控制工程實驗教學研究

任銀娥 陳磊 徐夢嬌

摘 要：本文主要針對過程裝備與控制過程專業本科學生實驗教學環節的研究總結，主要介紹了有關控制工程實驗室用于實驗的控制裝置（如：水箱、鍋爐、檢測儀表、控制閥、單項泵等）的組成和各自的工作原理，及實驗所用組態軟件MCGS介紹，并詳細說明了實驗要求及安全操作規程及所包括的實驗項目。

關鍵詞：過程控制 實驗 信號

過程控制實驗室主要用于過程裝備與控制工程專業本科實驗教學用，對于我校來說，此專業的學生共開設了兩門與本實驗室有關的課程，分別是大三下半年所上的《過程裝備控制技術及應用》與大四上半年所上《過程控制過程》兩門課程。對于理工科學生來說，實驗教學對他們來說是十分重要的環節，本實驗室利用實驗室現有一些設備開發了一些專業相關實驗，本文主要對實驗對象、實驗所用儀表、組態軟件MCGS、實驗要求及安全操作規程、實驗項目等做了一些介紹。

一、實驗設備介紹

1.被控對象流程圖如下圖所示：

（1）AE2000A型實驗對象組成介紹

AE2000A過程控制中主要包括的控制對象分別有：不銹鋼水槽（主要用于儲備實驗用水）、強制對流換熱管系統、三個串接的有機玻璃上水箱、中水箱、下水箱、加熱鍋爐（由用于加熱的鍋爐內膽和用于冷卻的鍋爐夾套組成，材料都為不銹鋼）。控制過程分為主副兩支路：主回路由增壓泵、電磁調節閥、電磁流量計、不銹鋼管道和手動切換閥等組成;副回路由變頻器、渦輪流量計、不銹鋼管道和手動切換閥組成。

①液位傳感器[1]

工作原理：被測介質作用于壓力傳感器時，傳感器將檢測的壓力信號轉換為標準的電信號，經放大器將信號放大后，最后經V/A電壓電流轉換器轉換為液位與壓力成對應線性關系的4～20mA標準電流信號。

壓力傳感器的端子位于中繼箱內，其中負載電阻接24V-，輸出4～20mA電流信號，采用兩線制接法。當負載電阻是250Ω時，取1～5V的標準電壓信號，當負載電阻為50Ω時，電壓信號為0.2～1V。

②溫度傳感器（Pt100熱電阻）[2]

工作原理：熱電阻測溫原理主要是基于導體或半導體材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性。

使用熱電阻溫度計測溫時，一般采用三線制接法，主要是為了盡量地降低測量誤差。因為在大多數情況下，測溫時熱電阻元件離測量電橋較遠，當環境溫度有所變化時，連接導線阻值就會有明顯的改變，為了減小因連接導線阻值改變所帶來的測量誤差，所以采用三線制接法。

③流量計

1）渦輪流量計[2]：輸出信號：4～20mA，測量范圍：0～1.2m3/h。

流量傳感器的端子在中繼箱內，其中電纜線是從中繼箱的引線口接入，直流電源12V+接中繼箱內正極（+），中繼箱內負極（-）接24V-，中繼箱負極（-）是渦輪流量計輸出信號的負端，中繼箱內A為輸出信號+（正）。負載電阻將電流信號轉換成電壓信號。

（2）電磁流量計[1]

工作原理：電磁流量計是基于電磁感應原理而工作的，對具有導電性的液體介質可以用此流量計進行流量測量。導電的介質通過磁場中的垂直磁感線，在流通管道的兩側的電極上將產生感應電勢，通過測量此感應電勢可得知流動介質的流量大小。

其中，感應電勢E與流速的關系如下：E=CBDv

C—常數，B—磁感應強度，D—管道內徑，v—流體平均

速度;

當確定了儀表的結構參數后，感應電勢與流速成一定的對應關系，則所求流量為：

④壓力表

安裝位置：增壓泵之后，電磁調節閥之前;測量范圍：0～0.25MPa

⑤電動調節閥

形式：智能型直行程執行機構

輸入信號：0～10mA/4～20madc電流信號，0～5VDC/1～5VDC電壓信號;輸入阻抗：250Ω/500Ω;輸出信號：4～20madc;輸出最大負載：<500Ω;斷信號閥位置：可設置為全開、全關或0～100%之間的任意開度位置;電源：220V±10%/50Hz 。

⑥單相可控硅移相調壓

通過4～20mA電流控制信號控制單相220V交流電源在0～220V之間根據控制電流的大小實現連續變化。

⑦變頻器

變頻器型號：三菱FR型變頻器，控制信號：可輸入電壓信號為0～5V，或4～20mA電流信號，通過改變控制信號的大小來改變輸出頻率。

二、軟件介紹- MCGS組態軟件

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺的，用于建立上位機監控系統的組態軟件系統，可運行于Microsoft Windows95/98/NT/2000/XP等操作系統。

MCGS 提供了完整的方案和開發平臺用于用戶解決實際控制工程問題，很好地實現了現場數據采集及數據處理、報警系統、工藝流程控制、動態畫面、實時曲線、歷史曲線、報表輸出、安全機制以及企業監控網絡等多種功能。

三、實驗前準備及安全操作規程

1.實驗前的準備

實驗前做好預習報告部分內容的填寫及對實驗裝置中每個對象的性質和工作原理，包括各種測量變送器、執行器、水泵、變頻器和所用控制組件的名稱、作用及其所在位置， 以便于在實驗中對它們進行操作和觀察。

2.實驗安全操作規程

（1）做實驗前要確保所有電源開關都處于“關”的狀態。

（2）切斷電源后再進行接線或拆線，接線時務必注意電源極性。確保接線完成后，實驗開始運行前，必須嚴格檢查各相關安裝、接線是否正確，且在指導老師確認無誤后，才可通電。

（3）在投運之前，須檢查下管道及手動閥門是否已按實驗項目要求打開，儲水槽中水量是否達到80%以上，以確保單項泵中充滿水，避免單項泵無水空轉造成水泵損壞。

（4）在進行有關鍋爐溫度控制實驗前，請先給鍋爐內膽充水，使其水位超過液位指示玻璃管上面的紅線位置，以免造成實驗失敗或影響實驗結果。

（5）啟動實驗前，應對所要使用的變送器進行零點和量程調整，應注意電位器的調節方向，要分清調零電位器和滿量程電位器。

（6）測量變送器通電預熱15分鐘之后再進行校驗。

（7）務必小心操作，勿亂扳硬擰，防止損壞儀表。

（8）要嚴格遵守實驗室的有關規章制度。

四、實驗項目[3]

本過程控制實驗主要做的實驗項目有單容自衡水箱對象特性測試實驗、壓力變送器的使用、溫度變送器的使用、智能控制儀表的調試、電動調節閥的使用、鍋爐內膽水溫位式控制系統、單溶液位定值控制系統、控制系統控制器參數整定和投運、前饋-反饋控制系統、水箱液位串級控制系統等。主要目的讓學生將所學理論知識結合實踐，對所學內容有更深入的了解和掌握。

參考文獻

[1]張毅.自動檢測技術及儀表控制系統（第3版）[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]厲玉鳴.化工儀表及自動化（第5版）[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3]戴連奎.過程控制工程（第3版）[M].北京：化學工業出版社，2012.8.

作者簡介

任銀娥（1986.2—），女，籍貫：寧夏，研究生，講師，新疆大學，研究方向：控制工程。