過程控制實驗裝置功能開發與應用

艾 紅

（北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192）

我校和浙江天煌科技實業有限公司共同研制的過程控制多功能實驗裝置，通過巧妙設計，4套多功能實驗裝置分別能做20多個本科生的專業實驗和開放課題研究。目前實驗裝置成功用于我校的本科教學實驗、課程設計和綜合實驗。實驗裝置涉及到變頻控制技術，壓力、溫度、液位、流量的測試技術，計算機數據采集技術，PID控制技術，現場總線技術以及數據通信技術等，是比較典型的集過程、設備及控制于一體的多學科交叉實驗裝置。該過程控制多功能實驗裝置實驗方案多、學生參與性強。由于控制參數多、管路布置巧妙，學生可以自己選擇或設計實驗方案，大大提高了學生的參與性和實驗內容的多樣性［1－4］。

1 過程控制實驗裝置構成

過程控制多功能實驗裝置是過程控制方向相關課程實驗與創新研究的平臺，以過程控制為背景，對典型的過程控制參數，如溫度、流量、壓力、液位等實現傳統的儀表控制。該裝置使學生掌握實際生產過程中各類過程參數的采集、信號變換與傳送，過程控制系統中控制器的一般設計方法，讓學生可以熟悉多種控制器的使用，如PLC、智能儀表、計算機控制系統等。通過多種軟件和組態軟件的使用，組合在一起構成一個完整的過程控制系統。

過程控制多功能實驗裝置由一個實驗屏和模塊化的掛件、現場總線儀表、變送器、執行部件、被控對象和快速連接管路等組成。實驗屏是實驗系統的安裝支架，兩邊均可掛裝各類實驗模塊，在實驗屏的上方有配電架，實驗所需的電源、加溫系統和水泵電機控制單元等均安裝在其中。實驗裝置分為常規儀表側和現場總線儀表側兩大部分。現場儀表側由三相AC220V磁力驅動泵、西門子電磁流量計PA儀表、氣動調節閥配西門子閥門定位器、電磁閥、手動閥、有機玻璃水箱、壓力變送器、盤管、現場總線控制系統接線箱等組成。常規儀表側由三相AC380V磁力驅動泵、智能電動調節閥、孔板流量計、差壓變送器、壓力變送器、渦輪流量計、有機玻璃水箱、常規儀表控制屏、實驗掛件等組成（見圖1）。儲水箱、模擬鍋爐、盤管為兩側共用，在做復雜系統實驗時，兩側執行器也可共用。所有掛在網孔板上的控制對象，測量儀表等部件均可靈活地拆裝，滿足實驗的特殊要求［5－6］。

圖1 常規儀表側的過程控制設備

2 過程控制實驗裝置對象與儀表

2.1 傳感器與儀表

多功能實驗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。擴散硅壓力變送器可輸出4～20mA標準信號，測量精度為0.5級。孔板流量計與電容式差壓變送器配合測量流量。執行器有電動調節閥，其額定流量為0.3t／h，等百分比特性，內置伺服放大器，4～20mA信號輸入，4～20 mA閥位反饋信號輸出。

2.2 實驗裝置對象

上、下水箱采用淡藍色優質有機玻璃，水箱底部均設置有采壓口、出水口。進水時水管的水先流入緩沖槽，然后才流入工作槽，經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩定，便于觀察。2只磁力驅動泵，一只是三相380V恒壓驅動，另一只是三相變頻220V驅動。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。做溫度實驗時，冷卻層的循環水可以使加熱層的熱量快速散發，使加熱層的溫度快速下降。可以完成溫度的定值控制、串級控制、前饋－反饋控制和解耦控制等實驗。盤管的出水通過軟管連接，既可以流入鍋爐內膽，也可以流回儲水箱。手動球閥對管道的連通狀態進行切換，實現不同實驗的管路連接。手動閥門采用優質球閥，避免管道系統生銹的可能性。通用氣泵可以為氣動調節閥提供氣源。過程控制對象見表1。

表1 過程控制對象

2.3 接線箱

實驗裝置有現場總線控制系統接線箱和出線盒。現場總線控制系統側傳感器和執行器的信號線、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的2個航空插座。溫度傳感器和執行器為常規儀表側和現場總線儀表側共用，當現場總線側要做溫度實驗時，要將接線箱上面的“信號源”弱電柱和相對應的“信號輸入”接線柱用弱電實驗導線連接起來，將溫度傳感器和執行器接入控制系統。出線盒左側的42芯航空插座為現場總線側弱電線連接插座，19芯航空插座為現場總線側強電線連接插座。現場總線控制柜是通過這2個接口最終和實驗對象連接起來組成系統。出線盒右側為實驗對象的擴展端子，常規儀表側的傳感器和執行器的信號線連接到擴展端子，便于常規儀表側控制對象接入其他控制系統如DCS控制系統。

2.4 實驗裝置的安全保護體系

三相四線制總電源輸入通過帶漏電保護裝置的三相四線制斷路器進入系統電源。總電源設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功能。鍋爐和儲水箱內有液位檢測開關，并在控制屏上設置有干燒報警和水位報警指示燈，防止鍋爐無水干燒和儲水箱無水時磁力泵空轉。強電接線插頭采用封閉式結構，防止觸電事故的發生。強弱電連接線采用不同結構的插頭、插座，防止強弱電混接［7－8］。

3 過程控制多功能實驗裝置控制器

控制器可以是基于單片機控制的智能儀表，也可以采用臺灣研華PCI數據采集卡1711或者遠程數據采集模塊，基于MCGS組態軟件編程實現的計算機控制系統。

3.1 智能儀表控制

采用上海萬迅儀表有限公司生產的AI系列全通用人工智能調節儀表，智能調節儀I為AI－708H型，智能調節儀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，輸出為繼電器觸點型開關量信號。AI系列儀表通過RS485串口通信協議與上位計算機通信，實現系統的實時監控。采用比值、前饋補償及解耦裝置掛件使比值、前饋補償裝置同調節器一起使用。作為比值器，輸入電壓經過電壓跟隨器、反相比例放大器、反相器輸出0～5V電壓，可以實現流量的單閉環比值、雙閉環比值控制系統。當一路作為干擾輸入，另一路作為調節器輸出時，兩路相加或相減，再經過I／U 變換輸出4～20mA電流，構成一個前饋補償器，可以實現液位與流量、溫度與流量的前饋－反饋控制系統。

3.2 遠程數據采集控制

遠程數據采集控制即直接數字控制DDC，是以計算機代替模擬調節器進行控制，并通過數據采集板卡或模塊進行A／D和D／A轉換，控制算法全部在計算機上實現。遠程數據采集控制系統包括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通信協議轉換模塊R8520。RemoDAQ8000系列智能采集模塊通過RS485等串行口通信協議與計算機相連，由計算機中的算法及程序控制實現數據采集模塊對現場的模擬量、開關量信號的輸入和輸出，以及實現脈沖信號的計數和測量脈沖頻率等功能［9－10］。

3.3 基于數據采集卡的計算機控制

PCI－1711數據采集卡是多功能PCI總線數據卡，采樣時可完成多路選通開關的控制，可以根據每個通道不同的輸入電壓類型，進行輸入范圍的確定。配備了16路模擬量輸入，12位A／D轉換器，采樣速率可達100kHz，每個輸入通道的增益可編程，具有自動通道／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路數字量輸入、16路數字量輸出。支持相關軟件編程的連接，如VB、VC、LabVIEW、Matlab等，可以實現控制系統算法的研究。

4 實驗裝置功能開發

實驗裝置在結構設計上采用網孔板形式，器件可以方便地掛裝在網孔板上，管路連接采用軟管，方便拆裝，體現了實驗裝置的開放性和功能多樣化。可以完成實驗項目和內容有：傳感器特性的認識和零點遷移，自動化儀表的初步使用，變頻器的基本原理和初步使用，電動調節閥的調節特性和原理，測定被控對象特性；單回路和串級控制系統的參數整定，復雜控制系統的參數整定，控制系統的設計、計算、分析、接線和投運等；實現各種控制方案的生成及控制算法程序的編寫；可以進行基于現場總線儀表的過程控制系統組建、編程和設計等。

實驗裝置既包含了各種常規的檢測裝置，又包含了SIEMENS PA接口的總線檢測裝置，被控參數涵蓋了連續性工業生產過程中的液位、壓力、流量及溫度4大典型參數。控制對象組件來源于工業現場。敞開式實驗對象的結構設計，使實驗對象直觀、真實，實驗內容綜合性強。執行器中既有氣動調節閥、電動調節閥，又有變頻器、可控硅移相調壓裝置。調節系統除了有設定值的階躍擾動外，還可以通過電磁閥和手動操作閥制造各種擾動。能進行單變量到多變量控制系統及復雜過程控制系統實驗。采用2套供水系統的設計，使得每臺實驗裝置可以同時開出2組學生的常規實驗，提高了設備的利用率。

選擇上小水箱和下水箱串聯作為被測對象，并構成水箱液位的串級控制系統，串級控制系統是由主控、副控2個回路組成。主控回路中的調節器稱主調節器，控制對象為下水箱，下水箱的液位是系統的主被控量。副控回路中的調節器稱副調節器，控制對象為上小水箱，又稱副對象，上小水箱的液位是系統的副被控量。基于智能儀表控制、MCGS軟件制作界面的串級控制實驗結果如圖2所示。

圖2 串級控制實驗結果界面

5 結束語

我校堅持以人才的需求為導向，通過與教學儀器廠家合作研制了開放性的過程控制多功能實驗裝置，在進行正常課程的實驗、綜合實驗或者課程設計時，讓學生自己選取所需的儀表、組合被控對象和控制系統模塊，在網孔板上掛裝固定后，用快速連接軟管構成所需的實驗系統。儀器儀表具有可拆裝性，加深了學生對工程儀器儀表的理解。實驗裝置通過帶快速接頭的軟管自由連接，不僅鍛煉了學生的動手能力，也使學生對系統有了深刻的認識。用實驗導線連接好儀表和控制系統，進行系統的調試和運行，這一過程體現了實際工程的各個環節，使學生得到了很好的工程訓練，突出了對學生動手實際技能的培養［11－12］。

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