過程控制工程試驗裝置介紹

/試驗裝置介紹過程限制系統(tǒng)所接受的試驗裝置一般可分為兩類，一類為物理模型試驗裝置，一類為半實物仿真試驗裝置。課程中各種試驗都可以在這兩類裝置上實現(xiàn)。一、物理模型試驗裝置這一類試驗裝置是由真實的物理模型實現(xiàn)的。其優(yōu)點是裝置中有真實的流體（清潔的水）流淌，接受真實的測量裝置和真實的限制閥。可給學生特殊真實的感官印象。一般都接受清潔的循環(huán)水作為工藝介質，所以工藝參數(shù)只有液位和流量。有些試驗裝置還有電加熱設備，增加了溫度參數(shù)。這一類試驗裝置的不足是參數(shù)比較單一，有確定的非線性。具有加熱功能的裝置，會隨試驗的進行循環(huán)水溫度會慢慢增高，這會造成溫度限制不志向。下面是運用比較的幾種物理模型試驗裝置1．普及型限制系統(tǒng)試驗裝置下面是一種比較典型的普及型限制系統(tǒng)試驗裝置。該裝置由北京化工高校信息學院自動化系自行研制。試驗裝置兩部分組成：其一是包括測量變送器和限制閥在內(nèi)的工藝設備；其二是作為限制工具計算機。裝置上共測量四個參數(shù)：上水槽液位、下水槽液位、流量1和流量2。變送器的4~20mA信號接到信號調理板上，經(jīng)過調理后的電壓信號通過專用電纜連接到插在計算內(nèi)的A/D+D/A板上。系統(tǒng)用儀表的電源、D/A電源、計算機電源、水泵的按鈕開關、信號燈等設備都集成、組裝在一個限制箱。圖F．41所示是自動化系統(tǒng)試驗室的物理模型試驗裝置。圖F．42所示為工藝設備原理圖。圖中有三只水槽，槽1、槽2為被控對象，它們的液位高度L1及L2分別通過兩臺差壓變送器測出。槽3為儲槽，是為了構成水得循環(huán)而設置得。儲槽3中的水通過水泵1或2抽出，經(jīng)過孔板和限制閥后送入槽1或槽2(視手動閥1、2、3、4的開閉而定)，兩路水管中的水流量大小分別通過各自的差壓變送器（和孔板協(xié)作）測出。槽1中的水通過線性化流出口流入槽2，槽2中的水又通過其自身的線性化流出口流回到儲槽3中。這樣對水來說，始終處于循環(huán)狀態(tài)。圖F．41物理模型試驗裝置圖本裝置除比值試驗外，一般狀況下Fl所在的管道為主物料管道，F(xiàn)2管線則作為加干擾用。計算機為限制工具的試驗裝置，其工作平臺為Windows2000，限制軟件接受VB編制而成。下面簡要介紹其工作過程。（1）進入試驗過程首先在桌面上雙擊該軟件的圖標進入到該軟件的主畫面。該畫面中共有六各項目，分別為登錄注冊、進入試驗、系統(tǒng)簡介、試驗指導、歷史數(shù)據(jù)查詢和退出系統(tǒng)。首先須要進行登錄注冊。點擊“登錄注冊”圖標之后出現(xiàn)登錄注冊畫面，該畫面中所要登錄的內(nèi)容為班級、組號、試驗名稱和密碼。指定這些內(nèi)容之后，計算機會自動生成一個數(shù)據(jù)庫文件，文件名稱為班級和組號的組合。之后的試驗數(shù)據(jù)將保存在這個數(shù)據(jù)庫文件中。須要留意的是：必需指定這些登錄內(nèi)容，否則不能進入試驗；不得指定和本班級和組號相異的內(nèi)容，否則可能會沖掉其他班級組號的試驗數(shù)據(jù)。登錄成功之后出現(xiàn)初始化畫面。初始化結束之后回到主畫面，在該畫面上點擊“進入試驗”圖標進入選擇試驗畫面，在該畫面上選擇響應的試驗內(nèi)容。圖F．43物理模型試驗裝置主畫面完成上面的步驟之后，CRT上顯示出“限制試驗主界面”，在畫面上顯示出限制流程圖，該圖和圖F．43相像。首先在“試驗操作”下拉菜單中選擇“系統(tǒng)組態(tài)”選項進行系統(tǒng)組態(tài)。所選定的試驗內(nèi)容不同，所呈現(xiàn)的組態(tài)畫面不同。組態(tài)畫面上所要做的主要工作是指定被控參數(shù)（L1、L2、F1、F2）、限制變量（F1、F2）、限制器生成和指定限制器參數(shù)及限制器操作狀態(tài)。指定這些內(nèi)容之后，在“運行限制”下拉菜單中選擇“運行”項，然后點按“確認”按鈕。系統(tǒng)組態(tài)結束之后，屏幕上出現(xiàn)數(shù)字記錄器畫面。該記錄器最多可記錄6條曲線。首先選擇曲線數(shù)量，指定曲線所記錄的內(nèi)容，然后在“運行”下拉菜單中選擇“運行”選項。回到“限制試驗主界面”上，點按啟動水泵按鈕，然后再點按右下方的啟動按鈕。此時系統(tǒng)處在運行狀態(tài)。（2）退出實現(xiàn)系統(tǒng)在“限制試驗主界面”畫面上，在“限制器選擇”下拉菜單上選擇相應的限制器，關閉該限制器。假如系統(tǒng)有多個限制器則須要一一關閉。然后在分別關閉“組態(tài)畫面”、“限制試驗主界面”，再在主畫面上點擊“退出系統(tǒng)”圖標。（3）拷貝出數(shù)據(jù)庫文件，依據(jù)數(shù)據(jù)庫文件中的數(shù)據(jù)整理試驗報告。2．高級過程限制試驗裝置（一）“天煌教儀”公司的THJ—2高級過程限制試驗裝置下面圖圖F．43是杭州的“天煌教儀”公司的THJ—2高級過程限制試驗裝置的圖片。圖F．43高級過程限制試驗裝置圖F．44是其流程圖。圖F．44THJ—2高級過程限制試驗裝置流程圖該試驗裝置由被控對象、智能儀表限制臺、上位監(jiān)控計算機組成。被控對象包括有：不銹鋼儲水槽；上、中、下三個有機玻璃水槽；帶有三相4．5KW電加熱棒的熱水鍋爐和鋁塑盤管。一套流體輸送系統(tǒng)包括：380VAC不銹鋼磁力泵、電動限制閥、直流電磁閥、渦流量計；另一套流體輸送系統(tǒng)包括：三菱變頻器、220VAC不銹鋼磁力泵、渦流量計。裝置上的檢測裝置包括：壓力變送器三個：檢測上、中、下三個有機玻璃水槽液位；渦流流量計三個：檢測兩條流體輸送管路流量和盤管流量；熱電阻六個：檢測鍋爐內(nèi)溫度、鍋爐夾套溫度、盤管三點溫度、上水箱出口溫度；裝置上的執(zhí)行器及限制裝置：三相可控硅調壓裝置一個；電磁閥一個；電動限制閥一個；變頻器一個；該裝置既可利用限制臺上的儀表獨立做試驗，也可通過電纜將信號送到其他限制裝置，例如DCS、FCS、PLC等，通過組態(tài)進行各種試驗。我們的過程限制試驗室接受的是橫河公司的CS—3000系統(tǒng)，下面圖F．45是CS—3000集散的現(xiàn)場限制站和工程師站。圖F．45橫河公司CS—3000集散系統(tǒng)（二）浙江“浙江求是科教設備有限公司”PCT系列過程限制試驗裝置PCT系列過程限制試驗裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對象，它集自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術,自動限制技術為一體的多功能試驗裝置。系統(tǒng)包括流量、壓力、溫度、液位等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路限制、串級限制、前饋限制、比值限制等多種限制形式。圖F．46PCT—II過程限制系統(tǒng)教學試驗裝置過程限制系統(tǒng)教學試驗裝置由被控對象和限制系統(tǒng)兩部分組成。整個試驗系統(tǒng)具有如下特點：通過被控對象和限制系統(tǒng)，可以完成本科教學的試驗內(nèi)容。接受工程實際中運用的元器件。如接受進口的電動調整閥；上海華光的電磁流量計；三菱的變頻器；上海萬訊的智能調整器；臺灣威達的數(shù)據(jù)采集模塊等，使學生對以后工作中所能遇到的元器件有確定的了解，增加學生的工作適應實力。試驗對象的參數(shù)選取合理，試驗中調整器、執(zhí)行器、被控單元之間的參數(shù)配置典型，試驗系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)特性。

試驗項目的設置齊全，從單回路限制試驗、串接限制試驗到解耦限制試驗、純滯后系統(tǒng)試驗、變比值試驗。內(nèi)容包含了工程應用中大部分限制系統(tǒng)，使學生了解限制工程中限制系統(tǒng)的組成、檢測和傳感裝置的應用、駕馭常用的調整規(guī)律和調整方法。

在試驗系統(tǒng)中，接受了遠傳數(shù)據(jù)模塊、PLC限制方式和DCS限制方式，向用戶供應了自動化領域最新的技術和裝備，學?？梢詫⒃囼炑b置用于探討生教學和老師科研。二、半實物仿真試驗裝置隨著信息技術及計算機軟、硬件技術的飛速進步，仿真建模理論及方法取得了應用性突破。當代仿真建模技術已經(jīng)能夠運用數(shù)學方法構造困難系統(tǒng)模型，已經(jīng)能夠高逼真度模擬困難的過程系統(tǒng)。多功能過程和限制仿真試驗系統(tǒng)由小型流程設備盤臺、數(shù)字式軟儀表和接口硬件、系統(tǒng)監(jiān)控軟件及過程模型軟件四部分組成。四部分通過小型實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)字通信協(xié)調運行，完成困難的半實物模擬試驗。圖F．47半實物仿真試驗裝置1．小型流程設備盤臺見圖F．44所示，在鋼制的盤臺上安裝著由不銹鋼制的比例縮小的流程設備模型。主設備包括：一臺臥式儲罐（D-101）、兩臺高位計量罐（D-102、D-103）、一臺帶攪拌器的釜式反應器（T-104）、一臺列管式熱交換器（E-105）、三臺離心泵（P-106、P-107、P-108）、十個手動/自動雙效閥門和若干管路系統(tǒng)。在垂直的儀表盤面上分布有壓力（P）、流量（F）、溫度（T）、物位（L）、功率（N）、組成（A）和閥位（V）等傳感器插孔和數(shù)字式軟儀表。本盤臺是學生干脆操作和運行過程系統(tǒng)的環(huán)境。本環(huán)境給學生以全真實的空間位置感覺、全真實的操作力度感覺和過程變更的時間特性感覺。由于真實過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無法干脆視察的，必需通過儀表檢測，因此，本系統(tǒng)和真實系統(tǒng)的觀測界面完全一樣。圖F．48多功能過程和限制仿真試驗系統(tǒng)流程部分2．動態(tài)數(shù)學模型軟件動態(tài)數(shù)學模型軟件運用動態(tài)定量仿真模型，模擬真實工藝流程，并供應各變量當前值。具體分為以下流程的動態(tài)仿真模型：（1）離心泵及特性動態(tài)仿真模型（2）三級液位及傳熱動態(tài)仿真模型（3）壓力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型（4）溶液濃度值配制動態(tài)仿真模型（5）熱交換器過程動態(tài)仿真模型（6）間歇反應動態(tài)仿真模型（7）連續(xù)反應（CSTR）動態(tài)仿真模型（8）小型全流程動態(tài)仿真模型為了進行困難的限制試驗，除了過程模型外還特殊開發(fā)了常用限制算法模塊庫，例如，PID限制器，傳遞函數(shù)、外作用函數(shù)、限幅器、算術運算器、選擇器、繼電器特性、隨機信號器等，可以便利地通過“軟連接”構造多種多樣的限制系統(tǒng)。協(xié)作小型專用實時數(shù)據(jù)庫及高速模型計算技術，本試驗系統(tǒng)中的動態(tài)數(shù)學模型軟件能夠在監(jiān)控軟件的限制下完成過程系統(tǒng)的仿真計算。3．限制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件為了便于學生（老師）靈敏地設計組合多種多樣的限制方案，本試驗系統(tǒng)供應自行開發(fā)的、專用的限制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件。能夠在計算機“桌面”上通過圖形軟連接、在“菜單”提示下填寫參數(shù)和數(shù)據(jù)等方法完成限制系統(tǒng)組態(tài)。這種組態(tài)方法和集散型限制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)完全相同，因此，比教學試驗中常用的進口軟件MATLAB更直觀、更簡明、更符合工業(yè)級設計的要求。當然，（假如須要的話）本軟件也能和MATLAB軟件相連接。限制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件供應以下具體功能：供應常見的PID限制算法，允許學生配置參數(shù)限制方案的設計。允許學生自行設計限制方案，包括限制和被限制變量的選擇、算法的選擇以及困難限制試驗等。限制算法組態(tài)。供應兩種方式的限制算法組態(tài)：供應圖形化限制算法組態(tài)工具，使學生可以對傳遞函數(shù)進行自定義;供應標準DLL工程，將學生用其它計算機語言所寫的限制算法動態(tài)鏈接到當前限制回路中。信號發(fā)生器組態(tài)。供應常用的信號發(fā)生器，對當前的現(xiàn)場信號進行疊加。信號輸出組態(tài)。供應信號輸出顯示、歷史趨勢記錄、文件保存等功能，以進行信號后處理。為了便利運用，限制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件具有錯誤組態(tài)方案的自診斷功能。當組態(tài)的方案不合理時，軟件能給出提示。此外，還具有智能化自動排序功能。本軟件接受深層學問“專家系統(tǒng)”推理方法，對組態(tài)生成的限制系統(tǒng)計算依次進行優(yōu)化排序，能夠保證計算結果的精確性。4．試驗系統(tǒng)監(jiān)控軟件盤臺上的全部操作和顯示變量都能由軟件限制，可以在瞬間設定新的狀態(tài)，我們稱其為狀態(tài)“全復原”功能。本功能是試驗系統(tǒng)的一大特色，利用本特點可以隨意設定干擾、故障狀態(tài)或某一特定狀態(tài)、重演過去記錄的狀態(tài)及某時間段落的變更狀態(tài)等。試驗系統(tǒng)監(jiān)控軟件對每一項試驗供應工程管理，便于學生選擇不同的試驗，以及對當前的試驗進行管理。具體分為以下功能：（1）試驗起先、暫停、復原及自檢驗功能（2）試驗項目切換（3）試驗項目當前狀態(tài)（又稱為“快照”）存儲（4）參數(shù)運行時的動態(tài)變更（5）多畫面切換5．系統(tǒng)硬件功能（1）傳感器信號（4～20mA）輸出及限制閥信號（4～20mA）輸入。可以外接DCS限制系統(tǒng)、PLC限制器、或其他具有4～20mA標準工業(yè)信號的限制設備。對于傳感器信號輸出及限制閥信號輸入可疊加干擾信號，以便模擬非正常工況。（2）硬件組態(tài)功能。在液晶顯示器上彩色顯示15個數(shù)據(jù)單元（5個棒圖顯示和10個數(shù)碼顯示），每個顯示單元都有一個數(shù)據(jù)輸入插孔。另外在設備和管道上布置了幾十個數(shù)據(jù)輸出插孔。通過導線連接數(shù)據(jù)輸入插孔和數(shù)據(jù)輸出插孔，則完成了對顯示單元顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容的確定。5個自動閥限制輸出插孔，可以連接隨意的閥門限制輸入插孔。連接后該閥門設定為自動閥（此時手動操作不能變更閥位）。（3）硬件單元的自摘除功能。在本系統(tǒng)上可以完成規(guī)模不同的試驗，每次進行試驗的過程中投入運用的設備種類和數(shù)量可以通過組態(tài)軟件定義。沒有通過組態(tài)軟件定義的數(shù)據(jù)采集點不能進行數(shù)據(jù)采集，該設備在試驗進行的過程中不投入運用。沒有通過硬件組態(tài)定義的數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)不顯示，同時也不能輸出模擬信號。沒有通過組態(tài)軟件定義的閥門不投入運用。系統(tǒng)運行的過程中發(fā)生故障的硬件單元自動退出運行，不影響其它硬件單元的正常工作。（4）自動/手動可定義的雙效閥門。全部投入運用的閥門假如沒有連接限制信號輸出插孔，則自動設定為手動閥門，因此，全部盤臺上的閥門都是自動/手動可定義的雙效閥