多重融合的過程控制實訓(xùn)室設(shè)計與實現(xiàn)

劉書凱（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化技術(shù)系，江蘇常州，213164)

多重融合的過程控制實訓(xùn)室設(shè)計與實現(xiàn)

劉書凱
（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化技術(shù)系，江蘇常州，213164)

生產(chǎn)過程自動化技術(shù)專業(yè)的學(xué)生需要掌握過程參數(shù)檢測與控制，檢測儀表的選擇、安裝、調(diào)試以及自動控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運行、維護、檢修、管理等方面的知識和能力，而這些能力基本上需要在實訓(xùn)室中來訓(xùn)練，所以能夠提供訓(xùn)練這些能力的實訓(xùn)設(shè)備的建設(shè)就尤為重要。

多重融合；過程控制實訓(xùn)室；控制方案；控制系統(tǒng)

生產(chǎn)過程自動化技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)的是具有較強的敬業(yè)精神、實踐能力、創(chuàng)造能力和自我發(fā)展能力，具備生產(chǎn)過程自動化的基礎(chǔ)知識和基本技能，掌握生產(chǎn)過程控制的實踐操作技能，熟悉常用生產(chǎn)過程自動化設(shè)備和典型過程控制系統(tǒng)，能從事生產(chǎn)過程自動化裝置及自動化儀表的設(shè)計、安裝、調(diào)試、維護等工作的高素質(zhì)高級技能型專門人才。如何才能培養(yǎng)這樣的人才？有效的實訓(xùn)裝置必不可少，而將企業(yè)的實際生產(chǎn)設(shè)備直接搬到實訓(xùn)室中顯然也是不現(xiàn)實的，那么如何建設(shè)既能與生產(chǎn)實際相吻合又能不額外增加學(xué)校的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，既能培養(yǎng)學(xué)生的各項專業(yè)技能又能比較容易組織教學(xué)的過程控制裝置呢？本實訓(xùn)室設(shè)計就是為了解決這些問題而進行的，在設(shè)計過程中將企業(yè)工藝、各種控制方案、常用的控制器、各種過程參數(shù)、檢測儀表的選擇與安裝、各種技能操作融合到教學(xué)實訓(xùn)設(shè)備中，完成了多重融合的過程控制裝置。

1 企業(yè)生產(chǎn)工藝與實訓(xùn)設(shè)備相融合

本專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生的主要就業(yè)面向生產(chǎn)過程在線運行的自動化儀表、控制裝置的選用安裝、系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試投運、運行維護、檢修等工作崗位，而這些工作都是和生產(chǎn)工藝密不可分，所以本實訓(xùn)室需要選擇和生產(chǎn)實際緊密結(jié)合的生產(chǎn)過程；既要包含生產(chǎn)過程中常見的一些生產(chǎn)設(shè)備，同時又要在實訓(xùn)室中比較容易實現(xiàn)。最后我們選擇乙醛氧化制醋酸的生產(chǎn)工藝，使用鼓泡反應(yīng)器乙醛氧化塔、原料儲罐、冷卻水儲罐、輸送泵等作為主要的生產(chǎn)設(shè)備，使用電動調(diào)節(jié)閥、氣動調(diào)節(jié)閥、液位計、流量計、熱電阻、熱電偶、壓力變送器等作為主要的檢測和執(zhí)行儀表。這樣生產(chǎn)中的實際工藝流程就可以在實訓(xùn)室中實現(xiàn)，并且所使用的各種儀表和控制系統(tǒng)都和實踐生產(chǎn)中使用的一致，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和操作中能夠真正體會到實際生產(chǎn)的過程，有一種身臨其境的感覺。

通過上述的設(shè)計，整個實訓(xùn)裝置就將企業(yè)生產(chǎn)過程搬到了學(xué)校的實訓(xùn)室中，滿足本專業(yè)學(xué)生各種技能訓(xùn)練的要求，使人才培養(yǎng)方案中所規(guī)定的能力要求落到實處。

2 多種控制方案融合

在過程控制系統(tǒng)中，不同的場合、不同的控制要求、不同的參數(shù)、不同的工藝都有不同的控制方案，而本專業(yè)的學(xué)生也要求掌握這些控制方案，所以在實訓(xùn)設(shè)備的設(shè)計過程中也融入了不同的控制方案。

2.1 單回路控制方案

單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)，在所有的反饋控制系統(tǒng)中是最簡單最基本的一種，因此它又被稱為簡單控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)有4個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象或者被控過程，測量變送裝置，控制器，控制閥，也是一個簡單的PID控制，如圖1所示。

圖1 單回路控制系統(tǒng)方框圖

在實訓(xùn)過程中原料儲罐、冷卻水儲罐、氧化塔的液位、氧化塔壓力控制由于被控過程的純滯后與慣性不大、負(fù)荷與干擾變化比較平穩(wěn)或者工藝要求不太高，需要單回路控制，所以設(shè)計了PIC-102氧化塔塔頂壓力控制回路，用于氧化塔塔頂壓力檢測來控制塔頂廢氣的排出量；PIC-104儲氣罐壓力控制回路，用于控制儲氣罐壓力；LIC-101原料液位控制回路、LIC-102冷卻水液位控制回路、LIC-103氧化塔液位控制回路用于控制原料液位、冷卻水液位、氧化塔液位。

2.2 比值控制方案

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會存在兩種或幾種原料進行混合，然后在反應(yīng)器中進行反應(yīng)，生產(chǎn)新的物料，在反應(yīng)過程中這幾種原料要保持一定的比例關(guān)系，反應(yīng)才能夠正常進行，否則很可能會影響產(chǎn)品質(zhì)量，造成原料浪費，能源消耗，環(huán)境污染，甚至?xí)a(chǎn)生事故。在這種情況下，為了保證原料的比例關(guān)系通常使用比值控制系統(tǒng)，根據(jù)工藝和控制要求的不同可以設(shè)計單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)等?；じ鞣N反應(yīng)對參與化學(xué)反應(yīng)的物料比都有一定的要求。乙醛氧化制醋酸生產(chǎn)中所需的兩種原料必須保持一定的比例，即乙醛：空氣=1：5。為了保證以上的物料的配比，要對其流量進行控制，采用比值控制系統(tǒng)。乙醛是通過輸送泵送入氧化塔的，進入量基本穩(wěn)定，空氣流量與乙醛的比值K=5，所以采用流量單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，原理圖和控制方框圖如圖2所示，其中F1為乙醛，F(xiàn)2為空氣，K值為5。

圖2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

2.3 串級控制方案

本系統(tǒng)的反應(yīng)是在反應(yīng)溫度為80±5℃、反應(yīng)壓力為1.5×105 Pa的條件下進行的，乙醛轉(zhuǎn)化率為80%。故保持穩(wěn)定的反應(yīng)溫度是非常重要的，但是溫度參數(shù)存在著非常嚴(yán)重的滯后性，所以使用單回路控制系統(tǒng)往往達不到預(yù)期目標(biāo)，主要原因是在系統(tǒng)中存在著三個熱容積，即夾套中的冷卻水、氧化塔壁和氧化塔中物料。冷卻水的流量是主要的干擾量，直接造成溫度控制的過渡過程時間過長，調(diào)節(jié)不及時的后果，所以設(shè)計了溫度-流量串級控制系統(tǒng)來控制反應(yīng)溫度。這樣就可以抑制副回路（流量回路）產(chǎn)生的干擾，能改善控制通道的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力。

綜上所述，本實訓(xùn)裝置能夠完成多種控制方案，還可以完成前饋-反饋控制、液位均勻控制等。這對與生產(chǎn)過程自動化技術(shù)專業(yè)的學(xué)生能力培養(yǎng)無疑是非常重要和必要的，可以滿足過程控制系統(tǒng)、過程控制工程等課程的實驗實訓(xùn)需求。

3 多種控制系統(tǒng)融合

在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，根據(jù)系統(tǒng)不同，往往會使用不同的控制器或控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器、可編程控制器（PLC）、集散控制系統(tǒng)（DCS）等，所以為了讓學(xué)生對這些常用的控制器或控制系統(tǒng)都能夠掌握，本實訓(xùn)裝置融合了上述三種控制系統(tǒng)。各控制系統(tǒng)相互獨立，具體解決方法是將現(xiàn)場信號直接接到端子，再由學(xué)生自由選擇控制系統(tǒng)，進而進行已經(jīng)接線，構(gòu)成不同的控制回路，達到控制生產(chǎn)的目的。

使用數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器，主要訓(xùn)練學(xué)生將現(xiàn)場檢測信號、執(zhí)行信號和調(diào)節(jié)器進行連接構(gòu)成控制回路的能力；硬件連接、工具使用的能力；調(diào)節(jié)器PID參數(shù)設(shè)置和整定的能力。

可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)利用控制計算機作為上位機，MCGS組態(tài)軟件作為監(jiān)控操作臺，同時融合了觸摸屏，下位機使用可編程控制器（三菱FX2N-48MR）進行控制，完成對整個工藝流程的過程制監(jiān)控。主要訓(xùn)練學(xué)生PLC的硬件安裝接線、控制程序設(shè)計、工藝過程操作、控制系統(tǒng)調(diào)試等能力。

集散控制系統(tǒng)（DCS）采用了目前行業(yè)中廣泛使用的浙江中控的JX-300XP集散控制系統(tǒng)，設(shè)計中包括1臺工程師站、2臺操作員站、1個控制站，同時接入了德國黑馬（HIMA）的緊急停車系統(tǒng)（ESD），對生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)進行檢測、對工藝生產(chǎn)進行監(jiān)控。主要訓(xùn)練學(xué)生DCS系統(tǒng)工程設(shè)計、硬件選型安裝、網(wǎng)絡(luò)組建、軟件組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試運行等能力。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計從生產(chǎn)過程自動化技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)格出發(fā)，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝和學(xué)校實訓(xùn)的特點，采用了生產(chǎn)工藝與實驗設(shè)備相融合、多種控制方案融合、多種控制系統(tǒng)融合等多種融合方式。目前，本設(shè)計的實訓(xùn)室已經(jīng)完成，在實際教學(xué)過程中運行正常，效果非常好，為“項目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動”理實一體化的項目化教學(xué)提供了有力的硬件保證。

孫慧峰.過程控制系統(tǒng)的分析與調(diào)試.北京：科學(xué)出版社,2011.8

The design and implementation of a process control training room based multiple fusion

Liu Shukai
（Changzhou Institute of Engineering Technology Automation Technology Department，Changzhou Jiangsu 213164）

The students of the production process automation technology need to master the detection and control of process parameters,select instrument,install instrument,debug instrument.And also they must learn how to install,test,run,maintain,fix,manage a automatic control system.These abilities basically needs the training room,so it is very important to provide the construction training equipment.

multiple fusion；process control training room；control scheme；control system

劉書凱（1976－），男，河北豐寧，講師，碩士。

院級實訓(xùn)室建設(shè)立項項目：立項單位：常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，立項類別：院級，編號：SX2010-10