過(guò)程控制工程試驗(yàn)裝置介紹

/試驗(yàn)裝置介紹過(guò)程限制系統(tǒng)所接受的試驗(yàn)裝置一般可分為兩類，一類為物理模型試驗(yàn)裝置，一類為半實(shí)物仿真試驗(yàn)裝置。課程中各種試驗(yàn)都可以在這兩類裝置上實(shí)現(xiàn)。一、物理模型試驗(yàn)裝置這一類試驗(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）流淌，接受真實(shí)的測(cè)量裝置和真實(shí)的限制閥?？山o學(xué)生特殊真實(shí)的感官印象。一般都接受清潔的循環(huán)水作為工藝介質(zhì)，所以工藝參數(shù)只有液位和流量。有些試驗(yàn)裝置還有電加熱設(shè)備，增加了溫度參數(shù)。這一類試驗(yàn)裝置的不足是參數(shù)比較單一，有確定的非線性。具有加熱功能的裝置，會(huì)隨試驗(yàn)的進(jìn)行循環(huán)水溫度會(huì)慢慢增高，這會(huì)造成溫度限制不志向。下面是運(yùn)用比較的幾種物理模型試驗(yàn)裝置1．普及型限制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置下面是一種比較典型的普及型限制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。該裝置由北京化工高校信息學(xué)院自動(dòng)化系自行研制。試驗(yàn)裝置兩部分組成：其一是包括測(cè)量變送器和限制閥在內(nèi)的工藝設(shè)備；其二是作為限制工具計(jì)算機(jī)。裝置上共測(cè)量四個(gè)參數(shù)：上水槽液位、下水槽液位、流量1和流量2。變送器的4~20mA信號(hào)接到信號(hào)調(diào)理板上，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電壓信號(hào)通過(guò)專用電纜連接到插在計(jì)算內(nèi)的A/D+D/A板上。系統(tǒng)用儀表的電源、D/A電源、計(jì)算機(jī)電源、水泵的按鈕開關(guān)、信號(hào)燈等設(shè)備都集成、組裝在一個(gè)限制箱。圖F．41所示是自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)室的物理模型試驗(yàn)裝置。圖F．42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(duì)象，它們的液位高度L1及L2分別通過(guò)兩臺(tái)差壓變送器測(cè)出。槽3為儲(chǔ)槽，是為了構(gòu)成水得循環(huán)而設(shè)置得。儲(chǔ)槽3中的水通過(guò)水泵1或2抽出，經(jīng)過(guò)孔板和限制閥后送入槽1或槽2(視手動(dòng)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(guò)各自的差壓變送器（和孔板協(xié)作）測(cè)出。槽1中的水通過(guò)線性化流出口流入槽2，槽2中的水又通過(guò)其自身的線性化流出口流回到儲(chǔ)槽3中。這樣對(duì)水來(lái)說(shuō)，始終處于循環(huán)狀態(tài)。圖F．41物理模型試驗(yàn)裝置圖本裝置除比值試驗(yàn)外，一般狀況下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(jì)算機(jī)為限制工具的試驗(yàn)裝置，其工作平臺(tái)為Windows2000，限制軟件接受VB編制而成。下面簡(jiǎn)要介紹其工作過(guò)程。（1）進(jìn)入試驗(yàn)過(guò)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(xiàng)目，分別為登錄注冊(cè)、進(jìn)入試驗(yàn)、系統(tǒng)簡(jiǎn)介、試驗(yàn)指導(dǎo)、歷史數(shù)據(jù)查詢和退出系統(tǒng)。首先須要進(jìn)行登錄注冊(cè)。點(diǎn)擊“登錄注冊(cè)”圖標(biāo)之后出現(xiàn)登錄注冊(cè)畫面，該畫面中所要登錄的內(nèi)容為班級(jí)、組號(hào)、試驗(yàn)名稱和密碼。指定這些內(nèi)容之后，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，文件名稱為班級(jí)和組號(hào)的組合。之后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將保存在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中。須要留意的是：必需指定這些登錄內(nèi)容，否則不能進(jìn)入試驗(yàn)；不得指定和本班級(jí)和組號(hào)相異的內(nèi)容，否則可能會(huì)沖掉其他班級(jí)組號(hào)的試驗(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)入試驗(yàn)”圖標(biāo)進(jìn)入選擇試驗(yàn)畫面，在該畫面上選擇響應(yīng)的試驗(yàn)內(nèi)容。圖F．43物理模型試驗(yàn)裝置主畫面完成上面的步驟之后，CRT上顯示出“限制試驗(yàn)主界面”，在畫面上顯示出限制流程圖，該圖和圖F．43相像。首先在“試驗(yàn)操作”下拉菜單中選擇“系統(tǒng)組態(tài)”選項(xiàng)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。所選定的試驗(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）、限制變量（F1、F2）、限制器生成和指定限制器參數(shù)及限制器操作狀態(tài)。指定這些內(nèi)容之后，在“運(yùn)行限制”下拉菜單中選擇“運(yùn)行”項(xiàng)，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，然后在“運(yùn)行”下拉菜單中選擇“運(yùn)行”選項(xiàng)?；氐健跋拗圃囼?yàn)主界面”上，點(diǎn)按啟動(dòng)水泵按鈕，然后再點(diǎn)按右下方的啟動(dòng)按鈕。此時(shí)系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)。（2）退出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在“限制試驗(yàn)主界面”畫面上，在“限制器選擇”下拉菜單上選擇相應(yīng)的限制器，關(guān)閉該限制器。假如系統(tǒng)有多個(gè)限制器則須要一一關(guān)閉。然后在分別關(guān)閉“組態(tài)畫面”、“限制試驗(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(kù)文件，依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中的數(shù)據(jù)整理試驗(yàn)報(bào)告。2．高級(jí)過(guò)程限制試驗(yàn)裝置（一）“天煌教儀”公司的THJ—2高級(jí)過(guò)程限制試驗(yàn)裝置下面圖圖F．43是杭州的“天煌教儀”公司的THJ—2高級(jí)過(guò)程限制試驗(yàn)裝置的圖片。圖F．43高級(jí)過(guò)程限制試驗(yàn)裝置圖F．44是其流程圖。圖F．44THJ—2高級(jí)過(guò)程限制試驗(yàn)裝置流程圖該試驗(yàn)裝置由被控對(duì)象、智能儀表限制臺(tái)、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。被控對(duì)象包括有：不銹鋼儲(chǔ)水槽；上、中、下三個(gè)有機(jī)玻璃水槽；帶有三相4．5KW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(dòng)限制閥、直流電磁閥、渦流量計(jì)；另一套流體輸送系統(tǒng)包括：三菱變頻器、220VAC不銹鋼磁力泵、渦流量計(jì)。裝置上的檢測(cè)裝置包括：壓力變送器三個(gè)：檢測(cè)上、中、下三個(gè)有機(jī)玻璃水槽液位；渦流流量計(jì)三個(gè)：檢測(cè)兩條流體輸送管路流量和盤管流量；熱電阻六個(gè)：檢測(cè)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；裝置上的執(zhí)行器及限制裝置：三相可控硅調(diào)壓裝置一個(gè)；電磁閥一個(gè)；電動(dòng)限制閥一個(gè)；變頻器一個(gè)；該裝置既可利用限制臺(tái)上的儀表獨(dú)立做試驗(yàn)，也可通過(guò)電纜將信號(hào)送到其他限制裝置，例如DCS、FCS、PLC等，通過(guò)組態(tài)進(jìn)行各種試驗(yàn)。我們的過(guò)程限制試驗(yàn)室接受的是橫河公司的CS—3000系統(tǒng)，下面圖F．45是CS—3000集散的現(xiàn)場(chǎng)限制站和工程師站。圖F．45橫河公司CS—3000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(guò)程限制試驗(yàn)裝置PCT系列過(guò)程限制試驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過(guò)程物理模擬對(duì)象，它集自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù),自動(dòng)限制技術(shù)為一體的多功能試驗(yàn)裝置。系統(tǒng)包括流量、壓力、溫度、液位等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路限制、串級(jí)限制、前饋限制、比值限制等多種限制形式。圖F．46PCT—II過(guò)程限制系統(tǒng)教學(xué)試驗(yàn)裝置過(guò)程限制系統(tǒng)教學(xué)試驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和限制系統(tǒng)兩部分組成。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：通過(guò)被控對(duì)象和限制系統(tǒng)，可以完成本科教學(xué)的試驗(yàn)內(nèi)容。接受工程實(shí)際中運(yùn)用的元器件。如接受進(jìn)口的電動(dòng)調(diào)整閥；上海華光的電磁流量計(jì)；三菱的變頻器；上海萬(wàn)訊的智能調(diào)整器；臺(tái)灣威達(dá)的數(shù)據(jù)采集模塊等，使學(xué)生對(duì)以后工作中所能遇到的元器件有確定的了解，增加學(xué)生的工作適應(yīng)實(shí)力。試驗(yàn)對(duì)象的參數(shù)選取合理，試驗(yàn)中調(diào)整器、執(zhí)行器、被控單元之間的參數(shù)配置典型，試驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。

試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置齊全，從單回路限制試驗(yàn)、串接限制試驗(yàn)到解耦限制試驗(yàn)、純滯后系統(tǒng)試驗(yàn)、變比值試驗(yàn)。內(nèi)容包含了工程應(yīng)用中大部分限制系統(tǒng)，使學(xué)生了解限制工程中限制系統(tǒng)的組成、檢測(cè)和傳感裝置的應(yīng)用、駕馭常用的調(diào)整規(guī)律和調(diào)整方法。

在試驗(yàn)系統(tǒng)中，接受了遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)模塊、PLC限制方式和DCS限制方式，向用戶供應(yīng)了自動(dòng)化領(lǐng)域最新的技術(shù)和裝備，學(xué)?？梢詫⒃囼?yàn)裝置用于探討生教學(xué)和老師科研。二、半實(shí)物仿真試驗(yàn)裝置隨著信息技術(shù)及計(jì)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)造困難系統(tǒng)模型，已經(jīng)能夠高逼真度模擬困難的過(guò)程系統(tǒng)。多功能過(guò)程和限制仿真試驗(yàn)系統(tǒng)由小型流程設(shè)備盤臺(tái)、數(shù)字式軟儀表和接口硬件、系統(tǒng)監(jiān)控軟件及過(guò)程模型軟件四部分組成。四部分通過(guò)小型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)字通信協(xié)調(diào)運(yùn)行，完成困難的半實(shí)物模擬試驗(yàn)。圖F．47半實(shí)物仿真試驗(yàn)裝置1．小型流程設(shè)備盤臺(tái)見(jiàn)圖F．44所示，在鋼制的盤臺(tái)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(tái)臥式儲(chǔ)罐（D-101）、兩臺(tái)高位計(jì)量罐（D-102、D-103）、一臺(tái)帶攪拌器的釜式反應(yīng)器（T-104）、一臺(tái)列管式熱交換器（E-105）、三臺(tái)離心泵（P-106、P-107、P-108）、十個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)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（V）等傳感器插孔和數(shù)字式軟儀表。本盤臺(tái)是學(xué)生干脆操作和運(yùn)行過(guò)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(jué)、全真實(shí)的操作力度感覺(jué)和過(guò)程變更的時(shí)間特性感覺(jué)。由于真實(shí)過(guò)程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無(wú)法干脆視察的，必需通過(guò)儀表檢測(cè)，因此，本系統(tǒng)和真實(shí)系統(tǒng)的觀測(cè)界面完全一樣。圖F．48多功能過(guò)程和限制仿真試驗(yàn)系統(tǒng)流程部分2．動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件運(yùn)用動(dòng)態(tài)定量仿真模型，模擬真實(shí)工藝流程，并供應(yīng)各變量當(dāng)前值。具體分為以下流程的動(dòng)態(tài)仿真模型：（1）離心泵及特性動(dòng)態(tài)仿真模型（2）三級(jí)液位及傳熱動(dòng)態(tài)仿真模型（3）壓力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型（4）溶液濃度值配制動(dòng)態(tài)仿真模型（5）熱交換器過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真模型（6）間歇反應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真模型（7）連續(xù)反應(yīng)（CSTR）動(dòng)態(tài)仿真模型（8）小型全流程動(dòng)態(tài)仿真模型為了進(jìn)行困難的限制試驗(yàn)，除了過(guò)程模型外還特殊開發(fā)了常用限制算法模塊庫(kù)，例如，PID限制器，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(hào)器等，可以便利地通過(guò)“軟連接”構(gòu)造多種多樣的限制系統(tǒng)。協(xié)作小型專用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及高速模型計(jì)算技術(shù)，本試驗(yàn)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件能夠在監(jiān)控軟件的限制下完成過(guò)程系統(tǒng)的仿真計(jì)算。3．限制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件為了便于學(xué)生（老師）靈敏地設(shè)計(jì)組合多種多樣的限制方案，本試驗(yàn)系統(tǒng)供應(yīng)自行開發(fā)的、專用的限制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件。能夠在計(jì)算機(jī)“桌面”上通過(guò)圖形軟連接、在“菜單”提示下填寫參數(shù)和數(shù)據(jù)等方法完成限制系統(tǒng)組態(tài)。這種組態(tài)方法和集散型限制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)完全相同，因此，比教學(xué)試驗(yàn)中常用的進(jìn)口軟件MATLAB更直觀、更簡(jiǎn)明、更符合工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)然，（假如須要的話）本軟件也能和MATLAB軟件相連接。限制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件供應(yīng)以下具體功能：供應(yīng)常見(jiàn)的PID限制算法，允許學(xué)生配置參數(shù)限制方案的設(shè)計(jì)。允許學(xué)生自行設(shè)計(jì)限制方案，包括限制和被限制變量的選擇、算法的選擇以及困難限制試驗(yàn)等。限制算法組態(tài)。供應(yīng)兩種方式的限制算法組態(tài)：供應(yīng)圖形化限制算法組態(tài)工具，使學(xué)生可以對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行自定義;供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)DLL工程，將學(xué)生用其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言所寫的限制算法動(dòng)態(tài)鏈接到當(dāng)前限制回路中。信號(hào)發(fā)生器組態(tài)。供應(yīng)常用的信號(hào)發(fā)生器，對(duì)當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行疊加。信號(hào)輸出組態(tài)。供應(yīng)信號(hào)輸出顯示、歷史趨勢(shì)記錄、文件保存等功能，以進(jìn)行信號(hào)后處理。為了便利運(yùn)用，限制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件具有錯(cuò)誤組態(tài)方案的自診斷功能。當(dāng)組態(tài)的方案不合理時(shí)，軟件能給出提示。此外，還具有智能化自動(dòng)排序功能。本軟件接受深層學(xué)問(wèn)“專家系統(tǒng)”推理方法，對(duì)組態(tài)生成的限制系統(tǒng)計(jì)算依次進(jìn)行優(yōu)化排序，能夠保證計(jì)算結(jié)果的精確性。4．試驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控軟件盤臺(tái)上的全部操作和顯示變量都能由軟件限制，可以在瞬間設(shè)定新的狀態(tài)，我們稱其為狀態(tài)“全復(fù)原”功能。本功能是試驗(yàn)系統(tǒng)的一大特色，利用本特點(diǎn)可以隨意設(shè)定干擾、故障狀態(tài)或某一特定狀態(tài)、重演過(guò)去記錄的狀態(tài)及某時(shí)間段落的變更狀態(tài)等。試驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控軟件對(duì)每一項(xiàng)試驗(yàn)供應(yīng)工程管理，便于學(xué)生選擇不同的試驗(yàn)，以及對(duì)當(dāng)前的試驗(yàn)進(jìn)行管理。具體分為以下功能：（1）試驗(yàn)起先、暫停、復(fù)原及自檢驗(yàn)功能（2）試驗(yàn)項(xiàng)目切換（3）試驗(yàn)項(xiàng)目當(dāng)前狀態(tài)（又稱為“快照”）存儲(chǔ)（4）參數(shù)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)變更（5）多畫面切換5．系統(tǒng)硬件功能（1）傳感器信號(hào)（4～20mA）輸出及限制閥信號(hào)（4～20mA）輸入?？梢酝饨覦CS限制系統(tǒng)、PLC限制器、或其他具有4～20mA標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)的限制設(shè)備。對(duì)于傳感器信號(hào)輸出及限制閥信號(hào)輸入可疊加干擾信號(hào)，以便模擬非正常工況。（2）硬件組態(tài)功能。在液晶顯示器上彩色顯示15個(gè)數(shù)據(jù)單元（5個(gè)棒圖顯示和10個(gè)數(shù)碼顯示），每個(gè)顯示單元都有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入插孔。另外在設(shè)備和管道上布置了幾十個(gè)數(shù)據(jù)輸出插孔。通過(guò)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(duì)顯示單元顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容的確定。5個(gè)自動(dòng)閥限制輸出插孔，可以連接隨意的閥門限制輸入插孔。連接后該閥門設(shè)定為自動(dòng)閥（此時(shí)手動(dòng)操作不能變更閥位）。（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(guò)程中投入運(yùn)用的設(shè)備種類和數(shù)量可以通過(guò)組態(tài)軟件定義。沒(méi)有通過(guò)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(guò)程中不投入運(yùn)用。沒(méi)有通過(guò)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(shí)也不能輸出模擬信號(hào)。沒(méi)有通過(guò)組態(tài)軟件定義的閥門不投入運(yùn)用。系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生故障的硬件單元自動(dòng)退出運(yùn)行，不影響其它硬件單元的正常工作。（4）自動(dòng)/手動(dòng)可定義的雙效閥門。全部投入運(yùn)用的閥門假如沒(méi)有連接限制信號(hào)輸出插孔，則自動(dòng)設(shè)定為手動(dòng)閥門，因此，全部盤臺(tái)上的閥門都是自動(dòng)/手動(dòng)可定義的雙效閥