儀表自動化實驗裝置設計*

朱 濤，李 紅

（徐州工業職業技術學院，江蘇徐州 221140）

0 引言

職業教育比較發達的國家大多采用實際裝置的縮小模型作為實驗裝置，但由于成本高等局限性，很難在國內推廣使用，更多的時候是將實際裝置的縮小模型和實際裝置的原理模擬相結合，自行設計制作或委托制作一種廣泛采用工業元器件、系統比較簡化、突出原理教學、采用實驗臺式開放布置的教學實訓裝置[1]。基于這種設計思路，本文設計開發了一種新型的儀表自動化實驗裝置，對工藝類專業的教學改革和創新性人才培養具有重大的意義，既滿足學生基礎理論驗證性實驗學習的要求，又滿足學生創新性、探索性學習的需要；既培養了學生的職業技能，又幫助學生樹立了良好的工程意識。

1 儀表自動化實驗裝置設計方案

如圖1 所示，該實驗裝置由控制對象子系統、自動化裝置與控制臺子系統兩部分組成。

圖1 儀表自動化實驗裝置構成圖

控制對象子系統為教師、學生及科研人員研究控制系統提供了物理模擬對象，如水箱、換熱器等。生產過程中常見的溫度、液位、壓力、流量四大變量都可以在其中被檢測到。解決這部分問題的關鍵技術主要是對象模型的建立與制作。以液位控制為例，在控制對象子系統中設有上水箱、下水箱、儲水槽、水泵、管道等構件，構成一個完整的液位系統。此系統為液位測量與控制、對象特性測試、液位傳感器校正等實驗提供必要的研究對象。

自動化裝置與控制臺子系統主要由測量與變送裝置模塊、執行器模塊、控制器及其擴展模塊、顯示模塊、低壓電器等工業元器件組成。解決這部分問題的關鍵技術主要是自動化裝置的選型、上位機組態軟件開發及相關通訊協議的實現等。如現場總線通信實驗：上位機通過MODBUS協議與智能儀表或PLC 通訊構成主從方式通信系統，為現場總線通訊實驗提供一個操作平臺；又如選擇典型控制系統，利用可編程控制器模塊，操作者通過對系統的接線、程序的編制，實現對可編程控制系統的安裝、調試技能訓練。

2 儀表自動化實驗裝置工藝流程

如圖2 所示的儀表自動化實驗裝置工藝流程圖，可以實現對溫度、壓力、流量、液位四大過程參數的控制。下面以單回路控制系統進行說明。

圖2 儀表自動化實驗裝置工藝流程圖

壓力控制：首先上電，將總閥、手動閥1、手動流量控制閥1、手動流量控制閥2、下水閥1 和下水閥2 打開，通過上位機進行壓力設定，并設置智能PID 調節儀中P、I、D 等相關參數，由壓力變送器采集管道壓力大小信息并傳送至智能PID 調節儀，根據偏差去控制變頻器輸出的頻率大小，從而控制水泵的轉速，最終達到控制管道壓力恒定的目的。執行器是變頻器，變送器是壓力變送器，其輸出信號為4～20 mA 的電流信號。

液位控制：首先上電，將總閥、手動閥2、上水閥1、下水閥1和下水閥2打開，通過上位機來設置液位報警位置，由液位變送器采集液位高低信息并傳送至智能PID 調節儀，控制電磁閥的通斷來實現對液位的位式控制；或者將總閥、手動閥1、手動流量控制閥1、下水閥1 和下水閥2打開，通過上位機進行液位設定，并設置智能PID調節儀中P、I、D等相關參數，由液位變送器采集液位高低信息并傳送至智能PID 調節儀，根據偏差去控制電動調節閥開度的大小實現對液位的控制。執行器是電動調節閥，變送器是液位變送器，其輸出信號為4～20 mA的電流信號。

流量控制：首先上電，將總閥、手動閥1、手動流量控制閥1、下水閥1和下水閥2打開，在上位機進行流量設定，通過流量變送器對管道流量進行檢測并通過渦輪流量計傳送至智能PID 調節儀，根據偏差去控制電動調節閥開度的大小來實現對管道瞬時流量的控制。執行器是電動調節閥，變送器是渦輪流量計，渦輪旋轉的速度反應管道流量的大小，由于其輸出信號是頻率信號，需要流量積算儀把其轉換成4～20 mA電流信號。

溫度控制：首先上電，將總閥和上水閥2 打開，關閉下水閥3和下水閥4，將換熱器中注入適量的水，然后將總閥關閉，把下水閥4 打開，讓泵帶動水循環流動。在上位機進行溫度設定，并設置智能PID 調節儀中P、I、D 等相關參數，通過調節三相移相觸發裝置工作導通角的大小，達到調節加熱棒加熱功率大小的目的，從而實現恒溫控制。如果控制要求不高，也可以通過斷開轉換開關，用智能PID 調節儀實現溫度的位式控制。執行器是三相可控硅移相調壓器，溫度傳感器是PT100。

3 溫度控制系統設計案例

以溫度定值控制系統為例，說明儀表自動化實驗裝置的設計過程。系統主要由裝有MCGS 的上位機通過RS232C或RS485協議與智能儀表或無紙記錄儀通訊，智能儀表或無紙記錄儀作為下位機對溫度進行控制，執行器是三相可控硅移相調壓設備，溫度傳感器使用PT100 熱電阻，具體溫度調節系統框圖如圖3所示。

圖3 溫度調節系統框圖

3.1 可控硅移相調壓器原理與特性

單相可控硅移向調壓器是應用晶閘管（又稱可控硅）及其觸發控制電路用于調整負載輸出功率大小的裝置。現在更多的是運用數字電路觸發可控硅實現調壓和調功。調壓采用移相控制方式，調功有定周期調功和變周期調功兩種方式。控制板帶鎖相環同步電路、自動判別相位、缺相保護、上電緩起動、緩關斷、散熱器超溫檢測、恒流輸出、電流限制、過流保護、串行工作狀態指示等功能。控制板的特點：十位A/D，輸出線性化程度高，輸出起控點低。圖4 是單相可控硅交流移相調壓電阻負載電路。三相可控硅移相調壓器可以采用星型或三角形接法接線，觸發延遲角α 的起點是相電壓的過零點，移相范圍0～180°。調壓模塊STY 內部集相位檢測、移相電路、觸發電路和單組反并聯單向可控硅于一體，不需外部任何電源和工作電源，便可以自動控制或外接電位器進行手動控制，改變可控硅導通角實現負載電壓從0 V到電網電壓的無級可調。

圖4 單相可控硅調壓負載電路圖

3.2 溫度傳感器原理與特性

工業上常用的鉑電阻，R0值為100 Ω，對應的分度號為Pt100，其在0℃時電阻值為100 Ω，由于其阻值隨溫度變化的線性特性好，因此被廣泛使用。由于其電阻值小，靈敏度高，所以引線的阻值不能忽略不計，采用三線式接法可消除引線線路電阻帶來的測量誤差。如圖5 所示，要求從Pt100 引出的三根導線阻值相同，即r1= r2=r3，由于兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻，電橋處于平衡狀態，引線線電阻的變化對測量結果沒有任何影響[2]。

圖5 PT100溫度傳感器三線式接法

3.3 基于MCGS的上位機監控系統

基于MCGS 的上位機監控系統結構主要由監控層、控制層、現場層組成。監控層：裝有MCGS組態軟件的計算機；控制層：智能儀表；現場層：現場設備。其硬件接線圖如圖6所示。

圖6 基于MCGS的上位機監控系統硬件接線圖

本系統由組態軟件和智能調節儀構成一個上下位機系統，裝有MCGS 組態軟件的上位機部分監控界面如圖7所示，可以實現如下功能：

（1）系統啟動、停止操作，手動/自動切換操作；

（2）工藝流程顯示：通過組態軟件窗口可以形象顯示溫度控制系統的工藝流程；

（3）實時監測功能功能：運行時溫度變化實時曲線顯示；

（4）故障報警顯示：溫度高限報警、低限報警、模塊錯誤報警；

（5）控制參數設置：PID參數設置；

（6）報表顯示：包括實時報表和歷史報表，實時報表通過表格的形式把實時數據顯示出來供操作者查看，歷史報表是把歷史數據存放在數據庫中，通過構建可以把存盤的數據顯示出來，給操作者瀏覽；

（7）曲線顯示：包括實時曲線和歷史曲線，分別是為了顯示某一變量實時數據的運行趨勢和歷史數據的運行趨勢；

（8）安全機制：主要是給不同的操作者設置權限，保證系統的正常運行。

實際調試時首先通過儀表自整定得出比例度、積分時間、微分時間三個參數，然后通過實際觀察和經驗對三個參數進行細調，最終得到最優的整定參數。

4 結束語

圖7 上位機監控界面

該儀表自動化實驗裝置利用計算機技術實現了對儀表的監控，通過實時曲線可以直接觀察到系統的動態特性，通過歷史趨勢曲線可以完成歷史數據的查看，而報警功能使得系統運行更加安全。該實驗裝置被控變量涵蓋了工業生產過程四大變量，模塊化的設計思路確保了裝置的擴展性，低廉的成本和強大的功能為裝置的推廣打下了堅實的基礎。

［1］朱濤，吉智.機電一體化技術綜合實驗實訓系統研究與實踐［J］.中國現代教育裝備，2011 （23）：64-68.

［2］張明金.化工電器與儀表自動化技術［M］.北京：機械工業出版社，2012.