控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

任銀娥 陳磊 徐夢(mèng)嬌

摘 要：本文主要針對(duì)過(guò)程裝備與控制過(guò)程專業(yè)本科學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的研究總結(jié)，主要介紹了有關(guān)控制工程實(shí)驗(yàn)室用于實(shí)驗(yàn)的控制裝置（如：水箱、鍋爐、檢測(cè)儀表、控制閥、單項(xiàng)泵等）的組成和各自的工作原理，及實(shí)驗(yàn)所用組態(tài)軟件MCGS介紹，并詳細(xì)說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程及所包括的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：過(guò)程控制 實(shí)驗(yàn) 信號(hào)

過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室主要用于過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)用，對(duì)于我校來(lái)說(shuō)，此專業(yè)的學(xué)生共開(kāi)設(shè)了兩門(mén)與本實(shí)驗(yàn)室有關(guān)的課程，分別是大三下半年所上的《過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用》與大四上半年所上《過(guò)程控制過(guò)程》兩門(mén)課程。對(duì)于理工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)他們來(lái)說(shuō)是十分重要的環(huán)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有一些設(shè)備開(kāi)發(fā)了一些專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，本文主要對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)所用儀表、組態(tài)軟件MCGS、實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等做了一些介紹。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

1.被控對(duì)象流程圖如下圖所示：

（1）AE2000A型實(shí)驗(yàn)對(duì)象組成介紹

AE2000A過(guò)程控制中主要包括的控制對(duì)象分別有：不銹鋼水槽（主要用于儲(chǔ)備實(shí)驗(yàn)用水）、強(qiáng)制對(duì)流換熱管系統(tǒng)、三個(gè)串接的有機(jī)玻璃上水箱、中水箱、下水箱、加熱鍋爐（由用于加熱的鍋爐內(nèi)膽和用于冷卻的鍋爐夾套組成，材料都為不銹鋼）。控制過(guò)程分為主副兩支路：主回路由增壓泵、電磁調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)、不銹鋼管道和手動(dòng)切換閥等組成;副回路由變頻器、渦輪流量計(jì)、不銹鋼管道和手動(dòng)切換閥組成。

①液位傳感器[1]

工作原理：被測(cè)介質(zhì)作用于壓力傳感器時(shí)，傳感器將檢測(cè)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，經(jīng)放大器將信號(hào)放大后，最后經(jīng)V/A電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為液位與壓力成對(duì)應(yīng)線性關(guān)系的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

壓力傳感器的端子位于中繼箱內(nèi)，其中負(fù)載電阻接24V-，輸出4～20mA電流信號(hào)，采用兩線制接法。當(dāng)負(fù)載電阻是250Ω時(shí)，取1～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，當(dāng)負(fù)載電阻為50Ω時(shí)，電壓信號(hào)為0.2～1V。

②溫度傳感器（Pt100熱電阻）[2]

工作原理：熱電阻測(cè)溫原理主要是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)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(jì)測(cè)溫時(shí)，一般采用三線制接法，主要是為了盡量地降低測(cè)量誤差。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，測(cè)溫時(shí)熱電阻元件離測(cè)量電橋較遠(yuǎn)，當(dāng)環(huán)境溫度有所變化時(shí)，連接導(dǎo)線阻值就會(huì)有明顯的改變，為了減小因連接導(dǎo)線阻值改變所帶來(lái)的測(cè)量誤差，所以采用三線制接法。

③流量計(jì)

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

流量傳感器的端子在中繼箱內(nèi)，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(nèi)正極（+），中繼箱內(nèi)負(fù)極（-）接24V-，中繼箱負(fù)極（-）是渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)的負(fù)端，中繼箱內(nèi)A為輸出信號(hào)+（正）。負(fù)載電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

（2）電磁流量計(jì)[1]

工作原理：電磁流量計(jì)是基于電磁感應(yīng)原理而工作的，對(duì)具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)可以用此流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量。導(dǎo)電的介質(zhì)通過(guò)磁場(chǎng)中的垂直磁感線，在流通管道的兩側(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過(guò)測(cè)量此感應(yīng)電勢(shì)可得知流動(dòng)介質(zhì)的流量大小。

其中，感應(yīng)電勢(shì)E與流速的關(guān)系如下：E=CBDv

C—常數(shù)，B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，D—管道內(nèi)徑，v—流體平均

速度;

當(dāng)確定了儀表的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，感應(yīng)電勢(shì)與流速成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則所求流量為：

④壓力表

安裝位置：增壓泵之后，電磁調(diào)節(jié)閥之前;測(cè)量范圍：0～0.25MPa

⑤電動(dòng)調(diào)節(jié)閥

形式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)

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

⑥單相可控硅移相調(diào)壓

通過(guò)4～20mA電流控制信號(hào)控制單相220V交流電源在0～220V之間根據(jù)控制電流的大小實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化。

⑦變頻器

變頻器型號(hào)：三菱FR型變頻器，控制信號(hào)：可輸入電壓信號(hào)為0～5V，或4～20mA電流信號(hào)，通過(guò)改變控制信號(hào)的大小來(lái)改變輸出頻率。

二、軟件介紹- MCGS組態(tài)軟件

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺(tái)的，用于建立上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于Microsoft Windows95/98/NT/2000/XP等操作系統(tǒng)。

MCGS 提供了完整的方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)用于用戶解決實(shí)際控制工程問(wèn)題，很好地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理、報(bào)警系統(tǒng)、工藝流程控制、動(dòng)態(tài)畫(huà)面、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)表輸出、安全機(jī)制以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等多種功能。

三、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備及安全操作規(guī)程

1.實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前做好預(yù)習(xí)報(bào)告部分內(nèi)容的填寫(xiě)及對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中每個(gè)對(duì)象的性質(zhì)和工作原理，包括各種測(cè)量變送器、執(zhí)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(shí)驗(yàn)中對(duì)它們進(jìn)行操作和觀察。

2.實(shí)驗(yàn)安全操作規(guī)程

（1）做實(shí)驗(yàn)前要確保所有電源開(kāi)關(guān)都處于“關(guān)”的狀態(tài)。

（2）切斷電源后再進(jìn)行接線或拆線，接線時(shí)務(wù)必注意電源極性。確保接線完成后，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始運(yùn)行前，必須嚴(yán)格檢查各相關(guān)安裝、接線是否正確，且在指導(dǎo)老師確認(rèn)無(wú)誤后，才可通電。

（3）在投運(yùn)之前，須檢查下管道及手動(dòng)閥門(mén)是否已按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求打開(kāi)，儲(chǔ)水槽中水量是否達(dá)到80%以上，以確保單項(xiàng)泵中充滿水，避免單項(xiàng)泵無(wú)水空轉(zhuǎn)造成水泵損壞。

（4）在進(jìn)行有關(guān)鍋爐溫度控制實(shí)驗(yàn)前，請(qǐng)先給鍋爐內(nèi)膽充水，使其水位超過(guò)液位指示玻璃管上面的紅線位置，以免造成實(shí)驗(yàn)失敗或影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（5）啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)所要使用的變送器進(jìn)行零點(diǎn)和量程調(diào)整，應(yīng)注意電位器的調(diào)節(jié)方向，要分清調(diào)零電位器和滿量程電位器。

（6）測(cè)量變送器通電預(yù)熱15分鐘之后再進(jìn)行校驗(yàn)。

（7）務(wù)必小心操作，勿亂扳硬擰，防止損壞儀表。

（8）要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室的有關(guān)規(guī)章制度。

四、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]

本過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)主要做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有單容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、壓力變送器的使用、溫度變送器的使用、智能控制儀表的調(diào)試、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的使用、鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制系統(tǒng)、單溶液位定值控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定和投運(yùn)、前饋-反饋控制系統(tǒng)、水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)等。主要目的讓學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)結(jié)合實(shí)踐，對(duì)所學(xué)內(nèi)容有更深入的了解和掌握。

參考文獻(xiàn)

[1]張毅.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)（第3版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]厲玉鳴.化工儀表及自動(dòng)化（第5版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]戴連奎.過(guò)程控制工程（第3版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.8.

作者簡(jiǎn)介

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