过程控制工程试验装置介绍

1、实验装置介绍过程控制系统所采用的实验装置一般可分为两类，一类为物理模型实验装置，一类为半实物仿真实验装置。课程中各种实验都可以在这两类装置上实现。一、物理模型实验装置这一类实验装置是由真实的物理模型实现的。其优点是装置中有真实的流体（清洁的水）流动， 采用真实的测量装置和真实的控制阀。可给学生非常真实的感官印象。一般都采用清洁的循环水作为工艺介质，所以工艺参数只有液位和流量。 有些实验装置还有电加热设备，增加了温度参数。这一类实验装置的不足是参数比较单一，有一定的非线性。具有加热功能的装置，会随实验的进行循环水温度会逐渐增高，这会造成温度控制不理想。下面是使用比较的几种物理模型实验装置1普及型

2、控制系统实验装置下面是一种比较典型的普及型控制系统实验装置。该装置由北京化工大学信息学院自动化系自行研制。实验装置两部分组成：其一是包括测量变送器和控制阀在内的工艺设备；其二是作为控制工具计算机。装置上共测量四个参数：上水槽液位、下水槽液位、流量 1 和流量2。变送器的420mA 信号接到信号调理板上，经过调理后的电压信号通过专用电缆连接到插在计算内的A/D+D/A 板上。 系统用仪表的电源、D/A电源、 计算机电源、水泵的按钮开关、信号灯等设备都集成、组装在一个控制箱。图 F 41 所示是自动化系统实验室的物理模型实验装置。图 F 42 所示为工艺设备原理图。图中有三只水槽，槽 1、 槽 2

3、 为被控对象，它们的液位高度Li及L2分别通过两台差压变送器测出。槽 3为储槽，是为了构成水得循环而设置得。储槽 3 中的水通过水泵1 或 2 抽出， 经过孔板和控制阀后送入槽1 或槽2（视手动阀1、2、 3、 4的开闭而定），两路水管中的水流量大小分别通过各自的差压变送器（与孔板配合）测出。槽1 中的水通过线性化流出口流入槽2，槽2 中的水又通过其自身的线性化流出口流回到储槽3 中。 这样对水来说，始终处于循环状态。图F. 41物理模型实验装置图本装置除比值实验外，一般情况下 Fl所在的管道为主物料管道，F2管线则 作为加干扰用。计算机为控制工具的实验装置，其工作平台为Windows2000

4、,控制软件采用VB编制而成。下面简要介绍其工作过程。图F. 42液位实验装置工艺流程图(1)进入实验过程首先在桌面上双击该软件的图标进入到该软件的主画面。 该画面中共有六各 项目，分别为登录注册、进入实验、系统简介、实验指导、历史数据查询和退出 系统。首先需要进行登录注册。点击“登录注册”图标之后出现登录注册画面， 该画面中所要登录的内容为班级、组号、实验名称和密码。指定这些内容之后， 计算机会自动生成一个数据库文件， 文件名称为班级和组号的组合。之后的实验 数据将保存在这个数据库文件中。 需要注意的是：必需指定这些登录内容，否则 不能进入实验；不得指定与本班级与组号相异的内容， 否则可能会冲

5、掉其他班级 组号的实验数据。登录成功之后出现初始化画面。初始化结束之后回到主画面， 在该画面上点击“进入实验”图标进入选择实验画面，在该画面上选择响应的实 验内容。图F. 43物理模型实验装置主画面完成上面的步骤之后，CRT上显示出“控制实验主界面”，在画面上显示出 控制流程图，该图与图F. 43相似。首先在“实验操作”下拉菜单中选择“系统 组态”选项进行系统组态。所选定的实验内容不同，所呈现的组态画面不同。组 态画面上所要做的主要工作是指定被控参数(Li、L2、Fi、F2)、控制变量(Fi、 F2)、控制器生成与指定控制器参数及控制器操作状态。指定这些内容之后，在 “运行控制”下拉菜单中选择

6、“运行”项，然后点按“确认”按钮。系统组态结束之后，屏幕上出现数字记录器画面。该记录器最多可记录6条曲线。首先选择曲线数量，指定曲线所记录的内容，然后在“运行”下拉菜单 中选择“运行”选项。回到“控制实验主界面”上，点按启动水泵按钮，然后再点按右下方的启动 按钮。此时系统处在运行状态。(2)退出实现系统在“控制实验主界面”画面上，在“控制器选择”下拉菜单上选择相应的控 制器，关闭该控制器。如果系统有多个控制器则需要一一关闭。然后在分别关闭 “组态画面”、“控制实验主界面”，冉在主画面上点击“退出系统”图标。(3)拷贝出数据库文件，根据数据库文件中的数据整理实验报告。2.高级过程控制实验装置（一

7、）“天煌教仪”公司的THJ2高级过程控制实验装置卜面图图F. 43是杭州的“天煌教仪”公司的THJ2高级过程控制实验装置的图片图F. 43高级过程控制实验装置图F. 44是其流程图图F. 44 THJ2高级过程控制实验装置流程图该实验装置由被控对象、智能仪表控制台、上位监控计算机组成。被控对象包括有：不锈钢储水槽；上、中、下三个有机玻璃水槽；带有三 相4. 5KW电加热棒的热水锅炉和铝塑盘管。一套流体输送系统包括：380VAC不锈钢磁力泵、电动控制阀、直流电磁阀、 涡流量计；另一套流体输送系统包括：三菱变频器、 220 VAC不锈钢磁力泵、涡 流量计。装置上的检测装置包括：1）压力变送器三个：

8、检测上、中、下三个有机玻璃水槽液位；2）涡流流量计三个：检测两条流体输送管路流量和盘管流量；3）热电阻六个：检测锅炉内温度、锅炉夹套温度、盘管三点温度、上水箱出口温度；装置上的执行器及控制装置：1）三相可控硅调压装置一个；2）电磁阀一个；3）电动控制阀一个；4）变频器一个；该装置既可利用控制台上的仪表独立做实验，也可通过电缆将信号送到其 他控制装置，例如DCS、FCS、PLC等，通过组态进行各种实验。我们的过程控制实验室采用的是横河公司的 CS-3000系统，下面图F. 45 是CS3000集散的现场控制站和工程师站。图F. 45横河公司CS3000集散系统（二）浙江“浙江求是科教设备有限公司

9、”PCT系列过程控制实验装置PCT系列过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪 表技术，计算机技术， 通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。系统 包括流量、压力、温度、液位等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、 审级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。图F. 46PCTII过程控制系统教学实验装置过程控制系统教学实验装置由被控对象和控制系统两部分组成。整个实验 系统具有如下特点：通过被控对象与控制系统，可以完成本科教学的实验内容。采用工程实际中使用的元器件。如采用进口的电动调节阀；上海华光的电 磁流量计；三菱的变频器；上海万讯的智能调节器；台湾威达的数据采集模

10、块等， 使学生对以后工作中所能遇到的元器件有一定的了解，增强学生的工作适应能 力。实验对象的参数选取合理，实验中调节器、执行器、被控单元之间的参数 配置典型，实验系统具有良好的动静态特性。实验项目的设置齐全，从单回路控制实验、用接控制实验到解耦控制实验、 纯滞后系统实验、变比值实验。内容包含了工程应用中大部分控制系统， 使学生 了解控制工程中控制系统的组成、 检测与传感装置的应用、掌握常用的调节规律 和调节方法。在实验系统中，采用了远传数据模块、PLC控制方式和DCS控制方式，向 用户提供了自动化领域最新的技术与装备，学校可以将实验装置用于研究生教学 和教师科研。二、半实物仿真实验装置随着信息

11、技术及计算机软、硬件技术的飞速进步，仿真建模理论及方法取 得了应用性突破。当代仿真建模技术已经能够运用数学方法构造复杂系统模型， 已经能够高逼真度模拟复杂的过程系统。多功能过程与控制仿真实验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口 硬件、系统监控软件及过程模型软件四部分组成。四部分通过小型实时数据库、 实时数字通信协调运行，完成复杂的半实物模拟实验。图F. 47半实物仿真实验装置1 .小型流程设备盘台见图F. 44所示，在钢制的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备 模型。主设备包括：一台卧式储罐（D-101）、两台高位计量罐（D-102、D-103）、 一台带搅拌器的釜式反应器（T-1

12、04）、一台列管式热交换器（E-105）、三台离心 泵（P-106、P-107、P-108）、十个手动/自动双效阀门和若干管路系统。在垂直的 仪表盘面上分布有压力（P）、流量（F）、温度（T）、物位（L）、功率（N）、组 成（A）和阀位（V）等传感器插孔和数字式软仪表。本盘台是学生直接操作和 运行过程系统的环境。本环境给学生以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物 位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系统和真实 系统的观测界面完全一致。图F. 48多功能过程与控制仿真实验系统流程部分2 .动态数学模型软

13、件动态数学模型软件运用动态定量仿真模型， 模拟真实工艺流程，并提供各变 量当前值。具体分为以下流程的动态仿真模型：(1)离心泵及特性动态仿真模型(2)三级液位及传热动态仿真模型(3)压力系统动态仿真模型(4)溶液浓度值配制动态仿真模型(5)热交换器过程动态仿真模型(6)间歇反应动态仿真模型(7)连续反应(CSTR动态仿真模型(8)小型全流程动态仿真模型为了进行复杂的控制实验，除了过程模型外还特别开发了常用控制算法模块 库，例如，PID控制器，传递函数、外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、 继电器特性、随机信号器等，可以方便地通过“软连接”构造多种多样的控制系 统。配合小型专用实时数据库及高

14、速模型计算技术， 本实验系统中的动态数学模 型软件能够在监控软件的控制下完成过程系统的仿真计算。3 .控制系统图形组态软件为了便于学生(教师)灵活地设计组合多种多样的控制方案，本实验系统提 供自行开发的、专用的控制系统图形组态软件。能够在计算机“桌面”上通过图 形软连接、在“菜单”提示下填写参数和数据等方法完成控制系统组态。这种组 态方法与集散型控制系统(DCS)组态完全相同，因此，比教学实验中常用的进 口软件MATLAB更直观、更简明、更符合工业级设计的要求。当然， (如果需要的话）本软件也能与MATLAB 软件相连接。控制系统图形组态软件提供以下具体功能：（ 1） 提供常见的PID 控制算

15、法，允许学生配置参数（ 2） 控制方案的设计。允许学生自行设计控制方案，包括控制与被控制变量的选择、算法的选择以及复杂控制实验等。（ 3） 控制算法组态。提供两种方式的控制算法组态：提供图形化控制算法组态工具，使学生可以对传递函数进行自定义; 提供标准DLL 工程，将学生用其它计算机语言所写的控制算法动态链接到当前控制回路中。（ 4） 信号发生器组态。提供常用的信号发生器，对当前的现场信号进行叠加。（ 5） 信号输出组态。提供信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以进行信号后处理。为了方便使用，控制系统图形组态软件具有错误组态方案的自诊断功能。当组态的方案不合理时，软件能给出提示。此外，

16、还具有智能化自动排序功能。本软件采用深层知识 “专家系统”推理方法，对组态生成的控制系统计算顺序进行优化排序，能够保证计算结果的准确性。4实验系统监控软件盘台上的所有操作和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，我们称其为状态“全恢复”功能。本功能是实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故障状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。实验系统监控软件对每一项实验提供工程管理，便于学生选择不同的实验，以及对当前的实验进行管理。具体分为以下功能：（ 1）实验开始、暂停、恢复及自检验功能（ 2）实验项目切换（ 3）实验项目当前状态（又称为“快照”）存储（ 4）参

17、数运行时的动态改变（ 5）多画面切换5系统硬件功能（1）传感器信号（420mA输出及控制阀信号（420mA输入。可以外 接DCS空制系统、PLC控制器、或其他具有420mAB准工业信号的控 制设备。对于传感器信号输出及控制阀信号输入可叠加干扰信号，以 便模拟非正常工况。（ 2）硬件组态功能。在液晶显示器上彩色显示15 个数据单元（5 个棒图显示和 10 个数码显示），每个显示单元都有一个数据输入插孔。另外在设备和管道上布置了几十个数据输出插孔。通过导线连接数据输入插孔和数据输出插孔，则完成了对显示单元显示数据内容的确定。5 个自动阀控制输出插孔，可以连接任意的阀门控制输入插孔。连接后该阀门设定为自动阀（此时手动操作不能改变阀位）。（ 3）硬件单元的自摘除功能。在本系统上可以完成规模不同的试验，每次进行试验的过程中投入使用的设备种类和数量可以通过组态软件定义。没有通过组态软件定义的数据采集点不能进行数据采集，该设备在试验进行的过程中不投入使用。没有通过硬件组态定义的数据采集点的数据不显示，同时也不能输出模拟信号。没有通过组态软件定义的阀门不投入使用。系统运行的过程中发生故障的硬件单元自动退出运行，不影响其它硬件单元的正常工作。(4)自动/手动可定义的双效阀门。所有投入使用的阀门如果没有连接控制 信号输出插孔，则自动设定为手动阀门，因此，所有盘台上的阀门都是 自动/手动可定义的