過程控制實(shí)驗(yàn)裝置功能開發(fā)與應(yīng)用

艾 紅

（北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192）

我校和浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司共同研制的過程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置，通過巧妙設(shè)計(jì)，4套多功能實(shí)驗(yàn)裝置分別能做20多個(gè)本科生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)和開放課題研究。目前實(shí)驗(yàn)裝置成功用于我校的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置涉及到變頻控制技術(shù)，壓力、溫度、液位、流量的測(cè)試技術(shù)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，PID控制技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，是比較典型的集過程、設(shè)備及控制于一體的多學(xué)科交叉實(shí)驗(yàn)裝置。該過程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)方案多、學(xué)生參與性強(qiáng)。由于控制參數(shù)多、管路布置巧妙，學(xué)生可以自己選擇或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，大大提高了學(xué)生的參與性和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的多樣性［1－4］。

1 過程控制實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成

過程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置是過程控制方向相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新研究的平臺(tái)，以過程控制為背景，對(duì)典型的過程控制參數(shù)，如溫度、流量、壓力、液位等實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的儀表控制。該裝置使學(xué)生掌握實(shí)際生產(chǎn)過程中各類過程參數(shù)的采集、信號(hào)變換與傳送，過程控制系統(tǒng)中控制器的一般設(shè)計(jì)方法，讓學(xué)生可以熟悉多種控制器的使用，如PLC、智能儀表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。通過多種軟件和組態(tài)軟件的使用，組合在一起構(gòu)成一個(gè)完整的過程控制系統(tǒng)。

過程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置由一個(gè)實(shí)驗(yàn)屏和模塊化的掛件、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、變送器、執(zhí)行部件、被控對(duì)象和快速連接管路等組成。實(shí)驗(yàn)屏是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝支架，兩邊均可掛裝各類實(shí)驗(yàn)?zāi)K，在實(shí)驗(yàn)屏的上方有配電架，實(shí)驗(yàn)所需的電源、加溫系統(tǒng)和水泵電機(jī)控制單元等均安裝在其中。實(shí)驗(yàn)裝置分為常規(guī)儀表側(cè)和現(xiàn)場(chǎng)總線儀表側(cè)兩大部分?，F(xiàn)場(chǎng)儀表側(cè)由三相AC220V磁力驅(qū)動(dòng)泵、西門子電磁流量計(jì)PA儀表、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥配西門子閥門定位器、電磁閥、手動(dòng)閥、有機(jī)玻璃水箱、壓力變送器、盤管、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)接線箱等組成。常規(guī)儀表側(cè)由三相AC380V磁力驅(qū)動(dòng)泵、智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)、差壓變送器、壓力變送器、渦輪流量計(jì)、有機(jī)玻璃水箱、常規(guī)儀表控制屏、實(shí)驗(yàn)掛件等組成（見圖1）。儲(chǔ)水箱、模擬鍋爐、盤管為兩側(cè)共用，在做復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩側(cè)執(zhí)行器也可共用。所有掛在網(wǎng)孔板上的控制對(duì)象，測(cè)量?jī)x表等部件均可靈活地拆裝，滿足實(shí)驗(yàn)的特殊要求［5－6］。

圖1 常規(guī)儀表側(cè)的過程控制設(shè)備

2 過程控制實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象與儀表

2.1 傳感器與儀表

多功能實(shí)驗(yàn)裝置傳感器有超聲波液位傳感器、熱電阻式傳感器、鎳鉻－鎳硅熱電偶傳感器。擴(kuò)散硅壓力變送器可輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，測(cè)量精度為0.5級(jí)。孔板流量計(jì)與電容式差壓變送器配合測(cè)量流量。執(zhí)行器有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其額定流量為0.3t／h，等百分比特性，內(nèi)置伺服放大器，4～20mA信號(hào)輸入，4～20 mA閥位反饋信號(hào)輸出。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象

上、下水箱采用淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，水箱底部均設(shè)置有采壓口、出水口。進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，然后才流入工作槽，經(jīng)過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。2只磁力驅(qū)動(dòng)泵，一只是三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只是三相變頻220V驅(qū)動(dòng)。泵體采用不銹鋼材料。模擬鍋爐的冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降?？梢酝瓿蓽囟鹊亩ㄖ悼刂?、串級(jí)控制、前饋－反饋控制和解耦控制等實(shí)驗(yàn)。盤管的出水通過軟管連接，既可以流入鍋爐內(nèi)膽，也可以流回儲(chǔ)水箱。手動(dòng)球閥對(duì)管道的連通狀態(tài)進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)的管路連接。手動(dòng)閥門采用優(yōu)質(zhì)球閥，避免管道系統(tǒng)生銹的可能性。通用氣泵可以為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥提供氣源。過程控制對(duì)象見表1。

表1 過程控制對(duì)象

2.3 接線箱

實(shí)驗(yàn)裝置有現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)接線箱和出線盒?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)側(cè)傳感器和執(zhí)行器的信號(hào)線、電源線均連接到該接線箱，通過該接線箱連接到控制屏右側(cè)的2個(gè)航空插座。溫度傳感器和執(zhí)行器為常規(guī)儀表側(cè)和現(xiàn)場(chǎng)總線儀表側(cè)共用，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)總線側(cè)要做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，要將接線箱上面的“信號(hào)源”弱電柱和相對(duì)應(yīng)的“信號(hào)輸入”接線柱用弱電實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接起來，將溫度傳感器和執(zhí)行器接入控制系統(tǒng)。出線盒左側(cè)的42芯航空插座為現(xiàn)場(chǎng)總線側(cè)弱電線連接插座，19芯航空插座為現(xiàn)場(chǎng)總線側(cè)強(qiáng)電線連接插座?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制柜是通過這2個(gè)接口最終和實(shí)驗(yàn)對(duì)象連接起來組成系統(tǒng)。出線盒右側(cè)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的擴(kuò)展端子，常規(guī)儀表側(cè)的傳感器和執(zhí)行器的信號(hào)線連接到擴(kuò)展端子，便于常規(guī)儀表側(cè)控制對(duì)象接入其他控制系統(tǒng)如DCS控制系統(tǒng)。

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置的安全保護(hù)體系

三相四線制總電源輸入通過帶漏電保護(hù)裝置的三相四線制斷路器進(jìn)入系統(tǒng)電源?？傠娫丛O(shè)有三相通電指示燈和380V三相電壓指示表。各種儀表均有可靠的自保護(hù)功能。鍋爐和儲(chǔ)水箱內(nèi)有液位檢測(cè)開關(guān)，并在控制屏上設(shè)置有干燒報(bào)警和水位報(bào)警指示燈，防止鍋爐無水干燒和儲(chǔ)水箱無水時(shí)磁力泵空轉(zhuǎn)。強(qiáng)電接線插頭采用封閉式結(jié)構(gòu)，防止觸電事故的發(fā)生。強(qiáng)弱電連接線采用不同結(jié)構(gòu)的插頭、插座，防止強(qiáng)弱電混接［7－8］。

3 過程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置控制器

控制器可以是基于單片機(jī)控制的智能儀表，也可以采用臺(tái)灣研華PCI數(shù)據(jù)采集卡1711或者遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊，基于MCGS組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

3.1 智能儀表控制

采用上海萬迅儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，智能調(diào)節(jié)儀I為AI－708H型，智能調(diào)節(jié)儀II為AI－818型。AI－818型儀表是PID控制型，輸出為DC 4～20mA。AI－708H型儀表是流量積算儀，輸出為繼電器觸點(diǎn)型開關(guān)量信號(hào)。AI系列儀表通過RS485串口通信協(xié)議與上位計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用比值、前饋補(bǔ)償及解耦裝置掛件使比值、前饋補(bǔ)償裝置同調(diào)節(jié)器一起使用。作為比值器，輸入電壓經(jīng)過電壓跟隨器、反相比例放大器、反相器輸出0～5V電壓，可以實(shí)現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。當(dāng)一路作為干擾輸入，另一路作為調(diào)節(jié)器輸出時(shí)，兩路相加或相減，再經(jīng)過I／U 變換輸出4～20mA電流，構(gòu)成一個(gè)前饋補(bǔ)償器，可以實(shí)現(xiàn)液位與流量、溫度與流量的前饋－反饋控制系統(tǒng)。

3.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制即直接數(shù)字控制DDC，是以計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并通過數(shù)據(jù)采集板卡或模塊進(jìn)行A／D和D／A轉(zhuǎn)換，控制算法全部在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括8路模擬量輸入模塊R－8017、4路模擬量輸出模塊 R－8024、萬能模擬量輸入模塊R－8019和RS485－RS232通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊R8520。RemoDAQ8000系列智能采集模塊通過RS485等串行口通信協(xié)議與計(jì)算機(jī)相連，由計(jì)算機(jī)中的算法及程序控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的模擬量、開關(guān)量信號(hào)的輸入和輸出，以及實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和測(cè)量脈沖頻率等功能［9－10］。

3.3 基于數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)控制

PCI－1711數(shù)據(jù)采集卡是多功能PCI總線數(shù)據(jù)卡，采樣時(shí)可完成多路選通開關(guān)的控制，可以根據(jù)每個(gè)通道不同的輸入電壓類型，進(jìn)行輸入范圍的確定。配備了16路模擬量輸入，12位A／D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100kHz，每個(gè)輸入通道的增益可編程，具有自動(dòng)通道／增益掃描功能，卡上有1kHz的采樣FIFO緩沖器，2路模擬量輸出、16路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出。支持相關(guān)軟件編程的連接，如VB、VC、LabVIEW、Matlab等，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)算法的研究。

4 實(shí)驗(yàn)裝置功能開發(fā)

實(shí)驗(yàn)裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用網(wǎng)孔板形式，器件可以方便地掛裝在網(wǎng)孔板上，管路連接采用軟管，方便拆裝，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的開放性和功能多樣化。可以完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容有：傳感器特性的認(rèn)識(shí)和零點(diǎn)遷移，自動(dòng)化儀表的初步使用，變頻器的基本原理和初步使用，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性和原理，測(cè)定被控對(duì)象特性；單回路和串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，復(fù)雜控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析、接線和投運(yùn)等；實(shí)現(xiàn)各種控制方案的生成及控制算法程序的編寫；可以進(jìn)行基于現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的過程控制系統(tǒng)組建、編程和設(shè)計(jì)等。

實(shí)驗(yàn)裝置既包含了各種常規(guī)的檢測(cè)裝置，又包含了SIEMENS PA接口的總線檢測(cè)裝置，被控參數(shù)涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位、壓力、流量及溫度4大典型參數(shù)?？刂茖?duì)象組件來源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。敞開式實(shí)驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)對(duì)象直觀、真實(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合性強(qiáng)。執(zhí)行器中既有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，又有變頻器、可控硅移相調(diào)壓裝置。調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有設(shè)定值的階躍擾動(dòng)外，還可以通過電磁閥和手動(dòng)操作閥制造各種擾動(dòng)。能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。采用2套供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使得每臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置可以同時(shí)開出2組學(xué)生的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，提高了設(shè)備的利用率。

選擇上小水箱和下水箱串聯(lián)作為被測(cè)對(duì)象，并構(gòu)成水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)是由主控、副控2個(gè)回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，下水箱的液位是系統(tǒng)的主被控量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為上小水箱，又稱副對(duì)象，上小水箱的液位是系統(tǒng)的副被控量。基于智能儀表控制、MCGS軟件制作界面的串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面

5 結(jié)束語

我校堅(jiān)持以人才的需求為導(dǎo)向，通過與教學(xué)儀器廠家合作研制了開放性的過程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置，在進(jìn)行正常課程的實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)或者課程設(shè)計(jì)時(shí)，讓學(xué)生自己選取所需的儀表、組合被控對(duì)象和控制系統(tǒng)模塊，在網(wǎng)孔板上掛裝固定后，用快速連接軟管構(gòu)成所需的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。儀器儀表具有可拆裝性，加深了學(xué)生對(duì)工程儀器儀表的理解。實(shí)驗(yàn)裝置通過帶快速接頭的軟管自由連接，不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，也使學(xué)生對(duì)系統(tǒng)有了深刻的認(rèn)識(shí)。用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接好儀表和控制系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行，這一過程體現(xiàn)了實(shí)際工程的各個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生得到了很好的工程訓(xùn)練，突出了對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)際技能的培養(yǎng)［11－12］。

（References）

［1］王宗明，王振波，周昌靜.突出石化特色，培養(yǎng)應(yīng)用型復(fù)合人才［J］.高教論壇，2009（2）：53－54.

［2］曹立學(xué)，令朝霞.基于組態(tài)軟件的計(jì)算機(jī)液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008（6）：16－17.

［3］王志新，谷云東，李洪興.三水箱多變量液位控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（1）：32－36.

［4］田學(xué)民，任薇，胡長(zhǎng)松，等.深化過程控制教學(xué)改革，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力［J］.石油教育，2000（1）：43－44.

［5］陸平.《過程控制》課程教學(xué)方法探討［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2007（34）：231－232.

［6］彭志平，李紹平，柯文德.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系的研究與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（9）：124－125.

［7］賈申利，楊帥.高校實(shí)驗(yàn)室資源共享與人才培養(yǎng)的關(guān)系［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（5）：15－16.

［8］黨選舉，譚永紅.《過程控制》課程的改革與建設(shè)［J］.高教論壇，2006（1）：71－72.

［9］王鴻懿.“過程控制儀表”課程教學(xué)方法改革的探索與實(shí)踐［J］.中國(guó)電力教育，2008（12）：39－40.

［10］周勇軍，顧海明，朱廷風(fēng).過程裝備與控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與建設(shè)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23（12）：166－167.

［11］解麗芳，林宏輝.利用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)普及教研結(jié)合［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（11）：151－152.

［12］魏衡華.“系統(tǒng)與控制”實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與建設(shè)［J］.教育與現(xiàn)代化，2003（3）：9－10.