dF时产生上限报警

正偏差大于DHAL+dF产生正偏差报警

负偏差大于DLAL-dF产生负偏差报警

请参看使用说明书

比例系数的倒数

请参看使用说明书

小数点位置，以配合用户习惯数值

请参看使用说明书

op1=4,4-20mA线性电流输出

请参看使用说明书

表1.3-1

根据不同的实验，以上参数有所改变，请参看实验部分说明。

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输入规格：根据实际所测的信号不同，sn=0~37之间选择

8-9

11-19

表1.3-2

*图中的黑体字符表示常用的输入规格。

小数点位置DIP：例：DIP=1 小数点在十位。

输入下限显示值DIL：用于定义线性输入信号下限刻度值，对外给定、变送输出、光柱显示均有效。例：上水箱液位传感器检测范围为0~100cm，则DIL=0，DIP=1

输入上限显示值DIH：用于定义线性输入信号上限刻度值，与DIL配合使用。例：上水箱液位传感器检测范围为0~100cm，则DIH=100，DIP=1

输出方式OP1：OP1=4，4-20mA线性电流输出。

输出下限值OPL：OPL=0 调节器输出最小值

输出上限值OPH：OPH=100 调节器输出最大值。

系统功能选择CF：CF=0 调节器为反作用；CF=1 调节器为正作用

通讯地址ADDR：ADDR=0-100 有效，作为辅助模块用于测量值变送输出时，ADDR及bAud定义对应测量值变送输出的线性电流大小，其中ADDR表示输出下限，bAud表示输出上限。单位为0.1mA。

输入规格

备用

Pt100

0-80欧电阻输入

0-20mV电压输入

0-60mV电压输入

0.2-1V(100-500Mv)

0-5V电压输入

-100-+100mV（2-10V）

22-25

输入规格

用户指定的扩充输入规格

Cu50

备用

0-400欧电阻输入

0-100mV电压输入

0-1V（0-500mV）

1-5V电压输入

-20-+20mV（0-10V）

-5V-+5V（0-50V）

1.3.4 变频器参数设置

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名称

上限频率

下限频率

扩张功能显示选择

频率设定电流增益

RH端子功能选择

操作模式选择

表1.3-7

变频器使用说明

本装置中使用变频器时，主要有两种输出方式：一种是直接调面板旋钮输出频率，另一种是用外部输入控制信号改变变频器输出频率。两种输出方式具体接线方法如下：

A. 变频器面板旋钮输出接线方法：SD与STF（或STR）短接，当需要改变输出频率．．时，旋动面板上的旋钮，顺时针旋可增大输出频率，逆时针旋可减小输出频率。待旋至所需要的频率时，按变频器上白色的SET键，即可选定所需的输出频率。

B. 变频器外部控制信号控制输出接线方法：SD与STF（或STR）、RH两端都短接，．．在控制信号输入端接入控制信号（正极、负极应对应，不能接错），打开变频器的电源开关即可输出。通过改变控制信号的大小来改变输出频率。

*注：附FR-S520S-0.4K-CHR三菱变频调速器使用手册（基本篇）

表示

P30

P39

P62

P79

设定范围

0-120Hz

0，1

1-120Hz

设定值

60Hz

25Hz

60Hz

25Hz

20%

0-8

输出频率大小

偏置

1.4 RS-485接口转换器与通讯电缆

1.4.1 RS-485接口转换器

ATC-106型接口转换器可将RS-232C串行口的数据发送和数据接收信号转换成两线平衡的半双工RS-485信号。它是远距离控制设备或点到多点总线通讯的最佳旋转。

ATC-106型接口转换器，不需要外接交流直流电源，可直接从RS-232端口内的数据发送信号（TD）、请求发送（RTS）或数据终端准备好（DTR）获取电源，而且还加上了发送数据自动控制的功能，在发送接收数据时不需要RTS使能控制，所以串口自供电以及自动的流控使你完全不必重新设置硬件或安装软件，完善的浪涌保护，可以确保整个RS-485网络的安全。

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详细的性能指标请查阅《ATC-106说明书》

1.4.2 通讯电缆

485通讯电缆线是控制台与RS-485接口转换器的衔接部分，长约3米，用一根两芯屏蔽线把两个九针串口（DB9母）连接而组成。两个九针串口的针头定义相同：1＃为485－，2＃为485＋。

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第二章 MCGS组态系统

本实验中所采用的HMI软件是北京昆仑公司开发的全中文工控组态软件MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）。这是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式想用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。

MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。

用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。

运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标的功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。

由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。

2.1主控窗口

主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓，以及运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等项内容，是应用系统的主框架。

2.2 设备窗口

设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。一个应用系统只有一个设备窗口，运行时，系统自动打开设备窗口，管理和调度所有设备构件正常工作，并在后台独立运行。注意对用户来说，设备窗口是不可见的。

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2.3 用户窗口

用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。图元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画的方法。动画构件对应于不同的动画功能，它们是从工程实践经验中总结出的常用的动画显示与操作模块，用户可以直接使用。通过在用户窗口内放置不同的图形对象，搭制多个用户窗口，用户可以构造各种复杂的图形界面，用不同的方式实现数据和流程的“可视化”。

组态过程中的多个用户窗口，最多可定义512个。所有的用户窗口均位于主控窗口内，其打开时窗口可见；关闭时窗口不可见。允许多个用户窗口同时处于打开状态。用户窗口的位置、大小和边界等属性可以随意改变或设置，如可以让一个用户窗口在顶部作为工具条，也可以放在底部作为状态条，还可以使其成为一个普通的最大化显示窗口等等。多个用户窗口的灵活组态配置，就构成了丰富多彩的图形界面。

2.4 实时数据库

实时数据库相当于一个数据处理中心，同时也起到公用数据交换区的作用。MCGS用实时数据库来管理所有实时数据。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库。实时数据库自动完成对实时数据的报警处理和存盘处理，同时它还根据需要把有关信息以事件的方式发送给系统的其它部分，以便触发相关事件，进行实时处理。因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特征参数（属性）及对该变量的操作方法（报警属性、报警处理和存盘处理等）。这种将数值、属性、方法封装在一起的数据我们称之为数据对象。实时数据库采用面向对象的技术，为其它部分提供服务，提供了系统各个功能部件的数据共享。

2.5 运行策略

运行策略本身是系统提供的一个框架，其里面放置有策略条件构件和策略构件组成的“策略行”，通过对运行策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库、控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制。

一个应用系统有三个固定的运行策略：启动策略、循环策略和退出策略，同时允许用户创建或定义最多512个用户策略。启动策略在应用系统开始运行时调用，退出策略在应用系统退出运行时调用，循环策略由系统在运行过程中定时循环调用，用户策略供系统中的其它部件调用。

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