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现场总线控制系统设计方案

1．现场总线控制系统的组成与认识

一、系统简介

THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置是基于PROFIBUS和工业以太网通信协议，在传统过

程控制实验装置的基础上升级而成的新一代现场总线控制系统。

整个实验装置分为控制系统和控制对象两部分，控制系统结构图如图1-1所示：

图1-1控制系统结构图

控制对象总貌图如图1-2所示。

二、系统组成

实验装置对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉(由不锈钢锅炉内

胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、纯滞后盘管等组成。在实验屏的下面布置有储水箱和两套供

水系统。

两路独立的供水系统（主副回路），分别由两只独立的水泵驱动供水，主回路采用现场总线

仪表，副回路采用常规仪表。主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流

量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器、温度传感器等。管路系统采用快速连接管道，可

以自由拆装组合，管路中设置了电磁阀，可以实现手自动切换。在调节阀的旁路设计有旁路阀。

图1-2控制对象总貌图

1.被控对象

（1）水箱

包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。有机玻璃工作

水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录

结果。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。除此之外，储水箱还

设计了液位报警保护系统，以免水泵空转而影响水泵的使用寿命。

(2)加温锅炉及盘管

不锈钢加温锅炉，包括加热层（加温内筒）和冷却层（冷却夹套），均由不锈钢精制而成，

可利用它进行温度实验。模拟工业现场的管道输送和滞后环节的纯滞后盘管，为了确保大滞后时

间常数，设计长度达20多米，管径为15mm。

2.检测装置

压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的压力传感器和工业用的扩散

硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂

移跟随补偿。压力传感器用来对上、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，

故工作时需串接24V直流电源。

温度传感器：本装置采用五个Pt100传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的

水温。五个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通信

协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外四路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成

4～20mADC电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量

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进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m/h，精度：1.0%。输出：4～20mA

标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，

调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3.执行机构

调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的

调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由

CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常

方便。

变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通信接口模块的变频器，其输入电压为单相

AC220V，输出为三相AC220V。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。

泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只

为三相变频220V输出驱动。

可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。

输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号