小型過程控制集成實(shí)踐裝置研發(fā)

李麗娟, 劉成龍, 周夢(mèng)迪, 楊世品, 唐桂忠

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京　211816)

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小型過程控制集成實(shí)踐裝置研發(fā)

李麗娟, 劉成龍, 周夢(mèng)迪, 楊世品, 唐桂忠

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京211816)

研發(fā)了一種低成本、高集成、網(wǎng)絡(luò)化的小型鍋爐過程控制實(shí)踐裝置。該裝置以小型化的工業(yè)鍋爐為對(duì)象,集成了主要工業(yè)參數(shù)的檢測(cè)、智能儀表控制、PLC模擬量和數(shù)字量控制,以及多種方案的網(wǎng)絡(luò)化控制等功能。該裝置具備開放性,能夠在更新?lián)Q代的現(xiàn)狀下不斷開發(fā)新的控制系統(tǒng)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目,學(xué)生在創(chuàng)新項(xiàng)目鍛煉下創(chuàng)新實(shí)踐能力得到提升。教學(xué)實(shí)踐和學(xué)科競(jìng)賽等的實(shí)踐表明該裝置有良好的應(yīng)用效果。

實(shí)踐裝置； 過程控制； 小型鍋爐

過程控制是自動(dòng)化專業(yè)一個(gè)重要的方向,檢測(cè)、智能儀表控制、PLC控制以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是過程自動(dòng)化的核心內(nèi)容[1]。自動(dòng)化專業(yè)存在儀表及控制裝置更新?lián)Q代快的特點(diǎn),但由于經(jīng)費(fèi)的原因教學(xué)設(shè)備往往不能及時(shí)地跟蹤市場(chǎng)變化[2]。

基于各教儀廠家實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品價(jià)格高昂且功能單一,很多高校從專業(yè)特色和人才培養(yǎng)的不同目標(biāo)出發(fā),設(shè)計(jì)開發(fā)了各類過程控制實(shí)踐設(shè)備[3-10]。國內(nèi)多所高校自制了集成化的實(shí)踐裝置,如融合傳感、智能儀表、虛擬儀器、計(jì)算機(jī)控制為一體的多功能實(shí)踐裝置[4],參數(shù)測(cè)量和控制綜合實(shí)踐裝置[5],智能儀表與PLC集成控制實(shí)踐裝置[6]等。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展[7],網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備開發(fā)也引起了各高校的高度重視,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)踐平臺(tái)等相繼出現(xiàn)[8-10]。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué),一般高校采取增加工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的方式,這樣可能存在兩個(gè)問題:一是傳統(tǒng)的檢測(cè)和控制平臺(tái)是封閉的,一般沒有網(wǎng)絡(luò)接口,需要大費(fèi)周折進(jìn)行改造,可能引起原設(shè)備的損壞；二是原設(shè)備的檢測(cè)裝置或控制器不支持多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,無法進(jìn)行多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的拓展,改造后的裝置網(wǎng)絡(luò)功能單一。鑒于此,我們立足于化工過程自動(dòng)化特色,緊跟自動(dòng)化專業(yè)的技術(shù)發(fā)展,自主設(shè)計(jì)開發(fā)了低成本、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的小型鍋爐自動(dòng)化裝置,集成了數(shù)字量/模擬量檢測(cè)、智能儀表控制、PLC數(shù)字量控制、PLC模擬量控制、PPI/MPI/Profibus/Modbus/Industrial Ethernet工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控等功能,基本涵蓋了實(shí)際化工過程自動(dòng)化中應(yīng)用的功能,使學(xué)生在同一套裝置上完成自動(dòng)化核心技術(shù)的實(shí)踐,強(qiáng)化了工程背景,利于學(xué)生知識(shí)的整體性。

1　裝置設(shè)計(jì)理念

(1) 接近工業(yè)過程但非完全模擬。不同化工過程一般根據(jù)對(duì)象規(guī)模和特性僅采用一種控制器(智能儀表、PLC或DCS)、兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(底層Modbus或Profibus,上層工業(yè)以太網(wǎng)),這種裝置功能單一,不利于學(xué)生全面掌握自動(dòng)化技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的裝置并不是實(shí)際生產(chǎn)過程的簡單模擬,而是把生產(chǎn)過程中可能的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行集成。

(2) 過程對(duì)象簡化但涵蓋基本工業(yè)控制類型。自動(dòng)化專業(yè)對(duì)工藝過程的了解并不需要特別深入,本裝置采用原理相對(duì)比較簡單的鍋爐對(duì)象,但包含溫度、液位、壓力等模擬量變量，以及加水、加熱等數(shù)字量變量,因而具備模擬量和數(shù)字量控制功能。

(3) 裝置具備開放性。由于自動(dòng)化產(chǎn)品更新?lián)Q代很快,裝置采取模塊式結(jié)構(gòu),具備開放性,可以方便地采用不同廠家、不同型號(hào)的控制器產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)踐。

(4) 裝置集成過程自動(dòng)化方向的核心技術(shù)。針對(duì)同一對(duì)象,具備檢測(cè)、控制、網(wǎng)絡(luò)化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,學(xué)生可以在一套裝置上完成過程自動(dòng)化的各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

(5) 裝置強(qiáng)化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)功能。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的需求,裝置注重工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐項(xiàng)目,集成多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2　小型鍋爐集成監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

該集成裝置總體結(jié)構(gòu)見圖1。該裝置以小型鍋爐為被控對(duì)象,參數(shù)主要有溫度、液位、壓力等工業(yè)基本變量,采用智能儀表和PLC兩種控制器方案對(duì)其進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)和控制,兩者通過切換開關(guān)任意切換。鍋爐溫度采取雙位控制方式,鍋爐液位采取雙位和PID兩種控制方式,對(duì)于PLC控制方案,還可與其他PLC設(shè)備構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)、MPI網(wǎng)絡(luò)、Profibus網(wǎng)絡(luò)、Ethernet網(wǎng)絡(luò)及其各種組合方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1　集成裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1鍋爐對(duì)象設(shè)計(jì)

考慮到工藝過程并非自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生要掌握的主要知識(shí),自主設(shè)計(jì)了過程工藝相對(duì)簡單的工業(yè)級(jí)小型鍋爐,工藝過程見圖2。鍋爐由高位水箱通過增壓泵供水,可由調(diào)節(jié)閥或電磁閥兩路進(jìn)入鍋爐。鍋爐內(nèi)水位達(dá)到最低限以上時(shí),加熱器開始工作使鍋爐升溫,達(dá)到需要的溫度。為防止水滿溢出,鍋爐液位需要控制在一定范圍內(nèi),通過雙色液位計(jì)指示實(shí)際液位，并經(jīng)液位變送器傳送至控制器與設(shè)定液位比較,決定進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開度或電磁閥是否打開。鍋爐內(nèi)水溫是主要控制指標(biāo),通過溫度變送器測(cè)量并送至控制器,由控制器根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差決定加熱器的工作狀態(tài)。為保證安全,鍋爐頂部設(shè)計(jì)一安全閥,當(dāng)鍋爐內(nèi)氣壓超過一定數(shù)值時(shí)安全閥打開。鍋爐內(nèi)氣壓控制與溫度控制存在耦合,氣壓并非鍋爐的主要質(zhì)量指標(biāo),因此裝置中氣壓僅為監(jiān)測(cè)參數(shù),可就地指示并通過壓力變送器遠(yuǎn)傳。在實(shí)驗(yàn)中為確保安全,安全閥的開啟壓力設(shè)定為大氣壓,因此鍋爐氣壓表壓保持在零值附近。

圖2　小型鍋爐工藝流程圖

2.2檢測(cè)儀表及控制設(shè)備

裝置中的溫度、液位、壓力變送器均采用工業(yè)級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)指示儀及變送器。智能儀表和報(bào)警儀采用南京優(yōu)倍電氣有限公司產(chǎn)品。PLC和觸摸屏采用市場(chǎng)占有率很高的西門子系列產(chǎn)品,目前配置了2臺(tái)S7-200CPU224XP和2臺(tái)S7-300CPU315-2DP,以及相應(yīng)的模擬量擴(kuò)展模塊、Profibus通信模塊EM277、以太網(wǎng)通信模塊CP243-1和觸摸屏TP270。近期配備了羅克韋爾最新發(fā)布的Micro850CPU及相關(guān)模塊,可作為裝置的可選PLC控制器。另外,實(shí)驗(yàn)室配備了西門子公司最新發(fā)布的S7-1200CPU,可與其他產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)組成更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

為了使鍋爐對(duì)象具備擴(kuò)展性,裝置控制面板上設(shè)置了PLC控制/智能儀表控制切換開關(guān),可以方便地在兩者間進(jìn)行切換。

2.3裝置實(shí)物及元器件布置

開發(fā)的小型鍋爐集成監(jiān)控裝置實(shí)物圖見圖3。儀表控制由嵌入在配電柜面板的智能儀表實(shí)現(xiàn),面板上設(shè)置報(bào)警指示、狀態(tài)指示以及儀表/PLC控制切換開關(guān)等。不同于工業(yè)PLC控制柜,本裝置PLC控制設(shè)備掛接在獨(dú)立的開放式網(wǎng)狀架上,便于動(dòng)手接線、變換控制方案和網(wǎng)絡(luò)方案而進(jìn)行各種方式的實(shí)踐。

圖3　集成小型鍋爐監(jiān)控裝置實(shí)物圖

3　實(shí)踐項(xiàng)目與應(yīng)用

本集成實(shí)踐裝置可開設(shè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)、綜合課程實(shí)習(xí),以及創(chuàng)新研發(fā)實(shí)踐項(xiàng)目。

3.1基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)

依托現(xiàn)有成套裝置可開出：(1)“檢測(cè)儀表”課程實(shí)驗(yàn),測(cè)試記錄液位變送器、溫度變送器的上/下行程；(2)“智能控制儀表”課程實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證智能儀表對(duì)溫度和液位控制；(3)“可編程控制器”課程實(shí)驗(yàn),練習(xí)PLC接線,進(jìn)行基本數(shù)字量控制、基本模擬量控制和基本網(wǎng)絡(luò)控制等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；(4)“過程控制工程”實(shí)驗(yàn),可進(jìn)行溫度、液位對(duì)象特性測(cè)試,也可進(jìn)行PID控制算法投運(yùn)和參數(shù)調(diào)節(jié)；(5)“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程實(shí)驗(yàn),進(jìn)行多種協(xié)議工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置和通信測(cè)試。這些實(shí)驗(yàn)基本涵蓋了自動(dòng)化專業(yè)核心課程。

3.2課程實(shí)習(xí)

利用本集成裝置,可開展“可編程控制器”課程實(shí)習(xí),開發(fā)基于S7-200(或S7-300)以及觸摸屏的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。要求學(xué)生利用S7-200(或S7-300)作為控制器設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)鍋爐溫度進(jìn)行雙位控制,對(duì)鍋爐液位進(jìn)行調(diào)節(jié)閥PID控制和電磁閥雙位控制,對(duì)壓力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,編寫溫度、壓力、液位的數(shù)據(jù)采集程序,并編寫相應(yīng)的控制程序,調(diào)試完成控制過程。同時(shí),觸摸屏端開發(fā)相應(yīng)的監(jiān)控軟件,動(dòng)態(tài)顯示鍋爐各參數(shù)和各閥門動(dòng)作狀態(tài)。S7-200(或S7-300)與觸摸屏間通過Profibus協(xié)議組網(wǎng)或通過以太網(wǎng)組網(wǎng)。

該課程實(shí)習(xí)綜合鍛煉了學(xué)生根據(jù)工藝需求完成控制系統(tǒng)工程項(xiàng)目的能力,綜合應(yīng)用“可編程控制器”“過程控制工程”“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等課程知識(shí),并要求學(xué)生自學(xué)組態(tài)軟件應(yīng)用,分組完成從設(shè)計(jì)到實(shí)施到操作說明編寫的全過程。該實(shí)習(xí)以項(xiàng)目開發(fā)的形式開展,激發(fā)了學(xué)生的求知欲,鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐操作能力和解決實(shí)際問題能力,也鍛煉了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。圖4和圖5分別是學(xué)生課程實(shí)習(xí)階段開發(fā)的觸摸屏監(jiān)控界面和參數(shù)實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖。

圖4　監(jiān)控界面

圖5　實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖

3.3創(chuàng)新研發(fā)實(shí)踐項(xiàng)目

在畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐和大學(xué)生各類學(xué)科競(jìng)賽中,基于最新的控制器設(shè)備和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),針對(duì)該小型鍋爐對(duì)象開發(fā)基于新產(chǎn)品的控制系統(tǒng),鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)新知識(shí)和應(yīng)用新知識(shí)的能力。實(shí)驗(yàn)室及時(shí)購進(jìn)市面上新發(fā)布的PLC控制器產(chǎn)品。在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段,由學(xué)生利用這些新控制器的小型鍋爐控制系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目。目前已完成或正在進(jìn)行“基于S7-200PLC的小型鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“基于S7-300PLC的小型鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“基于S7-1200PLC的小型鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“基于羅克韋爾Micro850PLC的小型鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“小型鍋爐多網(wǎng)絡(luò)控制方案研究與實(shí)現(xiàn)”等畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中,學(xué)生利用該裝置申報(bào)的“網(wǎng)絡(luò)化全集成小型鍋爐工業(yè)控制實(shí)踐平臺(tái)研發(fā)”項(xiàng)目獲“江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201510291025Z)”資助。該項(xiàng)目集成開發(fā)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可能的多種控制器和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組合方案[11],為學(xué)生全面熟悉和熟練操作控制器和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供了良好的平臺(tái)。研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化控制方案匯總見表1。由表1可見,以S7-200/300/1200為現(xiàn)場(chǎng)控制器的所有工業(yè)常見網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)均做了開發(fā),預(yù)期在后續(xù)課程教學(xué)和綜合實(shí)習(xí)階段會(huì)使學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力更進(jìn)一步提升。

表1　網(wǎng)絡(luò)化控制方案匯總

在大學(xué)生學(xué)科比賽中,學(xué)生利用該裝置進(jìn)行“西門子大學(xué)生工業(yè)控制挑戰(zhàn)賽”的賽前訓(xùn)練和實(shí)際操作練習(xí),2015年本校學(xué)生首次組隊(duì)參賽就獲得了1項(xiàng)全國比賽一等獎(jiǎng),1項(xiàng)全國比賽三等獎(jiǎng)以及1項(xiàng)華東賽區(qū)一等獎(jiǎng),2項(xiàng)華東賽區(qū)二等獎(jiǎng),2項(xiàng)華東賽區(qū)三等獎(jiǎng)的好成績,顯示了學(xué)生實(shí)踐操作的良好素質(zhì)和對(duì)裝置的熟練應(yīng)變能力。

該裝置已在3屆學(xué)生的課程實(shí)踐和創(chuàng)新訓(xùn)練中得到了充分利用,由于其涵蓋課程面廣并且具備開放性,而且實(shí)驗(yàn)室不斷擴(kuò)充新的PLC產(chǎn)品供學(xué)生陸續(xù)開發(fā)新的應(yīng)用,裝置利用率非常高,學(xué)生和教師對(duì)裝置的實(shí)踐效果都非常滿意。學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到了大幅提升,用人單位對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力高度認(rèn)可,并且在首次參加的“西門子杯大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽”中我校學(xué)生表現(xiàn)出了不凡的實(shí)力。基于平時(shí)的大量強(qiáng)化訓(xùn)練,學(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)目開發(fā)和學(xué)科競(jìng)賽熱情高漲,踴躍參加西門子、羅克韋爾等各類自動(dòng)化大賽,并在準(zhǔn)備參賽過程非常執(zhí)著勤奮,形成了良好的實(shí)踐創(chuàng)新氛圍。

4　結(jié)論

本文開發(fā)的小型過程控制集成裝置以過程自動(dòng)化為培養(yǎng)目標(biāo),把專業(yè)核心知識(shí)集成在一套裝置中,同市面上其他功能單一的實(shí)訓(xùn)設(shè)備相比,通過該裝置訓(xùn)練學(xué)生能夠深刻體會(huì)到專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用背景,了解到所學(xué)專業(yè)知識(shí)要解決的工業(yè)實(shí)際問題,并由此激發(fā)出新思路,開展創(chuàng)新實(shí)踐。同時(shí),本裝置的開放性使學(xué)生能夠靈活地利用多廠家、多型號(hào)的自動(dòng)化產(chǎn)品構(gòu)建豐富多樣的控制方案和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)方案,使學(xué)生在同一裝置上最大范圍地了解到自動(dòng)化產(chǎn)品及其應(yīng)用。

同時(shí)，裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)過程以及根據(jù)培養(yǎng)特色和教學(xué)需求不斷改進(jìn)實(shí)踐裝置的過程,大大鍛煉了自動(dòng)化專業(yè)教師的設(shè)計(jì)開發(fā)及系統(tǒng)集成能力,這種能力的提升改善了教學(xué)中知識(shí)枯燥、刻板的弊端。

盡管裝置的開發(fā)在教學(xué)中發(fā)揮了巨大的作用,取得了明顯的成效,但裝置仍存在一定的問題。比如:儀表柜到PLC控制架間走線的美觀性有待進(jìn)一步提升,工業(yè)4大參數(shù)中現(xiàn)裝置缺乏流量變量,鍋爐采用鑄鐵材質(zhì)存在生銹問題。相信在開發(fā)新裝置時(shí)這些問題一定會(huì)得到解決,使產(chǎn)品更加成熟。

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Research and development of integrated small-size process control practice device

Li Lijuan, Liu Chenglong, Zhou Mengdi, Yang Shipin, Tang Guizhong

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Technology University, Nanjing 211816, China)

A low cost,highly integrated,networked small-size boiler control practice device was designed and developed. The small-size boiler was selected as the object of the device. which integrates the detection of main industrial parameters,intelligent instrument control,PLC analog variables control and digital variables control,and networked control with kinds of strategies. The device is open to develop new control system and industrial network with newly emerging automation products. The practice and innovation abilities of students are improved gradually with the long-term research of innovative projects. The application of the developed device in teaching practice and academic contests shows the validity.

practice device; process control; small-size boiler

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.021

2016-03-17修改日期：2016-04-30

江蘇省十二五高等學(xué)校重點(diǎn)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201510291025Z)

李麗娟(1976—)，女，山西文水，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)過程先進(jìn)控制.

E-mail：ljli@njtech.edu.cn

TP273；G484

A

1002-4956(2016)9-0079-05