過程控制工程 試驗(yàn)裝置介紹

1、實(shí)驗(yàn)裝置介紹過程控制系統(tǒng)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置一般可分為兩類，一類為物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，一類為半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)裝置。課程中各種實(shí)驗(yàn)都可以在這兩類裝置上實(shí)現(xiàn)。一、物理模型實(shí)驗(yàn)裝置這一類實(shí)驗(yàn)裝置是由真實(shí)的物理模型實(shí)現(xiàn)的。其優(yōu)點(diǎn)是裝置中有真實(shí)的流體（清潔的水）流動，采用真實(shí)的測量裝置和真實(shí)的控制閥?？山o學(xué)生非常真實(shí)的感官印象。一般都采用清潔的循環(huán)水作為工藝介質(zhì)，所以工藝參數(shù)只有液位和流量。有些實(shí)驗(yàn)裝置還有電加熱設(shè)備，增加了溫度參數(shù)。這一類實(shí)驗(yàn)裝置的不足是參數(shù)比較單一，有一定的非線性。具有加熱功能的裝置，會隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行循環(huán)水溫度會逐漸增高，這會造成溫度控制不理想。下面是使用比較的幾種物理模型實(shí)驗(yàn)裝置1普及型控制

2、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置下面是一種比較典型的普及型控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由北京化工大學(xué)信息學(xué)院自動化系自行研制。實(shí)驗(yàn)裝置兩部分組成：其一是包括測量變送器和控制閥在內(nèi)的工藝設(shè)備；其二是作為控制工具計算機(jī)。裝置上共測量四個參數(shù)：上水槽液位、下水槽液位、流量1和流量2。變送器的420mA信號接到信號調(diào)理板上，經(jīng)過調(diào)理后的電壓信號通過專用電纜連接到插在計算內(nèi)的A/D+D/A板上。系統(tǒng)用儀表的電源、D/A電源、計算機(jī)電源、水泵的按鈕開關(guān)、信號燈等設(shè)備都集成、組裝在一個控制箱。圖F41所示是自動化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的物理模型實(shí)驗(yàn)裝置。圖F42所示為工藝設(shè)備原理圖。圖中有三只水槽，槽1、槽2為被控對象，它們的液位高度L1及L

3、2分別通過兩臺差壓變送器測出。槽3為儲槽，是為了構(gòu)成水得循環(huán)而設(shè)置得。儲槽3中的水通過水泵1或2抽出，經(jīng)過孔板和控制閥后送入槽1或槽2(視手動閥1、 2、3、4的開閉而定)，兩路水管中的水流量大小分 別通過各自的差壓變送器（與孔板配合）測出。槽1中的水通過線性化流出口流入槽2，槽2中的水又通過其自身的線性化流出口流回到儲槽3中。這樣對水來說，始終處于循環(huán)狀態(tài)。圖F41 物理模型實(shí)驗(yàn)裝置圖本裝置除比值實(shí)驗(yàn)外，一般情況下Fl所在的管道為主物料管道，F(xiàn)2管線則作為加干擾用。計算機(jī)為控制工具的實(shí)驗(yàn)裝置，其工作平臺為Windows2000，控制軟件采用VB編制而成。下面簡要介紹其工作過程。（1）進(jìn)入實(shí)驗(yàn)

4、過程首先在桌面上雙擊該軟件的圖標(biāo)進(jìn)入到該軟件的主畫面。該畫面中共有六各項目，分別為登錄注冊、進(jìn)入實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)簡介、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、歷史數(shù)據(jù)查詢和退出系統(tǒng)。首先需要進(jìn)行登錄注冊。點(diǎn)擊“登錄注冊”圖標(biāo)之后出現(xiàn)登錄注冊畫面，該畫面中所要登錄的內(nèi)容為班級、組號、實(shí)驗(yàn)名稱和密碼。指定這些內(nèi)容之后，計算機(jī)會自動生成一個數(shù)據(jù)庫文件，文件名稱為班級和組號的組合。之后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將保存在這個數(shù)據(jù)庫文件中。需要注意的是：必需指定這些登錄內(nèi)容，否則不能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)；不得指定與本班級與組號相異的內(nèi)容，否則可能會沖掉其他班級組號的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。登錄成功之后出現(xiàn)初始化畫面。初始化結(jié)束之后回到主畫面，在該畫面上點(diǎn)擊“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)”圖標(biāo)進(jìn)入選擇實(shí)

5、驗(yàn)畫面，在該畫面上選擇響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。圖F43物理模型實(shí)驗(yàn)裝置主畫面完成上面的步驟之后，CRT上顯示出“控制實(shí)驗(yàn)主界面”，在畫面上顯示出控制流程圖，該圖與圖F43相似。首先在“實(shí)驗(yàn)操作”下拉菜單中選擇“系統(tǒng)組態(tài)”選項進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。所選定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同，所呈現(xiàn)的組態(tài)畫面不同。組態(tài)畫面上所要做的主要工作是指定被控參數(shù)（L1、L2、F1、F2）、控制變量（F1、F2）、控制器生成與指定控制器參數(shù)及控制器操作狀態(tài)。指定這些內(nèi)容之后，在“運(yùn)行控制”下拉菜單中選擇“運(yùn)行”項，然后點(diǎn)按“確認(rèn)”按鈕。系統(tǒng)組態(tài)結(jié)束之后，屏幕上出現(xiàn)數(shù)字記錄器畫面。該記錄器最多可記錄6條曲線。首先選擇曲線數(shù)量，指定曲線所記錄的內(nèi)容

6、，然后在“運(yùn)行”下拉菜單中選擇“運(yùn)行”選項?；氐健翱刂茖?shí)驗(yàn)主界面”上，點(diǎn)按啟動水泵按鈕，然后再點(diǎn)按右下方的啟動按鈕。此時系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)。（2）退出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在“控制實(shí)驗(yàn)主界面”畫面上，在“控制器選擇”下拉菜單上選擇相應(yīng)的控制器，關(guān)閉該控制器。如果系統(tǒng)有多個控制器則需要一一關(guān)閉。然后在分別關(guān)閉“組態(tài)畫面”、“控制實(shí)驗(yàn)主界面”，再在主畫面上點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”圖標(biāo)。（3）拷貝出數(shù)據(jù)庫文件，根據(jù)數(shù)據(jù)庫文件中的數(shù)據(jù)整理實(shí)驗(yàn)報告。2高級過程控制實(shí)驗(yàn)裝置（一）“天煌教儀”公司的THJ2高級過程控制實(shí)驗(yàn)裝置下面圖圖F43是杭州的“天煌教儀”公司的THJ2高級過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的圖片。圖F43高級過程控制實(shí)驗(yàn)裝置圖

7、F44是其流程圖。圖F44 THJ2高級過程控制實(shí)驗(yàn)裝置流程圖該實(shí)驗(yàn)裝置由被控對象、智能儀表控制臺、上位監(jiān)控計算機(jī)組成。被控對象包括有：不銹鋼儲水槽；上、中、下三個有機(jī)玻璃水槽；帶有三相45KW電加熱棒的熱水鍋爐和鋁塑盤管。一套流體輸送系統(tǒng)包括：380VAC不銹鋼磁力泵、電動控制閥、直流電磁閥、渦流量計；另一套流體輸送系統(tǒng)包括：三菱變頻器、220 VAC不銹鋼磁力泵、渦流量計。裝置上的檢測裝置包括：1） 壓力變送器三個：檢測上、中、下三個有機(jī)玻璃水槽液位；2） 渦流流量計三個：檢測兩條流體輸送管路流量和盤管流量；3） 熱電阻六個：檢測鍋爐內(nèi)溫度、鍋爐夾套溫度、盤管三點(diǎn)溫度、上水箱出口溫度；裝置

8、上的執(zhí)行器及控制裝置：1） 三相可控硅調(diào)壓裝置一個；2） 電磁閥一個；3） 電動控制閥一個；4） 變頻器一個；該裝置既可利用控制臺上的儀表獨(dú)立做實(shí)驗(yàn)，也可通過電纜將信號送到其他控制裝置，例如DCS、FCS、PLC等，通過組態(tài)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。我們的過程控制實(shí)驗(yàn)室采用的是橫河公司的CS3000系統(tǒng)，下面圖F45是CS3000集散的現(xiàn)場控制站和工程師站。圖F45橫河公司CS3000集散系統(tǒng)（二）浙江“浙江求是科教設(shè)備有限公司” PCT系列過程控制實(shí)驗(yàn)裝置PCT系列過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對象，它集自動化儀表技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)， 通訊技術(shù),自動控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)包括流量、壓

9、力、溫度、液位等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、前饋控制、比值控制等多種控制形式。圖F46 PCTII過程控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置過程控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置由被控對象和控制系統(tǒng)兩部分組成。整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：通過被控對象與控制系統(tǒng)，可以完成本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。采用工程實(shí)際中使用的元器件。如采用進(jìn)口的電動調(diào)節(jié)閥；上海華光的電磁流量計；三菱的變頻器；上海萬訊的智能調(diào)節(jié)器；臺灣威達(dá)的數(shù)據(jù)采集模塊等，使學(xué)生對以后工作中所能遇到的元器件有一定的了解，增強(qiáng)學(xué)生的工作適應(yīng)能力。實(shí)驗(yàn)對象的參數(shù)選取合理，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、被控單元之間的參數(shù)配置典型，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)項目

10、的設(shè)置齊全，從單回路控制實(shí)驗(yàn)、串接控制實(shí)驗(yàn)到解耦控制實(shí)驗(yàn)、純滯后系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、變比值實(shí)驗(yàn)。內(nèi)容包含了工程應(yīng)用中大部分控制系統(tǒng)，使學(xué)生了解控制工程中控制系統(tǒng)的組成、檢測與傳感裝置的應(yīng)用、掌握常用的調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)方法。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用了遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)模塊、PLC控制方式和DCS控制方式， 向用戶提供了自動化領(lǐng)域最新的技術(shù)與裝備，學(xué)?？梢詫?shí)驗(yàn)裝置用于研究生教學(xué)和教師科研。二、半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)裝置隨著信息技術(shù)及計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速進(jìn)步，仿真建模理論及方法取得了應(yīng)用性突破。當(dāng)代仿真建模技術(shù)已經(jīng)能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)方法構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)模型，已經(jīng)能夠高逼真度模擬復(fù)雜的過程系統(tǒng)。多功能過程與控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由小型流程設(shè)備盤臺

11、、數(shù)字式軟儀表與接口硬件、系統(tǒng)監(jiān)控軟件及過程模型軟件四部分組成。四部分通過小型實(shí)時數(shù)據(jù)庫、實(shí)時數(shù)字通信協(xié)調(diào)運(yùn)行，完成復(fù)雜的半實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)。圖F47 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)裝置1小型流程設(shè)備盤臺見圖F44所示，在鋼制的盤臺上安裝著由不銹鋼制的比例縮小的流程設(shè)備模型。主設(shè)備包括：一臺臥式儲罐（D-101）、兩臺高位計量罐（D-102、D-103）、一臺帶攪拌器的釜式反應(yīng)器（T-104）、一臺列管式熱交換器（E-105）、三臺離心泵（P-106、P-107、P-108）、十個手動/自動雙效閥門和若干管路系統(tǒng)。在垂直的儀表盤面上分布有壓力（P）、流量（F）、溫度（T）、物位（L）、功率（N）、組成（A）和閥位

12、（V）等傳感器插孔和數(shù)字式軟儀表。本盤臺是學(xué)生直接操作和運(yùn)行過程系統(tǒng)的環(huán)境。本環(huán)境給學(xué)生以全真實(shí)的空間位置感覺、全真實(shí)的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺。由于真實(shí)過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無法直接觀察的，必須通過儀表檢測，因此，本系統(tǒng)和真實(shí)系統(tǒng)的觀測界面完全一致。圖F48 多功能過程與控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程部分2動態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件動態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件運(yùn)用動態(tài)定量仿真模型，模擬真實(shí)工藝流程，并提供各變量當(dāng)前值。具體分為以下流程的動態(tài)仿真模型：（1） 離心泵及特性動態(tài)仿真模型（2） 三級液位及傳熱動態(tài)仿真模型（3） 壓力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型（4） 溶液濃度值配制動態(tài)仿真模型（5） 熱

13、交換器過程動態(tài)仿真模型（6） 間歇反應(yīng)動態(tài)仿真模型 （7） 連續(xù)反應(yīng)（CSTR）動態(tài)仿真模型（8）小型全流程動態(tài)仿真模型為了進(jìn)行復(fù)雜的控制實(shí)驗(yàn)，除了過程模型外還特別開發(fā)了常用控制算法模塊庫，例如，PID控制器，傳遞函數(shù)、外作用函數(shù)、限幅器、算術(shù)運(yùn)算器、選擇器、繼電器特性、隨機(jī)信號器等，可以方便地通過“軟連接”構(gòu)造多種多樣的控制系統(tǒng)。配合小型專用實(shí)時數(shù)據(jù)庫及高速模型計算技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的動態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件能夠在監(jiān)控軟件的控制下完成過程系統(tǒng)的仿真計算。3控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件為了便于學(xué)生（教師）靈活地設(shè)計組合多種多樣的控制方案，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供自行開發(fā)的、專用的控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件。能夠在計算機(jī)“桌面

14、”上通過圖形軟連接、在“菜單”提示下填寫參數(shù)和數(shù)據(jù)等方法完成控制系統(tǒng)組態(tài)。這種組態(tài)方法與集散型控制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)完全相同，因此，比教學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的進(jìn)口軟件MATLAB更直觀、更簡明、更符合工業(yè)級設(shè)計的要求。當(dāng)然，（如果需要的話）本軟件也能與MATLAB軟件相連接。控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件提供以下具體功能：（1） 提供常見的PID控制算法，允許學(xué)生配置參數(shù)（2） 控制方案的設(shè)計。允許學(xué)生自行設(shè)計控制方案，包括控制與被控制變量的選擇、算法的選擇以及復(fù)雜控制實(shí)驗(yàn)等。（3） 控制算法組態(tài)。提供兩種方式的控制算法組態(tài)：提供圖形化控制算法組態(tài)工具，使學(xué)生可以對傳遞函數(shù)進(jìn)行自定義; 提供標(biāo)準(zhǔn)DLL工程，將學(xué)

15、生用其它計算機(jī)語言所寫的控制算法動態(tài)鏈接到當(dāng)前控制回路中。（4） 信號發(fā)生器組態(tài)。提供常用的信號發(fā)生器，對當(dāng)前的現(xiàn)場信號進(jìn)行疊加。（5） 信號輸出組態(tài)。提供信號輸出顯示、歷史趨勢記錄、文件保存等功能，以進(jìn)行信號后處理。為了方便使用，控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件具有錯誤組態(tài)方案的自診斷功能。當(dāng)組態(tài)的方案不合理時，軟件能給出提示。此外，還具有智能化自動排序功能。本軟件采用深層知識“專家系統(tǒng)”推理方法，對組態(tài)生成的控制系統(tǒng)計算順序進(jìn)行優(yōu)化排序，能夠保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。4實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控軟件 盤臺上的所有操作和顯示變量都能由軟件控制，可以在瞬間設(shè)定新的狀態(tài)，我們稱其為狀態(tài)“全恢復(fù)”功能。本功能是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一大特

16、色，利用本特點(diǎn)可以任意設(shè)定干擾、故障狀態(tài)或某一特定狀態(tài)、重演過去記錄的狀態(tài)及某時間段落的變化狀態(tài)等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控軟件對每一項實(shí)驗(yàn)提供工程管理，便于學(xué)生選擇不同的實(shí)驗(yàn)，以及對當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行管理。具體分為以下功能：（1）實(shí)驗(yàn)開始、暫停、恢復(fù)及自檢驗(yàn)功能（2）實(shí)驗(yàn)項目切換（3）實(shí)驗(yàn)項目當(dāng)前狀態(tài)（又稱為“快照”）存儲（4）參數(shù)運(yùn)行時的動態(tài)改變（5）多畫面切換5系統(tǒng)硬件功能（1）傳感器信號（420mA）輸出及控制閥信號（420mA）輸入?？梢酝饨覦CS控制系統(tǒng)、PLC控制器、或其他具有420mA標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號的控制設(shè)備。對于傳感器信號輸出及控制閥信號輸入可疊加干擾信號，以便模擬非正常工況。（2）硬件組態(tài)功

17、能。在液晶顯示器上彩色顯示15個數(shù)據(jù)單元（5個棒圖顯示和10個數(shù)碼顯示），每個顯示單元都有一個數(shù)據(jù)輸入插孔。另外在設(shè)備和管道上布置了幾十個數(shù)據(jù)輸出插孔。通過導(dǎo)線連接數(shù)據(jù)輸入插孔和數(shù)據(jù)輸出插孔，則完成了對顯示單元顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容的確定。5個自動閥控制輸出插孔，可以連接任意的閥門控制輸入插孔。連接后該閥門設(shè)定為自動閥（此時手動操作不能改變閥位）。（3）硬件單元的自摘除功能。在本系統(tǒng)上可以完成規(guī)模不同的試驗(yàn)，每次進(jìn)行試驗(yàn)的過程中投入使用的設(shè)備種類和數(shù)量可以通過組態(tài)軟件定義。沒有通過組態(tài)軟件定義的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該設(shè)備在試驗(yàn)進(jìn)行的過程中不投入使用。沒有通過硬件組態(tài)定義的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)不顯示，同時也不能輸出模擬信號。沒有通過組態(tài)軟件定義的閥門不投入使用。系統(tǒng)運(yùn)行的過程中發(fā)生故障的硬件單元自動退出運(yùn)行，不影響其它硬件單元的正常工作。（4）自動/手動可定義的雙效閥門。所有投入使用的閥門如果沒有連接控制信號輸出插孔，則自動設(shè)定為手動閥門，因此，所有盤臺上的閥門都是自動/手動可定義的雙