ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД «Система автоматического управления температуры»

Назначение:

Лабораторный стенд должен быть предназначен для обучения  студентов  электротехнических и  технологических  специальностей по курсам автоматизации технологических процессов: «Автоматизация типовых технологических процессов», «Автоматизация технологических процессов и комплексов», «Системы программного управления»,  «Датчики технологической информации», «Элементы систем автоматизации». Стенд должен обеспечивать изучение:

– исследование статических и динамических характеристик датчиков температуры различного типа;

– промышленных контроллеров;

– замкнутых систем автоматического регулирования температуры.

 

Состав:

1. Стол лабораторный
2. Моноблок «Основы теории автоматического управления»
3. Емкость лабораторная воздушная
4. Контактный датчик температуры
5. Термопары (2 шт.)
6. Термометры сопротивления (2 шт.)
7. Биметаллический стрелочный термометр
8. Измеритель-регулятор
9. Программируемый логический контроллер
10. Преобразователь интерфейса Modbus-USB
11. Персональный компьютер
12. SCADA - система
13. Программное обеспечение (компакт-диск)
14. Комплект силовых кабелей и соединительных проводов
15. Техническое описание
16. Методические указания к выполнению лабораторных работ

 

 

Основные технические характеристики элементов стенда:

1. Стол лабораторный должен быть выполнен из стального профиля трубчатого сечения с полимерным покрытием, панелью крепления навесного оборудования и столешницей, выполненной из ламинированного ДСП.
2. Моноблок «Основы теории автоматического управления»

Моноблок должен обладать следующими характеристиками:

2.1 Электропитание модуля должно осуществляться от сети переменного тока напряжением 220В.

2.2 Моноблок должен быть оснащен двухполюсным автоматическим выключателем, обеспечивающим коммутацию сетевого напряжения 220В и защиту элементов стенда от короткого замыкания. Выключатель должен обладать следующими характеристиками:

– количество полюсов: 2;

– рабочее напряжение: 230 В;

– ток срабатывания: 3 А;

– характеристика срабатывания электромагнитного расцепителя: С;

– условия эксплуатации: УХЛ4;

– степень защиты выключателя: IP 20.

2.3 Моноблок должен содержать источник вторичного электропитания, который служит для формирования напряжений вторичного электропитания, необходимого для подачи на вторичные цепи стенда. Источник должен иметь следующие характеристики:

– тип источника …………………………………………………… импульсный;

– напряжение электропитания …………………………………... 220В;

– частота питающего напряжения ……………………………… 50 Гц;

– наличие потенциальной и гальванической развязки между первичной и вторичной цепями источника;

– наличие не менее 3 каналов вторичного напряжения электропитания +5В (ток нагрузки по каналу не менее 3А), +12В (ток нагрузки по каналу не менее 1А), -12В (ток нагрузки по каналу не менее 0,3А);

– встроенная защита от короткого замыкания.

2.4 На лицевой панели должны быть вынесены мнемосхемы не менее чем 8 типовых динамических звеньев первого порядка:

– пропорциональное звено с регулируемым коэффициентом усиления;

– интегратор с регулируемой постоянной времени;

– дифференцирующее звено с регулируемой постоянной времени;

– апериодическое звено с единичным коэффициентом усиления и регулируемой постоянной времени;

– апериодическое звено с регулируемыми коэффициентом усиления и постоянной времени;

– изодромное звено с регулируемыми коэффициентом усиления и постоянной времени;

– реально-дифференцирующее звено с регулируемыми коэффициентом усиления и постоянной времени;

– реально-форсирующее с регулируемыми постоянными времени прямого и обратного канала.

Каждое звено на лицевой панели должно быть представлено в виде прямоугольника с написанной внутри передаточной функцией, на лицевую панель должны быть вынесены клеммы для подачи внешних сигналов на каждое звено и для съема сигналов с выхода каждого звена. Выходы звеньев должны быть защищены от непреднамеренного короткого замыкания с помощью токоограничивающих резисторов, обеспечивающих ток короткого замыкания не более 10 мА.

2.5 На лицевой панели моноблока должно быть наборное поле для исследования различных типов соединений звеньев и замкнутых систем автоматического регулирования. Наборное поле должно позволять собирать системы с последовательным, встречно-параллельным, согласно-параллельным соединением звеньев. Также наборное поле должно содержать не менее 2 сумматоров, обладающих следующими характеристиками:

– количество входов, не менее 2;

– наличие возможности суммирования или вычитания по одному из входов;

– выход сумматора должен быть защищен от непреднамеренного короткого замыкания с помощью токоограничивающих резисторов, обеспечивающих ток короткого замыкания не более 10 мА.

2.6 Моноблок должен содержать микропроцессорный генератор сигналов специальной формы, обладающий следующими характеристиками:

– генерация сигналов прямоугольной, треугольной, синусоидальной формы;

– диапазон частот выходного сигнала генератора, не менее 1…10000 рад/с;

– амплитуда выходного сигнала генератора, не менее 10 В;

– наличие индикатора выходной частоты генератора;

– наличие потенциометра, предназначенного для плавного регулирования амплитуды выходного сигнала генератора;

– наличие переключателя диапазона изменения амплитуды выходного сигнала генератора 1В/10В;

– наличие потенциометра регулирования уровня смещения нуля выходного сигнала генератора в диапазоне 0…10В, а также переключателя выбора полярности смещения.

2.7 Моноблок должен содержать микропроцессорный измеритель частотных характеристик, который должен выделять активную и реактивную составляющие выходного сигнала исследуемого объекта, получающего сигналы с выхода микропроцессорного генератора, встроенного в моноблок.

2.8 Моноблок должен быть оснащен не менее чем одним индикатором напряжения, позволяющим отображать постоянное напряжение в диапазоне ±30В.

 

3.  Емкость лабораторная воздушная должна быть выполнена из органического стекла, объемом не менее 10 л. В емкости должен быть установлен нагреватель, крышка емкости должна быть выполнена из металла и иметь посадочные места для одновременной установки всех изучаемых датчиков.
4.  Контактный датчик температуры

Должен представлять из себя биметаллический термостат с техническими характеристиками, приведенными в табл.

 

Характеристика	Значение
Напряжение коммутируемой цепи, не более, В	~250
Максимальный ток, не более, А	10
Температура срабатывания, °С	50±3
Температура возврата ниже точки настройки °С	37 ± 8;
Переходное сопротивление, не более, Ом	0,05
Электрическая прочность, не менее, В	1500
Сопротивление изоляции, не менее, Мом	50
Степень защиты термоограничителя, не менее	IP4x

 

5. Термопары

В стенде должны быть применены 2 разных термопары: первая с номинальной статической характеристикой ХК, вторая – ХА. Технические характеристики представлены в таблице.

 

Параметр	Значение
Номинальная статическая характеристика	ХК / ХА
Рабочий диапазон измеряемых температур, не менее, °С	-40…+600
Класс допуска, не хуже	2
Исполнение рабочего спая	Изолированное, неизолированное
Показатель тепловой инерции с изолированным рабочим спаем, не более, с	60
Показатель тепловой инерции с неизолированным рабочим спаем, не более, с	10
Сопротивление изоляции, не менее, МОм	100
Степень защиты, не менее	IP54

 

6. Термометры сопротивления

В стенде должны быть применены 3 термометра сопротивления: первый с номинанльой статической характеристикой М50, второй и третий – PT100. Технические характеристики представлены в таблице.

 

Параметр	Значение
Номинальная статическая характеристика	M50 / Pt100
Рабочий диапазон измеряемых температур, не менее, °С	-50…+180
Класс допуска	B
Величина рабочего тока, не более, мА	1
Показатель тепловой инерции, не более, с	30
Минимальная глубина погружения, мм	80
Количество чувствительных элементов	1
Сопротивление изоляции не менее, Мом	100
Степень защиты	IP54

 

 

7. Биметаллический стрелочный термометр

Для визуального контроля температуры в технологической емкости должен использоваться стрелочный биметаллической термометр со следующими техническими характеристиками:

 

Параметр	Значение
Рабочий диапазон измеряемых температур, не менее, °С	0…+120
Класс точности, не более	2,5
Измерительная система	биметаллическая пружина
Постоянная времени, не более, с	30
Степень защиты, не менее	IP43

 

8. Измеритель-регулятор

В лабораторном стенде для проведения экспериментальных исследований должен использоваться промышленный измеритель-регулятор температуры, который удовлетворяет техническим характеристикам, представленным в табл.

 

Количество входов	Не менее 8
Типы входов	Универсальный вход (УВ) для подключения термопар, термосопротивлений, линейных датчиков, пирометров
Время измерения одного канала, не более	0.5 сек
Класс точности, не более	0.25
Разрешение	1°C или 0.1°C (выбирается пользователем)
Типы термопар	ХА(К), ХК(L), ПП(S), ПП(R), ПР(B), МК(Т), ЖК(J), НН(N), ВР(А1), ВР(А2), ВР(А3)
Компенсация холодного спая	автоматическая
Типы термосопротивлений	Pt(W100=1.385), Pt(W100=1.390), Cu(W100=1.428), Cu(W100=1.426), Ni(W100=1.617)
Компенсация сопротивления подводящих проводов	Автоматическая компенсация по трёхпроводной схеме
Измерительный ток, не менее	0.25 мА
Измерение напряжения в диапазоне, не менее	от -5 мВ до 60 мВ
Измерение тока в диапазоне, не менее	от 0 до 20 мА (с внешним шунтом 2 Ом)
Измерение сопротивления в диапазоне, не менее	От 20 до 300 Ом
Масштабируемый вход	от 0 до 60 мВ или от 0 до 20 мА
Поддерживаемые типы пирометров	Пирометр PK15, РС20
Закон регулирования	ПИД, релейное регулирование
Тип интерфейса	RS485
Протокол	Modbus,Термодат
Дополнительные функции	Цифровая фильтрация сигнала, Ручное управление мощностью

 

9. Программируемый логический контроллер

К программируемому контроллеру должны быть подключены выходные сигналы со всех датчиков, сигналы управления. Краткие технические характеристики контроллера представлены в таблице.

 

Параметр	Значение
Потребляемая мощность, не более	12 Вт
Напряжение питания постоянного тока, не более	24 В
Пользовательская память, не менее – Рабочая – Загрузочная – Сохраняемая	50 Кб 2 Мб 2 Кб
Встроенные цифровые входы/выходы, не менее	14 входов/10 выходов
Встроенные аналоговые входы, не менее	2
Величина образа процесса, не менее: – входов – выходов	1024 байта 1024 байта
Битовая память, не менее	8192 байта
Импульсные выходы, не менее	2
Количество прерываний с задержкой и циклических прерываний, не менее	4
Время выполнения булевых операций, не более	0,1 мкс
Время выполнения команд над словами, не более	12 мкс
Время выполнения арифметических команд, не более	18 мкс
Число портов связи, не менее	1
Тип	Ethernet
Максимальная скорость передачи данных, не менее	100 Мбит/с

 

10. Преобразователь интерфейса Modbus-USB

Преобразователь интерфейсов должен позволять передавать данные от измерителя-регулятора в персональный компьютер по интерфейсу USB для дальнейшей обработки. Преобразователь должен соответствовать техническим характеристикам, приведенным в
табл.

 

Параметр	Значение
Преобразуемые интерфейсы	Modbus-USB
Напряжение питания	5 В
Количество подключаемых  устройств/модулей	до 255
Скорость передачи данных, кбод	до 115200

 

11. Персональный компьютер

Обеспечивает сохранение и буферизацию вводимых данных, их обработку и преобразование, вывод на экран дисплея статических характеристик и переходных процессов, а также выдачу управляющих сигналов на элементы и устройства лабораторного стенда.

Характеристики персонального компьютера:

Наименование	Характеристика
Количество ядер процессора, не менее	2
Частота процессора, не менее, ГГц	2,0
Оперативная память, не менее, ГГб	4
Жесткий диск, не менее, Гб	500
Привод компакт-дисков	DVD-RW
Диагональ монитора, не менее, дюймов	18,5
Мышь	оптическая, USB
Клавиатура	USB
Операционная система	предустановленная, возможность изменять параметры настройки системы и межсетевого экрана, повышенная безопасность – шифрование файлов и управление доступом к файлам; русская версия; срок использования – срок действия исключительного права на программы для ЭВМ, способ использования – воспроизведение, ограниченное инсталляцией, запуском и осуществлением любых действий, связанных с функционированием программы.

 

12. SCADA-система

Предустановленное программное обеспечение по  SCADA-системе должно:

– содержать сервер реального времени и графический клиент;

– содержать примеры готовых проектов проведения лабораторных работ;

– обеспечивать возможность применения в АСУТП и в системах телемеханики.

Основные функции SCADA-системы:

– сбор данных в компьютер через встроенные и пользовательские драйверы DDE и OPC;

– первичная обработка информации - масштабирование, контроль границ и т.д.;

– управление технологическим процессом и регулирование по программам, составленным на языках стандарта МЭК 6-1131/3;

– визуализация информации на мнемосхемах и трендах (HMI);

– предоставление HMI-информации клиентам и другим серверам.

 

13. Программное обеспечение (компакт-диск)

Состав:

– программное обеспечение программируемого логического контроллера;

– программное обеспечение SCADA-системы;

– демонстрационные программы для реализации проекта.

 

14.  Комплект силовых кабелей и соединительных проводов

Должен обеспечивать подачу всех необходимых напряжений питания на стенд в целом и к отдельным элементам, а также передачу информационных и управляющих сигналов в системе автоматизации.

 

15. Техническое описание

Техническое описание должно быть выполнено в виде брошюры формата А5 и содержать:

– состав стенда;

– основные технические характеристики стенда в целом;

– схему подключения питания стенда, модулей и элементов стенда;

– основные технические характеристики элементов стенда.

 

16. Методические указания к проведению лабораторных работ

Методические указания должны содержать краткие теоретические знания по рассматриваемым разделам курса, описание лабораторных работ, а также порядок подключения и работы со стендом. Методические указания должны быть поставлено в бумажном виде в виде брошюры формата А5.

 

Перечень лабораторных работ по курсу «Автоматизация технологических процессов»:

1. Исследование датчиков температуры:

– изучение характеристик термопар;

– изучение характеристик термометров сопротивления.

2. Исследование систем регулирования температуры:

– на основе измерителя-регулятора;

– двухпозиционное регулирование;

– изучение ПИД-регулирования.

3. Изучение программируемого логического контроллера:

– создание простейших программ на языке лестничных диаграмм;

– применение таймеров;

– применение счетчиков.

4. Основы работы со SCADA – системой:

– изучение графических средств управления и индикации среды разработки;

– изучение принципов связи с устройствами сопряжения с объектом.

 

Перечень лабораторных работ по курсу «Основы теории автоматического управления»:

1. Исследование характеристик типовых динамических звеньев.

2. Синтез систем с последовательным соединением звеньев.

3. Синтез систем с согласно-параллельным соединением звеньев.

4. Синтез систем со встречно-параллельным соединением звеньев.

5. Последовательная коррекция систем автоматического управления.

6. Встречно-параллельная коррекция систем автоматического управления.

7. Согласно-параллельная коррекция систем автоматического управления.

8. Исследование простейшей электромеханической системы.