过程控制工程试验装置介绍

/试验装置介绍过程限制系统所接受的试验装置一般可分为两类，一类为物理模型试验装置，一类为半实物仿真试验装置。课程中各种试验都可以在这两类装置上实现。一、物理模型试验装置这一类试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）流淌，接受真实的测量装置和真实的限制阀。可给学生特殊真实的感官印象。一般都接受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。有些试验装置还有电加热设备，增加了温度参数。这一类试验装置的不足是参数比较单一，有确定的非线性。具有加热功能的装置，会随试验的进行循环水温度会慢慢增高，这会造成温度限制不志向。下面是运用比较的几种物理模型试验装置1．普及型限制系统试验装置下面是一种比较典型的普及型限制系统试验装置。该装置由北京化工高校信息学院自动化系自行研制。试验装置两部分组成：其一是包括测量变送器和限制阀在内的工艺设备；其二是作为限制工具计算机。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4~20mA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、组装在一个限制箱。图F．41所示是自动化系统试验室的物理模型试验装置。图F．42所示为工艺设备原理图。图中有三只水槽，槽1、槽2为被控对象，它们的液位高度L1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，经过孔板和限制阀后送入槽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（和孔板协作）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物理模型试验装置图本装置除比值试验外，一般状况下Fl所在的管道为主物料管道，F2管线则作为加干扰用。计算机为限制工具的试验装置，其工作平台为Windows2000，限制软件接受VB编制而成。下面简要介绍其工作过程。（1）进入试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、进入试验、系统简介、试验指导、历史数据查询和退出系统。首先须要进行登录注册。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、试验名称和密码。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。之后的试验数据将保存在这个数据库文件中。须要留意的是：必需指定这些登录内容，否则不能进入试验；不得指定和本班级和组号相异的内容，否则可能会冲掉其他班级组号的试验数据。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“进入试验”图标进入选择试验画面，在该画面上选择响应的试验内容。图F．43物理模型试验装置主画面完成上面的步骤之后，CRT上显示出“限制试验主界面”，在画面上显示出限制流程图，该图和图F．43相像。首先在“试验操作”下拉菜单中选择“系统组态”选项进行系统组态。所选定的试验内容不同，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（L1、L2、F1、F2）、限制变量（F1、F2）、限制器生成和指定限制器参数及限制器操作状态。指定这些内容之后，在“运行限制”下拉菜单中选择“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“限制试验主界面”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“限制试验主界面”画面上，在“限制器选择”下拉菜单上选择相应的限制器，关闭该限制器。假如系统有多个限制器则须要一一关闭。然后在分别关闭“组态画面”、“限制试验主界面”，再在主画面上点击“退出系统”图标。（3）拷贝出数据库文件，依据数据库文件中的数据整理试验报告。2．高级过程限制试验装置（一）“天煌教仪”公司的THJ—2高级过程限制试验装置下面图图F．43是杭州的“天煌教仪”公司的THJ—2高级过程限制试验装置的图片。图F．43高级过程限制试验装置图F．44是其流程图。图F．44THJ—2高级过程限制试验装置流程图该试验装置由被控对象、智能仪表限制台、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、电动限制阀、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、220VAC不锈钢磁力泵、涡流量计。装置上的检测装置包括：压力变送器三个：检测上、中、下三个有机玻璃水槽液位；涡流流量计三个：检测两条流体输送管路流量和盘管流量；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；装置上的执行器及限制装置：三相可控硅调压装置一个；电磁阀一个；电动限制阀一个；变频器一个；该装置既可利用限制台上的仪表独立做试验，也可通过电缆将信号送到其他限制装置，例如DCS、FCS、PLC等，通过组态进行各种试验。我们的过程限制试验室接受的是横河公司的CS—3000系统，下面图F．45是CS—3000集散的现场限制站和工程师站。图F．45横河公司CS—3000集散系统（二）浙江“浙江求是科教设备有限公司”PCT系列过程限制试验装置PCT系列过程限制试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,自动限制技术为一体的多功能试验装置。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、单回路限制、串级限制、前馈限制、比值限制等多种限制形式。图F．46PCT—II过程限制系统教学试验装置过程限制系统教学试验装置由被控对象和限制系统两部分组成。整个试验系统具有如下特点：通过被控对象和限制系统，可以完成本科教学的试验内容。接受工程实际中运用的元器件。如接受进口的电动调整阀；上海华光的电磁流量计；三菱的变频器；上海万讯的智能调整器；台湾威达的数据采集模块等，使学生对以后工作中所能遇到的元器件有确定的了解，增加学生的工作适应实力。试验对象的参数选取合理，试验中调整器、执行器、被控单元之间的参数配置典型，试验系统具有良好的动静态特性。

试验项目的设置齐全，从单回路限制试验、串接限制试验到解耦限制试验、纯滞后系统试验、变比值试验。内容包含了工程应用中大部分限制系统，使学生了解限制工程中限制系统的组成、检测和传感装置的应用、驾驭常用的调整规律和调整方法。

在试验系统中，接受了远传数据模块、PLC限制方式和DCS限制方式，向用户供应了自动化领域最新的技术和装备，学校可以将试验装置用于探讨生教学和老师科研。二、半实物仿真试验装置随着信息技术及计算机软、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困难系统模型，已经能够高逼真度模拟困难的过程系统。多功能过程和限制仿真试验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表和接口硬件、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，完成困难的半实物模拟试验。图F．47半实物仿真试验装置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-104）、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。本盘台是学生干脆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更的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法干脆视察的，必需通过仪表检测，因此，本系统和真实系统的观测界面完全一样。图F．48多功能过程和限制仿真试验系统流程部分2．动态数学模型软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，并供应各变量当前值。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困难的限制试验，除了过程模型外还特殊开发了常用限制算法模块库，例如，PID限制器，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，可以便利地通过“软连接”构造多种多样的限制系统。协作小型专用实时数据库及高速模型计算技术，本试验系统中的动态数学模型软件能够在监控软件的限制下完成过程系统的仿真计算。3．限制系统图形组态软件为了便于学生（老师）灵敏地设计组合多种多样的限制方案，本试验系统供应自行开发的、专用的限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限制系统组态。这种组态方法和集散型限制系统（DCS）组态完全相同，因此，比教学试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，（假如须要的话）本软件也能和MATLAB软件相连接。限制系统图形组态软件供应以下具体功能：供应常见的PID限制算法，允许学生配置参数限制方案的设计。允许学生自行设计限制方案，包括限制和被限制变量的选择、算法的选择以及困难限制试验等。限制算法组态。供应两种方式的限制算法组态：供应图形化限制算法组态工具，使学生可以对传递函数进行自定义;供应标准DLL工程，将学生用其它计算机语言所写的限制算法动态链接到当前限制回路中。信号发生器组态。供应常用的信号发生器，对当前的现场信号进行叠加。信号输出组态。供应信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以进行信号后处理。为了便利运用，限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，还具有智能化自动排序功能。本软件接受深层学问“专家系统”推理方法，对组态生成的限制系统计算依次进行优化排序，能够保证计算结果的精确性。4．试验系统监控软件盘台上的全部操作和显示变量都能由软件限制，可以在瞬间设定新的状态，我们称其为状态“全复原”功能。本功能是试验系统的一大特色，利用本特点可以随意设定干扰、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更状态等。试验系统监控软件对每一项试验供应工程管理，便于学生选择不同的试验，以及对当前的试验进行管理。具体分为以下功能：（1）试验起先、暂停、复原及自检验功能（2）试验项目切换（3）试验项目当前状态（又称为“快照”）存储（4）参数运行时的动态变更（5）多画面切换5．系统硬件功能（1）传感器信号（4～20mA）输出及限制阀信号（4～20mA）输入。可以外接DCS限制系统、PLC限制器、或其他具有4～20mA标准工业信号的限制设备。对于传感器信号输出及限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个自动阀限制输出插孔，可以连接随意的阀门限制输入插孔。连接后该阀门设定为自动阀（此时手动操作不能变更阀位）。（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运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运用。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运用。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。全部投入运用的阀门假如没有连接限制信号输出插孔，则自动设定为手动阀门，因此，全部盘台上的阀门都是自动/手动可定义的双效阀