艾 红

（北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192）

我校和浙江天煌科技实业有限公司共同研制的过程控制多功能实验装置，通过巧妙设计，4套多功能实验装置分别能做20多个本科生的专业实验和开放课题研究。目前实验装置成功用于我校的本科教学实验、课程设计和综合实验。实验装置涉及到变频控制技术，压力、温度、液位、流量的测试技术，计算机数据采集技术，PID控制技术，现场总线技术以及数据通信技术等，是比较典型的集过程、设备及控制于一体的多学科交叉实验装置。该过程控制多功能实验装置实验方案多、学生参与性强。由于控制参数多、管路布置巧妙，学生可以自己选择或设计实验方案，大大提高了学生的参与性和实验内容的多样性［1－4］。

1 过程控制实验装置构成

过程控制多功能实验装置是过程控制方向相关课程实验与创新研究的平台，以过程控制为背景，对典型的过程控制参数，如温度、流量、压力、液位等实现传统的仪表控制。该装置使学生掌握实际生产过程中各类过程参数的采集、信号变换与传送，过程控制系统中控制器的一般设计方法，让学生可以熟悉多种控制器的使用，如PLC、智能仪表、计算机控制系统等。通过多种软件和组态软件的使用，组合在一起构成一个完整的过程控制系统。

过程控制多功能实验装置由一个实验屏和模块化的挂件、现场总线仪表、变送器、执行部件、被控对象和快速连接管路等组成。实验屏是实验系统的安装支架，两边均可挂装各类实验模块，在实验屏的上方有配电架，实验所需的电源、加温系统和水泵电机控制单元等均安装在其中。实验装置分为常规仪表侧和现场总线仪表侧两大部分。现场仪表侧由三相AC220V磁力驱动泵、西门子电磁流量计PA仪表、气动调节阀配西门子阀门定位器、电磁阀、手动阀、有机玻璃水箱、压力变送器、盘管、现场总线控制系统接线箱等组成。常规仪表侧由三相AC380V磁力驱动泵、智能电动调节阀、孔板流量计、差压变送器、压力变送器、涡轮流量计、有机玻璃水箱、常规仪表控制屏、实验挂件等组成（见图1）。储水箱、模拟锅炉、盘管为两侧共用，在做复杂系统实验时，两侧执行器也可共用。所有挂在网孔板上的控制对象，测量仪表等部件均可灵活地拆装，满足实验的特殊要求［5－6］。

图1 常规仪表侧的过程控制设备

2 过程控制实验装置对象与仪表

2.1 传感器与仪表

多功能实验装置传感器有超声波液位传感器、热电阻式传感器、镍铬－镍硅热电偶传感器。扩散硅压力变送器可输出4～20mA标准信号，测量精度为0.5级。孔板流量计与电容式差压变送器配合测量流量。执行器有电动调节阀，其额定流量为0.3t／h，等百分比特性，内置伺服放大器，4～20mA信号输入，4～20 mA阀位反馈信号输出。

2.2 实验装置对象

上、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，水箱底部均设置有采压口、出水口。进水时水管的水先流入缓冲槽，然后才流入工作槽，经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。2只磁力驱动泵，一只是三相380V恒压驱动，另一只是三相变频220V驱动。泵体采用不锈钢材料。模拟锅炉的冷却层和加热层都装有温度传感器。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。可以完成温度的定值控制、串级控制、前馈－反馈控制和解耦控制等实验。盘管的出水通过软管连接，既可以流入锅炉内胆，也可以流回储水箱。手动球阀对管道的连通状态进行切换，实现不同实验的管路连接。手动阀门采用优质球阀，避免管道系统生锈的可能性。通用气泵可以为气动调节阀提供气源。过程控制对象见表1。

表1 过程控制对象

2.3 接线箱

实验装置有现场总线控制系统接线箱和出线盒。现场总线控制系统侧传感器和执行器的信号线、电源线均连接到该接线箱，通过该接线箱连接到控制屏右侧的2个航空插座。温度传感器和执行器为常规仪表侧和现场总线仪表侧共用，当现场总线侧要做温度实验时，要将接线箱上面的“信号源”弱电柱和相对应的“信号输入”接线柱用弱电实验导线连接起来，将温度传感器和执行器接入控制系统。出线盒左侧的42芯航空插座为现场总线侧弱电线连接插座，19芯航空插座为现场总线侧强电线连接插座。现场总线控制柜是通过这2个接口最终和实验对象连接起来组成系统。出线盒右侧为实验对象的扩展端子，常规仪表侧的传感器和执行器的信号线连接到扩展端子，便于常规仪表侧控制对象接入其他控制系统如DCS控制系统。

2.4 实验装置的安全保护体系

三相四线制总电源输入通过带漏电保护装置的三相四线制断路器进入系统电源。总电源设有三相通电指示灯和380V三相电压指示表。各种仪表均有可靠的自保护功能。锅炉和储水箱内有液位检测开关，并在控制屏上设置有干烧报警和水位报警指示灯，防止锅炉无水干烧和储水箱无水时磁力泵空转。强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。强弱电连接线采用不同结构的插头、插座，防止强弱电混接［7－8］。

3 过程控制多功能实验装置控制器

控制器可以是基于单片机控制的智能仪表，也可以采用台湾研华PCI数据采集卡1711或者远程数据采集模块，基于MCGS组态软件编程实现的计算机控制系统。

3.1 智能仪表控制

采用上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，智能调节仪I为AI－708H型，智能调节仪II为AI－818型。AI－818型仪表是PID控制型，输出为DC 4～20mA。AI－708H型仪表是流量积算仪，输出为继电器触点型开关量信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通信，实现系统的实时监控。采用比值、前馈补偿及解耦装置挂件使比值、前馈补偿装置同调节器一起使用。作为比值器，输入电压经过电压跟随器、反相比例放大器、反相器输出0～5V电压，可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统。当一路作为干扰输入，另一路作为调节器输出时，两路相加或相减，再经过I／U 变换输出4～20mA电流，构成一个前馈补偿器，可以实现液位与流量、温度与流量的前馈－反馈控制系统。

3.2 远程数据采集控制

远程数据采集控制即直接数字控制DDC，是以计算机代替模拟调节器进行控制，并通过数据采集板卡或模块进行A／D和D／A转换，控制算法全部在计算机上实现。远程数据采集控制系统包括8路模拟量输入模块R－8017、4路模拟量输出模块 R－8024、万能模拟量输入模块R－8019和RS485－RS232通信协议转换模块R8520。RemoDAQ8000系列智能采集模块通过RS485等串行口通信协议与计算机相连，由计算机中的算法及程序控制实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出，以及实现脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能［9－10］。

3.3 基于数据采集卡的计算机控制

PCI－1711数据采集卡是多功能PCI总线数据卡，采样时可完成多路选通开关的控制，可以根据每个通道不同的输入电压类型，进行输入范围的确定。配备了16路模拟量输入，12位A／D转换器，采样速率可达100kHz，每个输入通道的增益可编程，具有自动通道／增益扫描功能，卡上有1kHz的采样FIFO缓冲器，2路模拟量输出、16路数字量输入、16路数字量输出。支持相关软件编程的连接，如VB、VC、LabVIEW、Matlab等，可以实现控制系统算法的研究。

4 实验装置功能开发

实验装置在结构设计上采用网孔板形式，器件可以方便地挂装在网孔板上，管路连接采用软管，方便拆装，体现了实验装置的开放性和功能多样化。可以完成实验项目和内容有：传感器特性的认识和零点迁移，自动化仪表的初步使用，变频器的基本原理和初步使用，电动调节阀的调节特性和原理，测定被控对象特性；单回路和串级控制系统的参数整定，复杂控制系统的参数整定，控制系统的设计、计算、分析、接线和投运等；实现各种控制方案的生成及控制算法程序的编写；可以进行基于现场总线仪表的过程控制系统组建、编程和设计等。

实验装置既包含了各种常规的检测装置，又包含了SIEMENS PA接口的总线检测装置，被控参数涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度4大典型参数。控制对象组件来源于工业现场。敞开式实验对象的结构设计，使实验对象直观、真实，实验内容综合性强。执行器中既有气动调节阀、电动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置。调节系统除了有设定值的阶跃扰动外，还可以通过电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。采用2套供水系统的设计，使得每台实验装置可以同时开出2组学生的常规实验，提高了设备的利用率。

选择上小水箱和下水箱串联作为被测对象，并构成水箱液位的串级控制系统，串级控制系统是由主控、副控2个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位是系统的主被控量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为上小水箱，又称副对象，上小水箱的液位是系统的副被控量。基于智能仪表控制、MCGS软件制作界面的串级控制实验结果如图2所示。

图2 串级控制实验结果界面

5 结束语

我校坚持以人才的需求为导向，通过与教学仪器厂家合作研制了开放性的过程控制多功能实验装置，在进行正常课程的实验、综合实验或者课程设计时，让学生自己选取所需的仪表、组合被控对象和控制系统模块，在网孔板上挂装固定后，用快速连接软管构成所需的实验系统。仪器仪表具有可拆装性，加深了学生对工程仪器仪表的理解。实验装置通过带快速接头的软管自由连接，不仅锻炼了学生的动手能力，也使学生对系统有了深刻的认识。用实验导线连接好仪表和控制系统，进行系统的调试和运行，这一过程体现了实际工程的各个环节，使学生得到了很好的工程训练，突出了对学生动手实际技能的培养［11－12］。

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