控制工程實驗教學(xué)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(yè)本科學(xué)生實驗教學(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(tài)軟件MCGS介紹，并詳細(xì)說明了實驗要求及安全操作規(guī)程及所包括的實驗項目。

關(guān)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(yè)本科實驗教學(xué)用，對于我校來說，此專業(yè)的學(xué)生共開設(shè)了兩門與本實驗室有關(guān)的課程，分別是大三下半年所上的《過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)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(xué)生來說，實驗教學(xué)對他們來說是十分重要的環(huán)節(jié)，本實驗室利用實驗室現(xiàn)有一些設(shè)備開發(fā)了一些專業(yè)相關(guān)實驗，本文主要對實驗對象、實驗所用儀表、組態(tài)軟件MCGS、實驗要求及安全操作規(guī)程、實驗項目等做了一些介紹。

一、實驗設(shè)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(qiáng)制對流換熱管系統(tǒng)、三個串接的有機(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）?？刂七^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、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(zhì)作用于壓力傳感器時，傳感器將檢測的壓力信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號，經(jīng)放大器將信號放大后，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應(yīng)線性關(guān)系的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。

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，采用兩線制接法。當(dāng)負(fù)載電阻是250Ω時，取1～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，當(dāng)負(fù)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(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(shù)情況下，測溫時熱電阻元件離測量電橋較遠(yuǎn)，當(dāng)環(huán)境溫度有所變化時，連接導(dǎo)線阻值就會有明顯的改變，為了減小因連接導(dǎo)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(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（-）是渦輪流量計輸出信號的負(fù)端，中繼箱內(nèi)A為輸出信號+（正）。負(fù)載電阻將電流信號轉(zhuǎn)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(yīng)原理而工作的，對具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)可以用此流量計進(jìn)行流量測量。導(dǎo)電的介質(zhì)通過磁場中的垂直磁感線，在流通管道的兩側(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，通過測量此感應(yīng)電勢可得知流動介質(zhì)的流量大小。

其中，感應(yīng)電勢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)電勢與流速成一定的對應(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;測量范圍：0～0.25MPa

⑤電動調(diào)節(jié)閥

形式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)

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(fù)載：<500Ω;斷信號閥位置：可設(shè)置為全開、全關(guān)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(diào)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(jù)控制電流的大小實現(xiàn)連續(xù)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(tài)軟件

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺的，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發(fā)平臺用于用戶解決實際控制工程問題，很好地實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理、報警系統(tǒng)、工藝流程控制、動態(tài)畫面、實時曲線、歷史曲線、報表輸出、安全機(jī)制以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等多種功能。

三、實驗前準(zhǔn)備及安全操作規(guī)程

1.實驗前的準(zhǔn)備

實驗前做好預(yù)習(xí)報告部分內(nèi)容的填寫及對實驗裝置中每個對象的性質(zhì)和工作原理，包括各種測量變送器、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， 以便于在實驗中對它們進(jìn)行操作和觀察。

2.實驗安全操作規(guī)程

（1）做實驗前要確保所有電源開關(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，接線時務(wù)必注意電源極性。確保接線完成后，實驗開始運行前，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(dá)到80%以上，以確保單項泵中充滿水，避免單項泵無水空轉(zhuǎn)造成水泵損壞。

（4）在進(jìn)行有關(guān)鍋爐溫度控制實驗前，請先給鍋爐內(nèi)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(jié)果。

（5）啟動實驗前，應(yīng)對所要使用的變送器進(jìn)行零點和量程調(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）測量變送器通電預(yù)熱15分鐘之后再進(jìn)行校驗。

（7）務(wù)必小心操作，勿亂扳硬擰，防止損壞儀表。

（8）要嚴(yán)格遵守實驗室的有關(guān)規(guī)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(diào)試、電動調(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、前饋-反饋控制系統(tǒng)、水箱液位串級控制系統(tǒng)等。主要目的讓學(xué)生將所學(xué)理論知識結(jié)合實踐，對所學(xué)內(nèi)容有更深入的了解和掌握。

參考文獻(xiàn)

[1]張毅.自動檢測技術(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.化工儀表及自動化（第5版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]戴連奎.過程控制工程（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。