多重融合的過程控制實訓室設計與實現

劉書凱（常州工程職業技術學院自動化技術系，江蘇常州，213164)

多重融合的過程控制實訓室設計與實現

劉書凱
（常州工程職業技術學院自動化技術系，江蘇常州，213164)

生產過程自動化技術專業的學生需要掌握過程參數檢測與控制，檢測儀表的選擇、安裝、調試以及自動控制系統的安裝、調試、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室中來訓練，所以能夠提供訓練這些能力的實訓設備的建設就尤為重要。

多重融合；過程控制實訓室；控制方案；控制系統

生產過程自動化技術專業培養的是具有較強的敬業精神、實踐能力、創造能力和自我發展能力，具備生產過程自動化的基礎知識和基本技能，掌握生產過程控制的實踐操作技能，熟悉常用生產過程自動化設備和典型過程控制系統，能從事生產過程自動化裝置及自動化儀表的設計、安裝、調試、維護等工作的高素質高級技能型專門人才。如何才能培養這樣的人才？有效的實訓裝置必不可少，而將企業的實際生產設備直接搬到實訓室中顯然也是不現實的，那么如何建設既能與生產實際相吻合又能不額外增加學校的經濟負擔，既能培養學生的各項專業技能又能比較容易組織教學的過程控制裝置呢？本實訓室設計就是為了解決這些問題而進行的，在設計過程中將企業工藝、各種控制方案、常用的控制器、各種過程參數、檢測儀表的選擇與安裝、各種技能操作融合到教學實訓設備中，完成了多重融合的過程控制裝置。

1 企業生產工藝與實訓設備相融合

本專業培養的學生的主要就業面向生產過程在線運行的自動化儀表、控制裝置的選用安裝、系統組態、調試投運、運行維護、檢修等工作崗位，而這些工作都是和生產工藝密不可分，所以本實訓室需要選擇和生產實際緊密結合的生產過程；既要包含生產過程中常見的一些生產設備，同時又要在實訓室中比較容易實現。最后我們選擇乙醛氧化制醋酸的生產工藝，使用鼓泡反應器乙醛氧化塔、原料儲罐、冷卻水儲罐、輸送泵等作為主要的生產設備，使用電動調節閥、氣動調節閥、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行儀表。這樣生產中的實際工藝流程就可以在實訓室中實現，并且所使用的各種儀表和控制系統都和實踐生產中使用的一致，使學生在學習和操作中能夠真正體會到實際生產的過程，有一種身臨其境的感覺。

通過上述的設計，整個實訓裝置就將企業生產過程搬到了學校的實訓室中，滿足本專業學生各種技能訓練的要求，使人才培養方案中所規定的能力要求落到實處。

2 多種控制方案融合

在過程控制系統中，不同的場合、不同的控制要求、不同的參數、不同的工藝都有不同的控制方案，而本專業的學生也要求掌握這些控制方案，所以在實訓設備的設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簡稱單回路控制系統，在所有的反饋控制系統中是最簡單最基本的一種，因此它又被稱為簡單控制系統，單回路控制系統有4個基本環節組成，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 單回路控制系統方框圖

在實訓過程中原料儲罐、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、負荷與干擾變化比較平穩或者工藝要求不太高，需要單回路控制，所以設計了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

在現代工業生產過程中，經常會存在兩種或幾種原料進行混合，然后在反應器中進行反應，生產新的物料，在反應過程中這幾種原料要保持一定的比例關系，反應才能夠正常進行，否則很可能會影響產品質量，造成原料浪費，能源消耗，環境污染，甚至會產生事故。在這種情況下，為了保證原料的比例關系通常使用比值控制系統，根據工藝和控制要求的不同可以設計單閉環比值控制系統、雙閉環比值控制系統、變比值控制系統等。化工各種反應對參與化學反應的物料比都有一定的要求。乙醛氧化制醋酸生產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。乙醛是通過輸送泵送入氧化塔的，進入量基本穩定，空氣流量與乙醛的比值K=5，所以采用流量單閉環比值控制系統，原理圖和控制方框圖如圖2所示，其中F1為乙醛，F2為空氣，K值為5。

圖2 單閉環比值控制系統

2.3 串級控制方案

本系統的反應是在反應溫度為80±5℃、反應壓力為1.5×105 Pa的條件下進行的，乙醛轉化率為80%。故保持穩定的反應溫度是非常重要的，但是溫度參數存在著非常嚴重的滯后性，所以使用單回路控制系統往往達不到預期目標，主要原因是在系統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，調節不及時的后果，所以設計了溫度-流量串級控制系統來控制反應溫度。這樣就可以抑制副回路（流量回路）產生的干擾，能改善控制通道的動態特性，提高系統的快速反應能力。

綜上所述，本實訓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。這對與生產過程自動化技術專業的學生能力培養無疑是非常重要和必要的，可以滿足過程控制系統、過程控制工程等課程的實驗實訓需求。

3 多種控制系統融合

在現代生產過程中，根據系統不同，往往會使用不同的控制器或控制系統，主要包括數字式PID調節器、可編程控制器（PLC）、集散控制系統（DCS）等，所以為了讓學生對這些常用的控制器或控制系統都能夠掌握，本實訓裝置融合了上述三種控制系統。各控制系統相互獨立，具體解決方法是將現場信號直接接到端子，再由學生自由選擇控制系統，進而進行已經接線，構成不同的控制回路，達到控制生產的目的。

使用數字式PID調節器，主要訓練學生將現場檢測信號、執行信號和調節器進行連接構成控制回路的能力；硬件連接、工具使用的能力；調節器PID參數設置和整定的能力。

可編程控制器（PLC）控制系統利用控制計算機作為上位機，MCGS組態軟件作為監控操作臺，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控。主要訓練學生PLC的硬件安裝接線、控制程序設計、工藝過程操作、控制系統調試等能力。

集散控制系統（DCS）采用了目前行業中廣泛使用的浙江中控的JX-300XP集散控制系統，設計中包括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（ESD），對生產過程中的各個參數進行檢測、對工藝生產進行監控。主要訓練學生DCS系統工程設計、硬件選型安裝、網絡組建、軟件組態、系統調試運行等能力。

4 結束語

本次設計從生產過程自動化技術專業人才培養規格出發，結合企業生產過程、生產工藝和學校實訓的特點，采用了生產工藝與實驗設備相融合、多種控制方案融合、多種控制系統融合等多種融合方式。目前，本設計的實訓室已經完成，在實際教學過程中運行正常，效果非常好，為“項目引導、任務驅動”理實一體化的項目化教學提供了有力的硬件保證。

孫慧峰.過程控制系統的分析與調試.北京：科學出版社,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。

院級實訓室建設立項項目：立項單位：常州工程職業技術學院，立項類別：院級，編號：SX2010-10