过程控制工程 试验装置介绍

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 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 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 控制软件采 用 VB 编制而成 下面简要介绍其工作过程 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 L1 L2 F1 F2 控制 变量 F1 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 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 再在主画面上点击 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 天煌教仪 公司的 THJ 2 高级过程控制实验装置 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 THJ 2 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 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 CS 3000 集散的现场控制站和工程师站 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 串级控制 前馈控制 比值控制等多种控制形式 图 F 46 PCT II 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 串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 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 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 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 4 20mA 输出及控制阀信号 4 20mA 输入 可以外 接 DCS 控制系统 PLC 控制器 或其他具有 4 20mA 标准工业信号的 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 手动可定义的双