試驗(yàn)裝置簡介

過程控制系統(tǒng)所采用時(shí)試驗(yàn)裝置一般可分為兩類，一類為物理模型試驗(yàn)裝

置，一類為半實(shí)物仿真試驗(yàn)裝置。課程中多種試驗(yàn)都可以在這兩類裝置上實(shí)現(xiàn)。

一、物理模型試驗(yàn)裝置

這一類試驗(yàn)裝置是由真實(shí)的物理模型實(shí)現(xiàn)的。其長處是裝置中有真實(shí)H勺流體

（清潔的J水）流動(dòng)，采用真實(shí)日勺測量裝置和真實(shí)代I控制閥?？山o學(xué)生非常真實(shí)的

感官印象。一般都采用清潔的循環(huán)水作為工藝介質(zhì)，因此工藝參數(shù)只有液位和流

量。有些試驗(yàn)裝置尚有電加熱設(shè)備，增長了溫度參數(shù)。這一類試驗(yàn)裝置日勺局限性

是參數(shù)比較單一，有一定H勺非線性。具有加熱功能H勺裝置，會(huì)隨試驗(yàn)的進(jìn)行循環(huán)

水溫度會(huì)逐漸增高，這會(huì)導(dǎo)致溫度控制不理想。

下面是使用比較日勺幾種物理模型試驗(yàn)裝置

I.普及型控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

下面是一種比較經(jīng)典的普及型控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。該裝置由北京化工大學(xué)信

息學(xué)院自動(dòng)化系自行研制。

試臉裝置兩部分構(gòu)成：其一是包括測量變送器和控制閥在內(nèi)的工藝設(shè)備；其

二是作為控制工具計(jì)算機(jī)。裝置上共測量四個(gè)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(hào)接到信號(hào)調(diào)理板上，通過調(diào)理后的電壓

信號(hào)通過專用電纜連接到插在計(jì)算內(nèi)的A/D+D/A板上c系統(tǒng)用儀表的電源、D/A

電源、計(jì)算機(jī)電源、水泵的按鈕開關(guān)、信號(hào)燈等設(shè)備都宴成、組裝在一種控制箱。

圖F.41所示是自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)室的物理模型試驗(yàn)裝置。

圖F.42所不為工藝設(shè)備原理圖。圖中有三只水槽，槽1.槽2為被控對(duì)象，它

們的液位高度L1及L2分別通過兩臺(tái)差壓變送器測出。槽3為儲(chǔ)槽，是為了構(gòu)成

水得循環(huán)而設(shè)置得。

儲(chǔ)槽3中的水通過水泵1或2抽出，通過孔板和控制閥后送入槽1或槽2（視

手動(dòng)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口勺差

壓變送器（與孔板配合）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H勺線性化流出口流回到儲(chǔ)槽3中。這樣對(duì)水來說，一直處在循

環(huán)狀態(tài)。

圖F.41物理模型試驗(yàn)裝置圖

本裝置除比值試驗(yàn)外，一般狀況下F1所在的管道為主物料管道,F2管線則

作為加干擾用。

計(jì)算機(jī)為控制工具H勺試臉裝置，其工作平臺(tái)為Windows2023,控制軟件采

用VB編制而成。下面簡要簡介其工作過程。

Fi

圖F.42液位實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖

(1)進(jìn)入試驗(yàn)過程

首先在桌面上雙擊該軟件口勺圖標(biāo)進(jìn)入到該軟件的主畫面。該畫面中共有六

各項(xiàng)目，分別為登錄注冊(cè)、進(jìn)入試驗(yàn)、系統(tǒng)簡介、試驗(yàn)指導(dǎo)、歷史數(shù)據(jù)查詢和退

出系統(tǒng)。首先需要進(jìn)行登錄注冊(cè)。點(diǎn)擊“登錄注冊(cè)”圖標(biāo)之后出現(xiàn)登錄注冊(cè)畫面,

該畫面中所要登錄日勺內(nèi)容為班級(jí)、組號(hào)、試驗(yàn)名稱和密碼。指定這些內(nèi)容之后，計(jì)

算機(jī)會(huì)自動(dòng)生成一種數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)，文獻(xiàn)名稱為班級(jí)和組號(hào)的組合。之后口勺試驗(yàn)數(shù)

據(jù)將保留在這個(gè)數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)中。需要注意的是：必需指定這些登錄內(nèi)容，否則不

能進(jìn)入試驗(yàn)；不得指定與本班級(jí)與組號(hào)相異H勺內(nèi)容，否則也許會(huì)沖掉其他班級(jí)組

號(hào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。登錄成功之后出現(xiàn)初始化畫面。初始化結(jié)束之后回到主畫面，在

該畫面，點(diǎn)擊“進(jìn)入試驗(yàn)”圖標(biāo)進(jìn)入選擇試驗(yàn)面面，在，亥畫面_1選擇響應(yīng)的試驗(yàn)

內(nèi)容。

圖F.43物理模型試驗(yàn)裝置主畫面

完畢上面口勺環(huán)節(jié)之后，CRT上顯示出“控制試驗(yàn)主界面”，在畫面上顯示出

控制流程圖，該圖與圖F.43相似。首先在“試驗(yàn)操作”下拉菜單中選擇“系統(tǒng)

組態(tài)”選項(xiàng)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。所選定的試驗(yàn)內(nèi)容不一樣，所展現(xiàn)的組態(tài)畫面不一樣。

組態(tài)畫面上所要做FI勺重要工作是指定被控參數(shù)（L1.L2.F1.F2）、控制變量（F1.F2）、

控制器生成與指定控制器參數(shù)及控制器操作狀態(tài)。指定這些內(nèi)容之后，在“運(yùn)行

控制”下拉菜單中選擇“運(yùn)行”項(xiàng)，然后點(diǎn)按“確認(rèn)”按鈕。

系統(tǒng)組態(tài)結(jié)束之后，屏幕上出現(xiàn)數(shù)字記錄器畫面。亥記錄器最多可記錄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(yùn)行”下拉菜單中

選擇“運(yùn)行”選項(xiàng)。

回到“控制試驗(yàn)主界面”上，點(diǎn)按啟動(dòng)水泵按鈕，然后再點(diǎn)按右下方的啟動(dòng)

按鈕。此時(shí)系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)。

（2）退出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)

在“控制試驗(yàn)主界面”畫面上，在“控制器選擇”下拉菜單上選擇對(duì)應(yīng)的控

制器，關(guān)閉該控制器。假如系統(tǒng)有多種控制器則需要一一關(guān)閉。然后在分別關(guān)閉

“組態(tài)畫面”、“控制試驗(yàn)主界面”，再在主畫面上點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”圖標(biāo)。

（3）拷貝出數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)中的J數(shù)據(jù)整頓試驗(yàn)匯報(bào)。

2.高級(jí)過程控制試驗(yàn)裝置

（一）“天煌教儀"企、也的THJ—2高級(jí)過程控制試驗(yàn)裝置

下面圖圖F.43是杭州H勺“天煌教儀”企業(yè)的THJ—2高級(jí)過程控制試驗(yàn)裝置H勺

圖片。

圖F.43高級(jí)過程控制試驗(yàn)裝置

圖F.44是其流程圖。

圖F.44THJ-2高級(jí)過程控制試驗(yàn)裝置流程圖

該試驗(yàn)裝置由被控對(duì)象、智能儀表控制臺(tái)、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

被控對(duì)象包括有：不銹鋼儲(chǔ)水槽；上、中、下三個(gè)有機(jī)玻璃水槽；帶有三相

4.5KW電加熱棒的熱水鍋爐和鋁塑盤管。

1）一套流體輸送系統(tǒng)包括:380VAC不銹鋼磁力泵、電動(dòng)控制閥、直流電磁

閥、渦流量計(jì)；另一套流體輸送系統(tǒng)包括：三菱變頻器、220VAe不銹

鋼磁力泵、渦流量計(jì)。

2）裝置上的檢測裝置包括?：

3）壓力變送器三個(gè)：檢測上、中、下三個(gè)有機(jī)玻璃水槽液位；

4）渦流流量計(jì)三個(gè)：檢測兩條流體輸送管路流量和盤管流量；

熱電阻六個(gè)：檢測鍋爐內(nèi)溫度、鍋爐夾套溫度、盤管三點(diǎn)溫度、上水箱出口

溫度;

1）裝置上的執(zhí)行器及控制裝置:

2）三相可控硅調(diào)壓裝置一種；

3）電磁閥一種；

4）電動(dòng)控制閥一種；

5）變頻器一種；

該裝置既可運(yùn)用控制臺(tái)上的儀表獨(dú)立做試驗(yàn)，也可通過電纜將信號(hào)送到其

他控制裝置，例如DCS、FCS、PLC等，通過組態(tài)進(jìn)行多種試驗(yàn)。

我們的過程控制試驗(yàn)室采用H勺是橫河企業(yè)的CS-3000系統(tǒng)，下面圖F.45是CS

（二）浙江“浙江求是科教設(shè)備有限企業(yè)”PCT系列過程控制試驗(yàn)裝置

PCT系列過程控制試驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程物理模擬對(duì)象，它集自動(dòng)化儀表技

術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能試驗(yàn)裝置。系統(tǒng)包括

流量、壓力、溫度、液位等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)

控制、前饋控制、比值控制等多種控制形式。

圖F.46PCT—II過程控制系統(tǒng)教學(xué)試驗(yàn)裝置

過程控制系統(tǒng)教學(xué)試驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。整個(gè)試驗(yàn)

系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

通過被控對(duì)象與控制系統(tǒng)，可以完畢本科教學(xué)的試驗(yàn)內(nèi)容。

采用工程實(shí)際中使用的元器件。如采用進(jìn)口的電動(dòng)調(diào)整閥；上海華光的電

磁流量計(jì)；三菱H勺變頻器；上海萬訊H勺智能調(diào)整器；臺(tái)灣威達(dá)的數(shù)據(jù)采集模塊等,

使學(xué)生對(duì)后來工作中所能碰到的元器件有一定的J理解，增強(qiáng)學(xué)生的工作適應(yīng)能

力。

試驗(yàn)對(duì)象的參數(shù)選用合理，試驗(yàn)中調(diào)整器、執(zhí)行器、被控單元之間H勺參數(shù)配

置經(jīng)典，試驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。

試驗(yàn)項(xiàng)目附設(shè)皆齊全.從單回路控制試聆、串接控制試驗(yàn)到解耦控制試驗(yàn)、

純滯后系統(tǒng)試驗(yàn)、變比值試驗(yàn)。內(nèi)容包括了工程應(yīng)用中大部分控制系統(tǒng)，使學(xué)生

理解控制工程中控制系統(tǒng)H勺構(gòu)成、檢測與傳感裝置的應(yīng)用、掌握常用H勺調(diào)整規(guī)律

和調(diào)整措施。

在試驗(yàn)系統(tǒng)中，采用了遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)模塊、PLC控制方式和DCS控制方式，向

顧客提供了自動(dòng)化領(lǐng)域最新的技術(shù)與裝備，學(xué)?？梢詫⒃囼?yàn)裝置用于碩士教學(xué)

和教師科研。

二、半實(shí)物仿真試驗(yàn)裝置

伴隨信息技術(shù)及計(jì)第機(jī)軟、硬件技術(shù)口勺飛速進(jìn)步，仿真建模理論及措施獲得

了應(yīng)用性突破?，F(xiàn)代仿真建模技術(shù)已經(jīng)可以運(yùn)用數(shù)學(xué)措施構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)模型，己

經(jīng)可以高逼真度模擬復(fù)雜口勺過程系統(tǒng)。

多功能過程與控制仿真試驗(yàn)系統(tǒng)由小型流程設(shè)備盤臺(tái)、數(shù)字式軟儀表與接口帙

件、系統(tǒng)監(jiān)控軟件及過程模型軟件四部分構(gòu)成。四部分通過小型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、實(shí)

時(shí)數(shù)字通信協(xié)調(diào)運(yùn)行，完畢復(fù)雜H勺半實(shí)物模擬試驗(yàn)。

圖F.47半實(shí)物仿真試驗(yàn)裝置

1.小型流程設(shè)備盤臺(tái)

見圖F.44所示，在鋼制H勺盤臺(tái)上安裝著由不銹鋼制H勺比例縮小口勺流程設(shè)備

模型。主設(shè)備包括：一臺(tái)臥式儲(chǔ)罐（D-101）.兩臺(tái)高位計(jì)量罐（D-102、D-103）、

一臺(tái)帶攪拌器的釜式反應(yīng)器（T-104）、一臺(tái)列管式熱互換器（E-105）、三臺(tái)離心

泵（P-106、P-107、P-108）、十個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)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）、構(gòu)

成（A）和閥位（V）等傳感器插孔和數(shù)字式軟儀表。本盤臺(tái)是學(xué)生直接操作和

運(yùn)行過程系統(tǒng)的環(huán)境。本環(huán)境給學(xué)生以全真實(shí)的空間位置感覺、全真實(shí)II勺操作力

度感覺和過程變化H勺時(shí)間特性感覺。由于真實(shí)過程裝置的壓力、流量、溫度、物

位、功率、構(gòu)成也是無法直接觀測日勺，必須通過儀表檢測，因此，本系統(tǒng)和真實(shí)

系統(tǒng)的觀測界面完全一致。

圖F.48多功能過程與控制仿真試驗(yàn)系統(tǒng)流程部分

2.動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件

動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件運(yùn)用動(dòng)態(tài)定量仿真模型，模擬真實(shí)工藝流程，并提供各變

量目前值。詳細(xì)分為如下流程的動(dòng)態(tài)仿真模型：

（1）離心泵及特性動(dòng)態(tài)仿真模型

（2）三級(jí)液位及傳熱動(dòng)態(tài)仿真模型

（3）壓力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型

（4）溶液濃度值配制動(dòng)態(tài)仿真模型

（5）熱互換器過程動(dòng)態(tài)仿真模型

（6）間歇反應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真模型

（7）持續(xù)反應(yīng)（CSTR）動(dòng)態(tài)仿真模型

（8）小型全流程動(dòng)態(tài)仿真模型

為「進(jìn)行復(fù)雜的控制試驗(yàn)，除了過程模型外還尤其升發(fā)了常用控制算法模塊

庫，例如,PID控制器，傳遞函數(shù)、外作用函數(shù)、限幅器、算術(shù)運(yùn)算器、選擇器、

繼電器特性、隨機(jī)信號(hào)器等，可以以便地通過“軟連接”構(gòu)造多種多樣日勺控制系

統(tǒng)。配合小型專用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫及高速模型計(jì)算技術(shù)，本拭驗(yàn)系統(tǒng)中H勺動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模

型軟件可以在監(jiān)控軟件日勺控制下完畢過程系統(tǒng)時(shí)仿真計(jì)算。

3.控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件

（1）為了便于學(xué)生（教師）靈活地設(shè)計(jì)組合多種多樣的控制方案，本試驗(yàn)系統(tǒng)

提供自行開發(fā)H勺、專用的控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件?？梢栽谟?jì)算機(jī)“桌面”

上通過圖形軟連接、在“菜單”提醒下填寫參數(shù)和數(shù)據(jù)等措施完畢控制系

統(tǒng)組態(tài)。這種組態(tài)措施與集散型控制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)完全相似，因此，比

教學(xué)試驗(yàn)中常用H勺進(jìn)口軟件MATLAB更直觀、更簡要、更符合工業(yè)級(jí)設(shè)

計(jì)的規(guī)定。當(dāng)然，（假如需要的話）本軟件也能與MATLAB軟件相連接。

（2）控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件提供如下詳細(xì)功能：

（3）提供常見的PID控制算法，容許學(xué)生配置參數(shù)

（4）控制方案日勺設(shè)計(jì)。容許學(xué)生自行設(shè)計(jì)控制方案，包括控制與被控制變量的

選擇、算法H勺選擇以及復(fù)雜控制試驗(yàn)等。

控制算法組態(tài)。提供兩種方式的控制算法組態(tài)：提洪圖形化控制算法組態(tài)工

具，使學(xué)生可以對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行自定義；提供原則DLL工程，將學(xué)生用其他計(jì)算

機(jī)語言所寫的控制算法動(dòng)態(tài)鏈接到目前控制回路中。

信號(hào)發(fā)生器組態(tài)。提供常用的信號(hào)發(fā)生器，對(duì)目前的I現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行疊加。

信號(hào)輸出組態(tài)。提供信號(hào)輸出顯示、歷史趨勢記錄、文獻(xiàn)保留等功能，以進(jìn)

行信號(hào)后處理。

為「以使使用，控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件具有錯(cuò)誤組態(tài)方案的自診斷功能。當(dāng)組態(tài)

的方案不合理時(shí)，軟件能給出提醒。此外，還具有智能化自動(dòng)排序功能。本軟件

采用深層知識(shí)“專家系統(tǒng)”推理措施，對(duì)組態(tài)生成的控制系記錄算次序進(jìn)行優(yōu)化

排序，可以保證計(jì)算成果的精確性。

4.試驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控軟件

盤臺(tái)上H勺所有操作和顯示變量都能由軟件控制，可以在瞬間設(shè)定新的狀

態(tài)，我們稱其為狀態(tài)“全恢復(fù)”功能。本功能是試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)一大特色，運(yùn)用本特

點(diǎn)可以任意設(shè)定干擾、故障狀態(tài)或某一特定狀態(tài)、重演遼去記錄H勺狀態(tài)及某時(shí)間

段落的變化狀態(tài)等。

試驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)捽軟件對(duì)每一項(xiàng)試驗(yàn)提供T程管理，便干學(xué)牛選擇不一樣的試驗(yàn),

以及對(duì)目前的試驗(yàn)進(jìn)行管理。詳細(xì)分為如下功能：

（1）試驗(yàn)開始、暫停、恢復(fù)及自檢查功能

（2）試驗(yàn)項(xiàng)目切換

（3）試驗(yàn)項(xiàng)目目前狀態(tài)（又稱為“快照”）存儲(chǔ)

（4）參數(shù)運(yùn)行時(shí)的I動(dòng)態(tài)變化

（5）多畫面切換

5.系統(tǒng)硬件功能

（1）傳感器信號(hào)（4?20mA）輸出及控制閥信號(hào)（4?20mA）輸入?？梢酝?/p>

接DCS控制系統(tǒng)、PLC控制器、或其他具有4?20mA原則工業(yè)信號(hào)的控

制設(shè)備。對(duì)于傳感器信號(hào)輸出及控制閥信號(hào)輸入可疊加干擾信號(hào)，以便

模擬非正常工況。

（2）硬件組態(tài)功能。在液晶顯示屏上彩色顯示15個(gè)數(shù)據(jù)單元（5個(gè)棒圖顯

小和10個(gè)數(shù)碼顯示)，每個(gè)顯示單兀均有一種數(shù)據(jù)輸入插孔。此外在