計算機控制與自動化儀表綜合實驗平臺的研究

韓燁

摘 要：計算機控制與自動化儀表綜合實驗平臺是由實驗控制對象、實驗控制臺（智能儀表、傳感器）及上位監(jiān)控PC機三部分組成。對于這一裝置來說，其能夠以用戶的需求為基礎，有效設計成為計算機控制以及自動化儀表控制系統(tǒng)共同組成的系統(tǒng)。其具有非常廣泛的應用性，能夠為使用者提供一個更為有效的物理模擬對象和實驗平臺。

關鍵詞：計算機控制 自動化儀表 綜合實驗平臺

中圖分類號：TP311.51 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0057-01

實驗對于培養(yǎng)專業(yè)人才有著至關重要的作用，其能夠有效提升專業(yè)人才的實踐能力，讓其將理論知識和實踐更好地結(jié)合在一起。然而目前市場上存在的實驗設備價格較為昂貴，并不能很好地滿足需求，實驗的對象與實際應用相脫節(jié)也是較為普遍的現(xiàn)象。在新的發(fā)展形勢下，人們對設備也提出了更高的要求，因此，計算機控制與自動化儀表綜合實驗平臺應運而生。該文就對此進行深入研究。

1 計算機控制與自動化儀表綜合實驗平臺的應用必要性

計算機控制與自動化儀表綜合實驗平臺能夠更為有效地提供實驗支持，其是在實踐和科研的基礎上建立起的計算機控制實驗平臺，能夠提供給應用者更為貼近工業(yè)現(xiàn)場設備的支持，且具有更低的造價，能夠有效降低實驗成本。不僅如此，該設備平臺通過應用更加靈活的配置，能夠為實驗者提供更好的訓練動手能力的機會，從而實現(xiàn)預期的目標。另外，該平臺還可以提供給應用者必要的條件，讓使用人員可以開展一些綜合性以及設計性的實驗。不僅如此，該裝置更加符合工業(yè)現(xiàn)場過程控制的實際情況，并在此基礎上，形成了一套多功能實驗設備，該設備集自動化儀表技術、計算機技術、通信技術及自動控制技術為一體，應用效果非常好。可見，研究和應用計算機控制與自動化儀表綜合實驗平臺是非常有必要的。

2 計算機控制與自動化儀表綜合實驗平臺的結(jié)構組成

2.1 被控對象

對于實驗裝置的被控對象來說，其有三個部分組成，即水槽、加熱水桶和盤管換熱器。水槽是變頻水泵循環(huán)水回路的水源儲存地，對其進行手動操作，就能有效補充自來水，也可以借助手動的閥門以及電磁閥來實現(xiàn)排水的效果。

保溫換熱水桶的罐體是罐內(nèi)水液位和罐內(nèi)水溫度的單變量對象，在液位系統(tǒng)上配備液位傳感變送器，其水源來自于自來水，通過電動調(diào)節(jié)閥來完成控制過程。在調(diào)節(jié)溫度時，該過程由晶閘管模塊來完成，該模塊能有效控制電加熱器的加熱程度，從達到對溫度系統(tǒng)加以調(diào)控的目的。另外，把溫度和液位有機結(jié)合起來，就夠構成溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)或解耦控制系統(tǒng)。

盤管由變頻水泵提供水源，長度一般約15 m，位于保溫換熱水罐之內(nèi)，可分別構成溫度、壓力和流量的單變量對象。出水口溫度的控制則通過盤管和熱水罐間的熱交換完成。但是，盤管的長度較長，能夠形成純滯后的對象，進而實現(xiàn)前饋——反饋控制系統(tǒng)和史密斯控制系統(tǒng)。另外，盤管的出口位置的水溫度和水罐液位的關系能夠進行有效的解耦控制。

2.2 傳感變送器

傳感變送器主要有液位傳感變送器、壓力傳感變送器、溫度傳感變送器和流量傳感變送器四種。有效應用液位、壓力兩個傳感變送器能取得良好效果。其中，液位傳感器的主要作用就是有效檢測水罐的液位；壓力傳感器則被用于更好地檢測變頻水泵的供水壓力，兩者夠有效構成恒壓的變頻調(diào)速系統(tǒng)。溫度傳感變送器主要應用了四個Ptl00熱電阻溫度傳感變送器，這四個傳感變送器的作用各不相同，一個用于檢測水罐的水溫，另外兩個則對盤管的兩個測試點的溫度進行檢測，另一個則對水槽的水溫進行檢測。流量傳感變送器在盤管的回路中設置了一個電磁流量計，該儀器夠有效檢測盤管回路中的水流量。因而，流量傳感變送器能夠同變頻水泵構成有機的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.3 執(zhí)行機構

執(zhí)行機構是平臺的重要部位，其主要由電動調(diào)節(jié)閥、水泵和變頻器、電加熱管和單相交流調(diào)壓模塊組成。電動調(diào)節(jié)閥電源采用單相220 V，控制信號為4～20 mADC或1-5VDC，輸出為4～20 mADC的閥位信號，它主要用于控制回路，并對回路中的流量進行有效調(diào)節(jié)。水泵和變頻器裝置通過應用一個磁力驅(qū)動泵，然后經(jīng)過變頻而輸出驅(qū)動。電加熱管和單相交流調(diào)壓模塊對平臺的電壓和溫度有很好的調(diào)節(jié)作用。其包含的電加熱器能夠?qū)λ拗械乃M行有效升溫，加熱是在晶閘管模塊控制下完成的。輸出的交流電壓能夠有效控制電加熱器的端電壓。這樣就能夠更好地調(diào)節(jié)保溫換熱器的溫度。

2.4 實驗平臺控制器件

實驗平臺的控制器件包括智能儀表和計算機。這些控制器件能有效應用PID智能控制器，并配合各類傳感變送器，來完成對溫度、壓力、液位、成分等過程量的測量、變換、顯示、通信和控制。儀表通過串口和上位計算機進行有效的通信，進而達到了控制效果，使計算機對系統(tǒng)的管理和監(jiān)測變得更為有效。

在實驗平臺中，有3臺PID智能控制器，其有不同的作用。其中兩臺的主要作用是有效控制水罐溫度和液位。另外一臺的作用則是有效配合盤管壓力、溫度、流量傳感變送器原件，構成不同的控制系統(tǒng)。該PID智能控制器有控制權轉(zhuǎn)移功能，因此計算機可以很好地控制儀表有效進行報警輸出和控制輸出以及變送輸出等，這樣就能夠更好地實現(xiàn)上位機直接數(shù)字控制。

3 軟件的實驗環(huán)境及平臺分析

因為實驗平臺功能齊全，實驗操作界面也很好，所以計算機的控制功能能夠得到充分發(fā)揮。通過應用此平臺，能夠有效實現(xiàn)監(jiān)督和控制功能，對儀表的控制狀態(tài)有一個更好的了解。與此同時，還可以有效使用計算機來直接進行數(shù)字控制。在該實驗環(huán)境中，預留了算法的添加，同時也有驗證的接口，這能夠為實驗者提供更好的支持，為其編制自定控制算法提供便利，同時也可以讓其在實驗平臺上有效完成實際驗證和測試。

對于軟件平臺來說，該裝置基于計算機系統(tǒng)而設計，主要應用于快速地構造和生成上位監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可以有效運行計算機系統(tǒng)。平臺為用戶提供了更好的支持平臺，讓實驗者能夠更好地應用其去解決實際問題，并獲得更為優(yōu)化的方案和開發(fā)平臺。該平臺能為實驗者進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出等提供極大的便利。

4 結(jié)語

計算機控制與自動化儀表綜合實驗平臺的設計與應用能夠提供給實驗者更好地用戶體驗，能夠提供其更好地工作支持，有效地提升了運行效率，簡化了操作模式，讓應用者可以更好地進行操作。同時，該系統(tǒng)還能夠很好地鏈接實際工程，從而讓實驗者可以更好地獲得實踐體驗，是非常值得應用和推廣的。

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