过程控制实验装置，过程控制系统实验平台
2024-04-21 09:32 过程控制实验装置是用于模拟和研究工业过程中各种控制策略和技术的实验平台。这样的装置能够帮助工程学生、研究人员以及工业界人士了解过程控制的基本原理，测试新的控制算法，以及培训操作人员。本文将对一个典型的过程控制实验装置进行详细介绍。
结构组成
过程控制实验装置通常由以下几个主要部分组成：
过程对象：这是被控对象，可以是一个简单的单回路系统，也可以是一个复杂的多变量交互系统。比如，一个温度控制的实验对象可能是一个加热炉，而一个流量控制的对象可能是一个带有调节阀的管道系统。
传感器和变送器：这些设备用于检测过程变量并将其转换成可处理的信号。例如，热电偶或RTD用于测量温度，压力变送器用于测量压力，流量计用于测量流量等。
控制单元：这是过程控制的核心，它接收来自传感器的信号，进行处理，并输出控制信号以调节控制阀或其他执行机构。控制单元可以是基于PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）或是更先进的PCS（过程控制系统）。
执行机构：这些设备直接作用于过程对象，以实现对过程变量的控制。这包括控制阀、电机驱动、加热元件等。
人机界面（HMI）：操作员通过HMI与过程控制实验装置交互，监控过程变量，设置控制参数，以及查看报警和历史数据。
实验功能
过程控制实验装置具备多种功能，以满足不同的实验需求：
基础控制策略学习：通过简单的阶跃响应实验，学习者可以了解不同控制策略（如PID控制、比例控制、积分控制、微分控制）的特点和调整方法。
复杂过程建模：实验装置可以模拟多种工业过程，通过对这些过程的深入研究，学习者可以建立复杂的动态模型，为过程控制设计提供依据。
先进控制技术测试：实验装置为研究人员提供了一个理想的环境来测试和验证新的控制算法，如预测控制、智能控制（AI/ML）、鲁棒控制等。
操作员培训：过程控制实验装置可以模拟真实工况，为操作员提供培训机会，提高其应对异常情况的能力和操作技能。
实验案例
以一个典型的温度控制实验为例，实验装置会包括一个加热炉作为过程对象，温度传感器（如热电偶）用于测量当前温度，控制单元根据设定点和实际温度计算出控制信号，进而调节控制阀的开度以改变加热炉的热量输入，最终使得实际温度跟踪设定点。在整个过程中，学生可以通过HMI观察到所有相关变量的变化，并对控制参数进行调整，以达到最佳的控制效果。
发展趋势
随着技术的发展，现代过程控制实验装置正朝着更加智能化、网络化和集成化的方向发展。未来的实验装置将更加注重与现实工业环境的对接，提供更加真实、全面的实践体验。同时，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术也可能被集成到过程控制实验装置中，为用户提供更加直观和便捷的学习和操作体验。
总之，过程控制实验装置是过程控制教育和研究领域的重要工具，它不仅能够帮助学生和研究人员掌握基本概念，还能支持高级控制策略的研究和开发，对于推动过程控制领域的进步具有重要意义。
一、系统总体概述
过程控制综合实验装置（Process Control System，简称PCS），是模仿现代工业生产过程中常见的物理量，诸如温度、压力、流量、液位等参数，对其进行测量、控制，分析过程参数变化特性，研究过程控制规律(如PID控制)的教学实验设备，过程控制综合实验装置选用智能化的工业用仪器仪表，接近工业实际，使用安全，运行稳定，维护简单，性价比优越。过程控制仪表工实训装置集合多种控制方式，再现实际工业现场使用的控制手段，采用声光报警系统，并提供用户更友好的二次开发接口。
1、功能：
(1)、过程控制仪表工实训装置可满足“自动调节原理”，“过程控制”，“控制仪表”，“自动检测技术与传感器”,“计算机”及相关课程的教学实验需求；
(2)、过程控制仪表工实训装置可作为有关企业技术人员、仪表操作人员、系统运行监控人员的实习、培训实验设备。
二、产品结构与特点：
1、外形结构：
2、设备特点：
（1）、分体式设计，模块化组装式结构，可以根据不同的需要选择、PLC控制，仪表控制, ,DDC计算机直接控制组成不同的控制系统。含有常规水箱检测控制装置、锅炉加热装置。设备可以实现多台电脑控制系统，进行远程网络控制。
（2）、二水箱配置；双路供水系统。
（3）、实验柜完全敞开设计，内部器件全部可视，有利直观教学和维护。
（4）、人性化设计，配有储水箱，进排水自控装置，减轻实验人员劳动强度。为实验文明操作提供条件。
（5）、装置的仪表、部件均选用现代化技术工业级产品，智能化程度高。精度好，规格多样。有利直观教学和拓宽学生工业现场知识。为以后走上社会打好结实基础。
（6）、安全度高，系统配有漏电保护，带保护套的专用实验电源连线，及温控箱防止无水加温自动控制等，力求保护人身、设备安全。
（7）、开放度好，在教师指导下，学生可观察、可自己动手参与操作、可自行编程进行验证、可根据记录的实时曲线进行理论分析等。
（8）锅炉加热程控保护系统：
A、加热电路加有保险管进行过载保护，并具有防干烧保护功能；
B、锅炉加热内胆加由水位液位保护装置，水位不达到一定的高度，控制系统不能控制可控硅调压器工作。
（9）、人生安全及设备的保护措施：
A、加有电流型漏电保护器，防止设备漏电短路造成的设备及人身伤害。
B、各控制电路加有保险管，有效保护器件因过载造成损坏。
（10）、电源启停控制方式；采用启停按钮控制接触器来控制电源的启停。
（11）、漏电保护装置及安全性和安全承诺：
A、各种电源及各种仪表具有可靠的保护功能
B、各种电源及各种仪表的强电采用开关控制，学生不自行接线，不存在强弱电混插的问题。
C、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。
三、系统技术参数:
（1）单相三线AC～220V±10% 50Hz。
（2）工作环境：温度-10℃～+40℃相对湿度＜85%。
（3）装置容量：＜6KVA。
（4）电源有内、外电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置。
（5）各测量仪表均要有保护功能。
（6）控制信号：电压1～5V，电流4～20mA。
（7）上位计算机组态软件组态王,全中文工控组态软件进行开发的实验系统。运行环境要求,可以组成网络,一台老师机可以控制十几台学生机,实现数据共享。
（8）可以同时对三个参数进行采集，比如，一组测流量，一组测温度，一组测压力；
（9）重量：实验台+实验架，约重250Kg
（10）动力系统：功率可调的不锈钢循环水泵:可组成不锈钢泵＋电动调节阀＋涡轮流量计的动力流量调节系统，也可组成不锈钢泵＋变频器＋涡轮流量计的动力流量调节系统。单相可控硅移相调压装置、单相电加热管组成锅炉加热动力系统。
（11）不锈钢框架及不锈钢安装底板：不锈钢框架安装有机玻璃双容串接水箱、带夹套不锈钢常压锅炉容器。不锈钢安装底板安装固定不锈钢支撑框架、检测传感执行装置、管路等。
（12）水泵出水口带快插接头。
（13）有机玻璃串接水箱，每个水箱带溢流管及下排水管及阀门，压力液位传感器接口。
（14）电源控制屏
总电源带漏电保护的空气开关控制，另控制屏内部设有电压型漏电保护器、电流型漏电保护器，配有漏电报警指示灯和告警复位按钮，安全性符合国际标准。实训装置需提供电网电压指示。通过钥匙开关和启停控制按钮。并设置有执行元件输入输出接口、模拟量信号输入输出接口。
对象模拟板：绘制有控制对象的管路连接原理图，图上元器件的布置与实际被控对象的元器件分布相对应，实验时直观。
四、系统主要配置及功能介绍（以下为单套配置清单）
1、系统执行机构配置清单
2、传感变送器清单
3、控制系统配置清单
4、软件系统配置清单
5、其他设备
五、系统能完成的实验项目
（一）特性实验
1、水箱单容特性实验
2、水箱双容特性实验
3、上下水箱双容特性实验
4、电动阀流量特性实验
5、变频器流量特性实验
6、温度特性实验
7、锅炉内胆水温测试
（二）单回路控制实验
1、单容液位定制控制实验
2、变频器支路单容液位控制实验
3、上下水箱双容液位定制控制实验
4、锅炉内胆压力定值控制实验
5、电动调节阀支路单闭环流量控制实验
6、变频器支路单闭环流量控制实验
7、锅炉内胆温度控制实验
（三）串级控制实验
1、水箱液位串级控制实验
（四）串级控制实验
1、比值控制实验
结构组成
过程控制实验装置通常由以下几个主要部分组成：
过程对象：这是被控对象，可以是一个简单的单回路系统，也可以是一个复杂的多变量交互系统。比如，一个温度控制的实验对象可能是一个加热炉，而一个流量控制的对象可能是一个带有调节阀的管道系统。
传感器和变送器：这些设备用于检测过程变量并将其转换成可处理的信号。例如，热电偶或RTD用于测量温度，压力变送器用于测量压力，流量计用于测量流量等。
控制单元：这是过程控制的核心，它接收来自传感器的信号，进行处理，并输出控制信号以调节控制阀或其他执行机构。控制单元可以是基于PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）或是更先进的PCS（过程控制系统）。
执行机构：这些设备直接作用于过程对象，以实现对过程变量的控制。这包括控制阀、电机驱动、加热元件等。
人机界面（HMI）：操作员通过HMI与过程控制实验装置交互，监控过程变量，设置控制参数，以及查看报警和历史数据。
实验功能
过程控制实验装置具备多种功能，以满足不同的实验需求：
基础控制策略学习：通过简单的阶跃响应实验，学习者可以了解不同控制策略（如PID控制、比例控制、积分控制、微分控制）的特点和调整方法。
复杂过程建模：实验装置可以模拟多种工业过程，通过对这些过程的深入研究，学习者可以建立复杂的动态模型，为过程控制设计提供依据。
先进控制技术测试：实验装置为研究人员提供了一个理想的环境来测试和验证新的控制算法，如预测控制、智能控制（AI/ML）、鲁棒控制等。
操作员培训：过程控制实验装置可以模拟真实工况，为操作员提供培训机会，提高其应对异常情况的能力和操作技能。
实验案例
以一个典型的温度控制实验为例，实验装置会包括一个加热炉作为过程对象，温度传感器（如热电偶）用于测量当前温度，控制单元根据设定点和实际温度计算出控制信号，进而调节控制阀的开度以改变加热炉的热量输入，最终使得实际温度跟踪设定点。在整个过程中，学生可以通过HMI观察到所有相关变量的变化，并对控制参数进行调整，以达到最佳的控制效果。
发展趋势
随着技术的发展，现代过程控制实验装置正朝着更加智能化、网络化和集成化的方向发展。未来的实验装置将更加注重与现实工业环境的对接，提供更加真实、全面的实践体验。同时，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术也可能被集成到过程控制实验装置中，为用户提供更加直观和便捷的学习和操作体验。
总之，过程控制实验装置是过程控制教育和研究领域的重要工具，它不仅能够帮助学生和研究人员掌握基本概念，还能支持高级控制策略的研究和开发，对于推动过程控制领域的进步具有重要意义。
DB-CG21 过程控制仪表工实训装置
一、系统总体概述
过程控制综合实验装置（Process Control System，简称PCS），是模仿现代工业生产过程中常见的物理量，诸如温度、压力、流量、液位等参数，对其进行测量、控制，分析过程参数变化特性，研究过程控制规律(如PID控制)的教学实验设备，过程控制综合实验装置选用智能化的工业用仪器仪表，接近工业实际，使用安全，运行稳定，维护简单，性价比优越。过程控制仪表工实训装置集合多种控制方式，再现实际工业现场使用的控制手段，采用声光报警系统，并提供用户更友好的二次开发接口。
1、功能：
(1)、过程控制仪表工实训装置可满足“自动调节原理”，“过程控制”，“控制仪表”，“自动检测技术与传感器”,“计算机”及相关课程的教学实验需求；
(2)、过程控制仪表工实训装置可作为有关企业技术人员、仪表操作人员、系统运行监控人员的实习、培训实验设备。
二、产品结构与特点：
1、外形结构：
2、设备特点：
（1）、分体式设计，模块化组装式结构，可以根据不同的需要选择、PLC控制，仪表控制, ,DDC计算机直接控制组成不同的控制系统。含有常规水箱检测控制装置、锅炉加热装置。设备可以实现多台电脑控制系统，进行远程网络控制。
（2）、二水箱配置；双路供水系统。
（3）、实验柜完全敞开设计，内部器件全部可视，有利直观教学和维护。
（4）、人性化设计，配有储水箱，进排水自控装置，减轻实验人员劳动强度。为实验文明操作提供条件。
（5）、装置的仪表、部件均选用现代化技术工业级产品，智能化程度高。精度好，规格多样。有利直观教学和拓宽学生工业现场知识。为以后走上社会打好结实基础。
（6）、安全度高，系统配有漏电保护，带保护套的专用实验电源连线，及温控箱防止无水加温自动控制等，力求保护人身、设备安全。
（7）、开放度好，在教师指导下，学生可观察、可自己动手参与操作、可自行编程进行验证、可根据记录的实时曲线进行理论分析等。
（8）锅炉加热程控保护系统：
A、加热电路加有保险管进行过载保护，并具有防干烧保护功能；
B、锅炉加热内胆加由水位液位保护装置，水位不达到一定的高度，控制系统不能控制可控硅调压器工作。
（9）、人生安全及设备的保护措施：
A、加有电流型漏电保护器，防止设备漏电短路造成的设备及人身伤害。
B、各控制电路加有保险管，有效保护器件因过载造成损坏。
（10）、电源启停控制方式；采用启停按钮控制接触器来控制电源的启停。
（11）、漏电保护装置及安全性和安全承诺：
A、各种电源及各种仪表具有可靠的保护功能
B、各种电源及各种仪表的强电采用开关控制，学生不自行接线，不存在强弱电混插的问题。
C、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。
三、系统技术参数:
（1）单相三线AC～220V±10% 50Hz。
（2）工作环境：温度-10℃～+40℃相对湿度＜85%。
（3）装置容量：＜6KVA。
（4）电源有内、外电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置。
（5）各测量仪表均要有保护功能。
（6）控制信号：电压1～5V，电流4～20mA。
（7）上位计算机组态软件组态王,全中文工控组态软件进行开发的实验系统。运行环境要求,可以组成网络,一台老师机可以控制十几台学生机,实现数据共享。
（8）可以同时对三个参数进行采集，比如，一组测流量，一组测温度，一组测压力；
（9）重量：实验台+实验架，约重250Kg
（10）动力系统：功率可调的不锈钢循环水泵:可组成不锈钢泵＋电动调节阀＋涡轮流量计的动力流量调节系统，也可组成不锈钢泵＋变频器＋涡轮流量计的动力流量调节系统。单相可控硅移相调压装置、单相电加热管组成锅炉加热动力系统。
（11）不锈钢框架及不锈钢安装底板：不锈钢框架安装有机玻璃双容串接水箱、带夹套不锈钢常压锅炉容器。不锈钢安装底板安装固定不锈钢支撑框架、检测传感执行装置、管路等。
（12）水泵出水口带快插接头。
（13）有机玻璃串接水箱，每个水箱带溢流管及下排水管及阀门，压力液位传感器接口。
（14）电源控制屏
总电源带漏电保护的空气开关控制，另控制屏内部设有电压型漏电保护器、电流型漏电保护器，配有漏电报警指示灯和告警复位按钮，安全性符合国际标准。实训装置需提供电网电压指示。通过钥匙开关和启停控制按钮。并设置有执行元件输入输出接口、模拟量信号输入输出接口。
对象模拟板：绘制有控制对象的管路连接原理图，图上元器件的布置与实际被控对象的元器件分布相对应，实验时直观。
四、系统主要配置及功能介绍（以下为单套配置清单）
1、系统执行机构配置清单
| 序号 | 名 称 | 规格、参数 | 特 点 | 数量 |
| 1 |
智能电动调节阀 |
等百分比特性内置侍服放大器,稀土永磁同步电机,体积小,力矩大.工作电压 24VAC，输入电流4-20mADC | 等百分比特性内置侍服放大器,稀土永磁同步电机,体积小,力矩大,比普通的电动阀贵 | 1只 |
| 2 | 单相磁力泵 | 无泄漏，低噪音，单相220VAC，90W。 | 声音比较小,有利于实验室保持安静,工作的稳定性非常好 | 1台 |
| 3 | 三相磁力泵 | 无泄漏，低噪音，三相220VAC，180W，扬程8米。 | 1台 | |
| 4 | 交流变频控制（日本三菱） | 采用日本三菱公司的FR-D720S-0.4K-CH型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。 | 1台 | |
| 5 | 温控调压模块+散热器 | 全隔离单相交流可控硅调压模块；控制信号：4-20mADC。 | 自行设计性能可靠安全 | 1套 |
| 6 | 加热环 | 功率：1800W，220VAC。 | 具有防干烧保护功能 | 1只 |
| 序号 | 名 称 | 规格、参数 | 特 点 | 数量 |
| 1 | 扩散硅压力变送器（液位） | 选用美国NovaSensor原装进口的扩散硅隔离探头。0.5级精度；输出信号：选4-20mADC（二线制）；接头及外壳材料：不锈钢（1Cri18Ni9Ti）。 | 不锈钢隔离膜片,适用范围广,高精度,高温定性,高可靠性,结构精巧安装方便,零点漂移小,它的价格是普通的传感器的两倍 | 2只 |
| 2 | 压力变送器 | 选用美国NovaSensor原装进口的扩散硅隔离探头。0.5级精度；输出信号：选4-20mADC（二线制）；接头及外壳材料：不锈钢（1Cri18Ni9Ti）。 | 1只 | |
| 3 | Pt100温度传感器及温度变送器 | Pt100：A级；温度变送器：0.5级精度，0-100℃。 | 1套 | |
| 4 | 涡轮流量计及流量变送器 | （1）量程：选0-1200L/h；（2）输出信号：4-20mADC；（3）精度：0.5级。 | 整个系统管道由铝塑管和不锈钢管连接而成，不会产生漏水现象。所有的手动阀门均采用优质球阀，流量计和压力传感器安装在官道上以测量管道流量和水泵出水口压力。 | 2套 |
| 序号 | 名 称 | 规格、参数 | 品 牌 | 数量 |
| 1 | 智能仪表控制系统 | AI 808P智能仪表 | 厦门宇电 | 2台 |
| 2 |
PLC控制系统 |
采用西门子S7-200 SMART主机CPU SR20(自带以太网通讯口)，配置一个4入/2出模拟量模块EM AM06，可完成所有单通道输出、多通道输入控制实验。 | 德国西门子 | 1套 |
4、软件系统配置清单
| 序号 | 名 称 | 规格、参数 | 品 牌 | 数量 |
| 1 | PLC编程软件 | step 7 MicroWIN | 西门子 | 1套 |
| 2 | PLC应用软件 | 1套 | ||
| 3 | 提供实验指导书，实验教学PPT,等相关技术资料 | |||
| 序号 | 名 称 | 规格、参数 | 数量 |
| 1 | 实验用淡蓝色透明有机玻璃水箱 | 包括上水箱、下水箱和储水箱。上、下水箱采用优质有机玻璃，水箱容积17.5*10-3m3采用优质有机玻璃，水箱底部均接有压力传感器。储水箱由不锈钢板制成 | 2只 |
| 2 | 不锈钢温控实验箱 | 带夹套的不锈钢常压加热锅炉容器：内胆容积>=Φ10×50（通动态被加热水），带单相不小于1.5KVA电加热管，夹套>=Φ15×40（带保温棉），加热锅炉容器做成全封闭式，内胆安装Pt100温度传感器。。 | 1只 |
| 3 | 不锈钢储水箱 | 内有独特的结构设计和不锈钢过滤网，拆洗方便 | 1只 |
| 4 | 储水箱自动进、排水装置 | 其中储水箱底部装有出水阀，水箱需要更换水时，把出水阀打开将水直接排出。 | 1套 |
| 5 | 继电器 | 小型继电器 | 1只 |
| 6 | 电磁阀 | 电磁阀作为电动调节阀的旁路，可以实现阶跃和脉冲干扰，通过手动阀开度可调节阶跃和脉冲干扰的大小。 | 1只 |
| 7 | 液面探头 | 自制 | 2只 |
| 8 | 配有24v直流稳压电源 | 提供直流24V电源 | 1只 |
| 9 | 全部不锈钢管及配件，增加设备的使用寿命。 | 外加工 | 1套 |
| 10 | 电脑桌 | 型材和钣金结构，用于放置计算机，下方装有万向轮。 | 1台 |
| 11 | 带护套手枪式连接导线及配件 | 采用高可靠护套结构手枪插连接线，里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股线，外包丁晴聚氯乙烯绝缘层，插头采用实芯铜质件外套铍轻铜弹片。 | 1套 |
（一）特性实验
1、水箱单容特性实验
2、水箱双容特性实验
3、上下水箱双容特性实验
4、电动阀流量特性实验
5、变频器流量特性实验
6、温度特性实验
7、锅炉内胆水温测试
（二）单回路控制实验
1、单容液位定制控制实验
2、变频器支路单容液位控制实验
3、上下水箱双容液位定制控制实验
4、锅炉内胆压力定值控制实验
5、电动调节阀支路单闭环流量控制实验
6、变频器支路单闭环流量控制实验
7、锅炉内胆温度控制实验
（三）串级控制实验
1、水箱液位串级控制实验
（四）串级控制实验
1、比值控制实验