过程控制系统实验装置（通用9篇）
过程控制系统实验装置 篇1
摘要：本文运用PLC控制技术, 构建完整的模拟过程控制闭环系统, 采用PID算法来实现恒温、恒液位、恒流量、恒压力的有效控制, 并且使用MCGS组态软件进行上位机的监控、设置, 在底层通讯中采用485网络通讯, 达到较好的控制和教学效果。
关键词：PID,PLC,过程控制
0 引言
长期以来, 过程控制实验的教学模式单一, 教学内容陈旧, 教学方法过死。过程控制实验设备可以体现现代实验目的, 弥补传统实验教学的弊端, 充分发挥学生在实验教学中的主体地位, 让学生亲身经历实验过程对未知结论的探索, 接受科学研究训练, 培养学生的基本科研能力和创新能力, 提高学生分析问题、解决问题的能力。因此, 设计新型的过程控制实验装置对教学改革和创新型人才的培养具有非常重要的意义。
1 过程控制实验装置的组成
过程实验系统组成如图一所示, 本系统有A、B两个水箱, 控制系统采用FX3u-48MR三菱PLC, 通过PLC控制变频器驱动的水泵电机将下水箱中的水输送到上水箱, 上水箱到下水箱设一手动放液阀。在控制回路中加入液位、压力、流量、温度各类传感器检测模拟量, 上位机采用MCGS公司的TP7062触摸屏, 在触摸屏上可以设置控制的温度、液位、流量、压力等参数, 并能够实时的显示这些参数, 以便对整个实验系统进行监控, 变频器与PLC之间采用网络通信模式控制, 协调完成恒温、恒液位、恒压、恒流量控制。
2 过程控制实验装置的电气系统设计
2.1 系统控制原理
在整个控制系统中包含压力、流量、液位测量控制, 其压力、流量、液位传感器都为模拟量传感器, 通过A/D模块转换为数字量, 和人机界面上设定的给定值进行比较, 偏差信号经过D/A转换成模拟量, 通过控制变频器的频率来控制水泵的转速, 以达到恒液位、恒流量、恒压力的目的。
在温度控制系统中, 传感器 (电热偶) 将检测到的温度信号转换成电流信号经过温度模块 (AD) 后, 与设定温度值进行比较, 得到偏差, 此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正, 返回对应工况下的固态继电器导通时间, 调节电热丝的有效加热功率, 从而实现对下水箱的温度控制。控制框图如图二所示。
PID算法在过程控制系统中的应用较为广泛, 比例 (P) 、积分 (I) 、微分 (D) 三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律, 具有反应速度快、控制及时、但控制结果有余差等特点;积分控制可以消除余差;微分作用是对偏差的变化速度加以响应的, 因此只要偏差一有变化, 控制器就能根据变化速度的大小, 适当改变其输出信号, 从而可以及时克服干扰的影响, 抑制偏差的增长, 提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差, 而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起, 就是比例积分微分 (PID) 控制, 其数学表达式为:
式 (1) 中, KP为比例系数, TI为积分时间常数, TD为微分时间常数。
根据以上的分析, 温度控制系统适于采用PID控制。
通过经验整定法的整定, PID控制器整定参数值为:比例系数KP=45%, 积分时间Ti=4.5分钟, 微分时间Td=2.2分钟, 微分增益=100。
2.2 硬件控制电路设计
实际的电气控制原理图如图三所示。
通过FX2N-4AD模块分别对温度、流量、压力、液位进行A/D转换, 经过PLC处理后, 通过和变频器之间的数据交换, 来达到控制水泵的转速, 以达到恒液位、恒流量、恒压力的要求, PLC通过PID指令来控制加热棒的通电时间, 以达到恒温控制的目的。
2.3 软件流程设计
在软件程序的设计上, 我们将恒温、恒液位、恒压力、恒流量都设计成对应的子程序, 可以通过人机界面的选择和设置, 对相应物理量进行控制。
3 变频器与P LC的网络通讯
在PLC与变频器之间我们摒弃了常用的外部通讯模式, 通过在PLC侧安装485BD的通讯板, 来实现与变频器之间的485通讯, 通过设置参数和信号连接, 让学生能够掌握简单的工业现场之间的通讯是如何设置的, 变频器的参数如表一所示。
3.1 PLC参数设置 (H/W类型RS-485)
通道:CH1;
协议:无通信协议;
数据长度:7位;
奇偶性:偶数;
停止位:1位;
传输速率:9600bps。
3.2 通信的基本程序指令表
4 人机界面的设计
该套实验系统的上位监控软件是用MCGS全中文工控组态软件开发的, 它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行, 通过对现场数据的采集处理, 以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案, 在自动化领域有着广泛的应用。
本界面设有分部进入监控和PID参数修改画面的按钮, 并且对PID参数修改画面只有在账户和密码正确的情况下才可以进入修改。如图四所示。
通过脚本程序的编写, 在帐户和密码都正确的前提下, 进入监控画面和进行PID参数的修改, 画面如图五所示。
5 结束语
通过过程控制系统的研制, 改变长期以来“灌输式”、“填鸭式”的教学方法, 学生通过综合性的实训载体, 将过程控制理论贯穿于学习过程中, 确立了学生在教学中的主导地位, 并且在系统控制中整合了PLC、A/D、D/A、网络通讯、变频控制、人机界面等多方面的知识, 大大提高了学生的综合技术能力, 达到了较好的教学效果。
参考文献
[1]金奇, 邓志杰.PID控制原理及参数整定方法[J].重庆工学院学报 (自然科学版) , 2008, 22 (05) :91-94.
[2]杨旭, 周悦, 于广平.水箱液位控制系统的设计与研究[J].制造业自动化, 2011, 33 (16) :128-130.
[3]孙红英, 颜德文, 李斌.基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制[J].电气应用, 2006, 25 (08) :97-99.
[4]来长胜, 孙竹梅.基于PLC的水箱液位控制实训项目开发[J].电力学报, 2009, 24 (06) :512-515.
[5]丁涛, 王芳.基于MCGS的AI调节仪三容水箱液位定值控制系统研究[J].陕西科技大学学报 (自然科学版) , 2011, 29 (02) :78-80.
[6]杜晓妮.浅议智能调节器在过程控制系统中的应用[J].青岛职业技术学院学报, 2011, 24 (01) :62-64.
过程控制系统实验装置 篇2
通过这两周的实训，加深了对像串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统等这样的控制系统的结构的理解，以及对这些控制系统的PID参数的调整方法更加的熟悉。虽然只有短短的两周时间，但是它让我真正地理解了复杂控制系统参数的整定方法和系统结构，这是一次实践和理论的接合。在三个仿真实验中，不仅锻炼了我的魄力，更使我产生了兼顾整体的理念。在这次的间歇反应中，加热过猛一不小心就会使温度控制不住，但升温过慢又会带来更多副反应的发生。因此，要做到加热适中，就必须有即胆大，又细心的态度，这是以后工作中所必须的心态，很有幸在这次实训中得到了提前的锻炼。
过程控制系统实验装置 篇3
【关键词】过程控制；PROFIBUS；现场总线
一、实验系统的意义及国内外现状分析
现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信系统最底层的低成本网络。相对于传统的自动化控制系统，现场总线控制系统（Fieldbus Control System）有以下几个优点：开放式、互操作性、互换性、可集成性；数字化的信号传输；可靠性高、可维护性好；降低系统成本另外，还可以减少厂房面积、节省投资等等。现场总线的出现使传统的自动化系统产生了革命性变革。它改变了传统的信息交换方式、信号调制和系统结构，改变了传统的自动化功能概念和结构形式，也改变了系统的设计和调试方式。
据不完全统计，目前世界上出现过的现场总线约有40多种。经过多年的竞争和完善，现在较有生命力的有10多种，并仍处于激烈的市场竞争中。目前主要得到应用的一些现场总线包括：FF现场总线、PROFIBUS现场总线、CAN、WorldFIP、Interbus、ControlNet、DeviceNet、CC-Link等。到目前为止，还没有一种现场总线能覆盖所有的应用面，因此，多种总线并存的局面还可能存在相当长的时间。
其中，PROFIBUS是过程现场总线（Process-Field Bus）的缩写。1991年，PROFIBUS成为德国国家标准DIN 19245，1996年6月成为欧洲标准EN 10170，1999年加入IEC 61158协议。PROFIBUS协议根据ISO 74898国际标准，以开放系统互连ISO/OSI为参考模型。A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器）、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。OPC是OLE for Process Control的缩写（OLE对象链接和嵌入式）。它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁，是把OLE用于工业控制领域。OPC规范提供了两套标准接口：Custom标准接口，OLE自动化标准接口。通常在系统设计中采用OLE自动化标准接口。
本课题是结合A3000实验装置并基于现场总线中PROFIBUS-DP协议的控制系统。通过该设计，加深对PROFIBUS-DP协议的理解并掌握其应用以及组态控制的实现。
二、实验系统的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
（一）研究目标
利用现场总线技术和OPC技术，实现对过程实验装置的控制，开发出基于PROFIBUS-DP变频器网络控制系统。利用SIMATIC S7系统中PROFIBUS-DP实现对实验室的A3000实验装置，实现对液位、流量、温度、压力的过程控制。基于OPC技术建立MATLAB与STEP7的通信，实现在MATLAB环境下对A3000过程实验装置进行液位特性测试，编写PID控制算法进行控制。
（二）研究内容
①在掌握PROFIBUS-DP协议的原理、结构和总线存取控制技术的基础上，利用西门子Simatic PCS7和STEP7软件对变频器、ET200S输入输出模块进行设备硬件组态，实现对A3000过程控制实验装置的数据采集与基本控制。
②结合OPC技术，利用STEP7软件实现了OPC Server。
③采用组态王工控软件，组态开发基于PROFIBUS现场总线的A3000过程控制系统，实现对A3000装置液位、流量、温度各参数的单回路、串级和前馈控制方案。
④基于OPC技术建立MATLAB与STEP7的通信，实现在MATLAB环境下对A3000过程实验装置进行液位特性测试，编写PID控制算法进行控制。
（三）拟解决的关键问题
1.利用SIMATIC S7系统对PROFIBUS-DP进行组态，以便确定实验装置的信号采集。
2.利用组态王的OPC功能，组态王作为OPC Client访问STEP7软件提供的OPC Server进行数据交换，实现对A3000装置的控制，包括简单、串级、均匀、前馈、比值控制。
3.利用MATLAB的OPC功能函数，编写M文件，建立与STEP7 OPC Server的连接，进行数据通信，实现A3000装置的简单PID控制。
三、课题的研究方法、设计及试验方案，可行性分析
（一）研究方法、设计及试验方案
调研国内外相关资料，研制一套综合A3000过程控制实验装置并基于PROFIBUS-DP的变频器网络控制系统；
利用SIMATIC S7系统对PROFIBUS-DP进行组态，将实验装置的信号采集上来，实现对液位、流量、温度、压力等参数的控制，提供OPC SERVER；
利用组态王软件组态出实验装置的流程图，研究组态出液位、流量、温度、压力控制方案，实现对A3000过程控制实验装置的常规控制组态，包括简单、串级、均匀、前馈、比值控制。
（二）课题可行性分析
目前，在自动控制系统研究和开发中，很多采用Simatic STEP7软件对PROFIBUS-DP现场总线设备进行组态，并提供出OPC数据服务器，具有OPC功能的组态王和MATLAB软件都可以对其进行数据访问，本次设计也采用此设计理念，设计中，运用组态王的OPC功能，以A3000装置为对象，完成单回路的简单PID控制和串级、前馈-反馈等复杂控制，还在MATLAB环境下编写的PID算法控制对象，如果被控对象比较简单，控制效果会良好，如果对象比较复杂效果将会变差，这主要是控制算法的优化和检测值中干扰成分的处理。在此设计中将实时数据采集到MATLAB中进行处理，就可以实现预测控制和系统辨识等分析研究。
四、总结与展望
形成一整套以PROFIBUS-DP为基础的实验室A3000实验装置，以实现对液位、流量、温度、压力的过程控制。
参考文献
[1]齐宏，冼建生.计算机仿真、仿真实验和网络实验室[J].技术应用，2004（12上）.
[2]张祖鹰.浅谈计算机仿真技术在教学实训中的应用研究与实践[J].商场现代化，2007，7（下旬刊）.
[3]汪诗林，吴泉源.开展虚拟实验系统的研究和应用[J].计算机工程与科学，2000（2）：331.
[4]黄慕雄.高校教学型仿真实验室建设的现状与建议[J].电化教育研究，2005（9）.
[5]郑力新，周凯汀，吴清江，王晓东.计算机控制系统仿真实验室的研究与开发[J].电气电子教学学报，2004（4）.
过程控制系统实验装置 篇4
随着工业化进程的加快, 使得自动化技术也不断进步和发展, 促进了人们生活水平和生活质量的提高。自动化技术的发展能够在一定程度上决定国家的工业发展水平。就现阶段而言, 自动化技术作为技术人员一项专业的技能, 在社会生产的过程中发挥着十分重要作用。在自动化发展的过程中, 许多过程装备以及控制工程专业面临着较为严峻的考验, 在这个过程中, 过程装备控制实验装置的开发及其应用已经成为研究的重要课题。
1 过程装备控制实验装置的设计原理分析
一般而言, 过程装备控制实验的对象具有多样性, 其不仅仅只服务于某个单一的实验对象, 其能够将多个系统进行组织结合, 从而形成具有差异性的控制系统。当然在此实验过程中, 必须要具有代表性的设备或是流体机械, 如换热器、锅炉以及反应器等机械设备, 并且控制系统中必须要包含有差异性的控制系统。此外, 在过程装备控制实验装置中, 控制对象必须要包括温度、压力以及流量等一系列的工艺参数, 以便实现自动化的控制状态。要想保证过程装备控制实验与技术人员的操作技术相符合, 可以结合各种项目中的自动化所需相关仪器, 并一起安装这些仪器。在对该实验进行布局时, 必须要在实验中设置信号联动装置, 这样能够提高实验的可靠性和安全性。除此之外, 要想对过程装备控制实验的数据进行收集、分析以及处理, 必须要在过程装备控制实验装置系统中有效设立独立的数据采集以及记录系统。值得注意的是, 在满足实验条件下, 要将过程装备控制实验装置中的系统结合工业生产所需的控制量, 确保两者具有一致性, 从而促使实验装置的话费成本得以有效降低。在对过程装备控制实验装置进行实际操作时, 必须要合理控制操作流程, 严格要求实验步骤, 按照一定的比例系数选取容器的使用状况, 确保实验模拟的准确性以及逼真性。
2 过程装备控制实验装置的基本构造分析
在对过程装备控制实验装置进行设计时, 主要是对两个基本构造大体相同的装置进行分别设计, 并能够对两者中的区别进行有效区分。该实验装置中的两个大体构造的区别在于一个是采用电动阀, 另一个则是采用气动阀, 电动阀和气动阀的区别共同形成了该实验装置。一般过程装备控制实验装置的组成主要包括控制对象、操作控制台以及供水系统这三个部分。
2.1 控制对象
过程装备控制实验装置的主要控制对象包括容器、锅炉、管道以及泵。要想有效模拟工业操作的实际情况, 必须要将管路快速连接器、检测用的各种元件以及相关的手动控制法门进行结合。首先, 在对该装置进行操作时, 要组装简单或是复杂的操作系统, 并将其作为控制对象。其次就是合理有效的自动化控制压力、液位、流量以及温度等一系列的重要工艺参数。一般在进行工业生产中锅炉的模拟实验时, 选择的这些控制对象中, 往往会带有相应的夹套器具, 这样能够有效控制工业锅炉生产过程中的液位、夹套中和锅炉内的温度, 并控制进出水的量, 在该设备中, 往往会将锅炉的加热功率设置为4.5KW。此外, 会对锅炉里的整体温度进行合理控制, 使其保持在80℃以内, 这样能够有效防止操作人员因操作失误出现烫伤的现象, 保护装置系统的操作人员。对于过程装备控制实验装置中的控制对象来说, 其能够通过快速链接器, 对实验过程进行多样化组装, 使装置能够符合不同实验的要求。
2.2 操作控制台
一般在设计操作控制台时, 往往会使其具有人性化操作以及理性化操作, 当然也具有人性化和理性化相结合的操作。操作控制台主要就是集中关键控制的按钮控制器, 有效体现理性化设计, 并与操作人员的使用和操作。此外, 操作控制台的人性化设计主要表现为在盘面上设计仪表, 提供平台便于操作人员的动手设置。一般操作控制台含有较多的原件控制按钮以及模块, 这样主要是为了确保操作人员在实际操作过程中, 能够与自身的习惯以及操作需求相结合, 有效组合控制系统的组件, 确保操作平台的舒适性。
2.3 供水系统
在进行过程装备控制实验模拟的过程中, 要想使装置系统中的多数对象能够有效提供模拟水, 可以在该装置中设置控制面板, 并运用控制面板中的控制器。这样能够有效控制对应系统中的变频器, 并在一定程度上控制供水压力以及供水量等一系列参数。供水系统主要是为了有效提供水泵水、自来水以及高位水箱水, 从而来有效控制系统中的一系列参数。
3 过程装备控制实验装置的应用方法分析
在过程装备控制实验装置中, 采用的方式就是运用流程的变化以及控制对象的连接, 有效控制该装置, 并结合不同的流程进行合理科学操作, 实现模拟工业环境的不同性。一般在串连不同控制对象时, 可以利用软管, 有效制成快速连接器, 使其能够形成有机的整体, 并利用连接方式的差异性, 有效实现不同环境的模拟, 达到操作所需的效果。首先, 在观察水箱内的液位时, 必须要以水量的70%为依据, 预留30%的水量, 这样能够使高位水箱的液位超过水泵, 有效防止无水状况时水泵出现空转现象烧坏水泵。其次, 利用软管快速连接器, 将高位水箱出水与进水阀入口相连接, 确保装置系统的完整性。最后串接操作控制台上的接线端子, 在串接时必须要结合一定的顺序, 在主电源中接入接线端子, 并设置操作控制台中的智能自动调节器的相关参数, 以便实现良好的控制效果。
4 结束语
对过程装备控制实验装置进行开发和应用, 能够有效满足人们的实际需求, 能够自动化设计工业生产过程中的液位、流量、压力以及温度等工艺参数, 有效模拟不同环境下的工业操作实验。这样的仿真实验数据模拟, 能够有效促进我国工业的发展, 推动工业化进程的加快。
摘要：社会经济的发展以及科学技术的进步, 促进了自动化技术的发展与更新。随着人们物质生活水平以及生活质量的不断, 自动化技术在被广泛应用在人们的日常生活中, 极大地便利了人们的生产生活。基于控制工程专业以及过程装备的实际教学要求, 对过程装备控制实验装置进行开发, 采用自动化装置来模拟生产化过程中的压力、温度以及流量等参数, 并对其进行科学合理控制, 有效满足社会的需求。本文就对过程装备控制实验装置开发及其应用进行深入分析和探讨。
关键词：过程装备控制实验装置,开发,应用
参考文献
[1]贾彦磊.基于过程装备控制实验装置开发与应用的分析[J].山东工业技术, 2014 (13) :68.
过程控制系统实验装置 篇5
实践教学是高等职业教育的重要组成部分,对于提高学生综合职业素养,培养学生在工程实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力具有极为重要的作用,而实验实训室建设则是达成上述目标的基本保证[1,2,3]。
集散控制系统(DCS)融计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术于一体,是完成过程控制和管理的现代化控制系统,具备可靠性高、功能完善、数据共享及组态方便等优点。DCS系统的应用大大提高了工厂自动化程度及生产效率。掌握其功能特点与组态、操作、维护技能无疑是自控类、仪表类及工艺类等相关专业学生的一项重要专业技能。
由北京华晟高科公司开发的A3000过程控制实验装置是一种基于工业过程的实验模拟对象,系统中包括了多个水箱、换热器、电加热器、水泵等小型物理单元,可以对温度、压力、流量、液位等热工参数依据多种控制策略实施控制,实现包括单回路、串级、比值、前馈、分程、解耦、纯滞后补偿等控制应用功能,广泛适用于相关专业学生对自动控制系统理论与技能的学习与实践。
由于缺乏适当的实训设备,DCS的教学只能照本宣科,学生极难理解与想象。为满足教研教学需求,笔者设计并制作了一套基于美国Emerson公司Delta V的DCS控制系统,用于实现对A3000过程控制装置的管控功能。学生借助此实验装置既可完成常规控制系统及仪表的认识与实践,还可实现对DCS应用技术的体验与学习。
1 A3000过程控制实验装置简介
A3000实验装置包括供电系统、模拟实验对象及现场仪表等,如下图1所示。
模拟实验对象由V101~V104储水箱,E101电加热器,X101热传递滞后盘管,X102板式换热器,P101变频水泵,P201工频水泵,XV101~XV102电磁阀及相关的不锈钢管路及阀件等组成。对象系统包含两个基本支路。支路1经由变频水泵P101,换热器X102,电加热器E101,可直接注水到三个工作水箱V101~V103;支路2则经由工频水泵P102,同样也可注水至工作水箱V101~V103,另有一路还可流入换热器X102进行冷却。由变频器U101及电动调节阀FV101可分别实现对支路1、支路2的流量控制。此外,借助QV103、QV114、XV101~XV102等手动或电磁阀还可灵活地离线或在线切换实验流程,以模拟更为复杂的工艺过程。
E101电加热器由移相调压器GZ101控制加热,并设有LSH-106,LSL-105高、低限液位开关,实现联锁保护。为避免电加热器干烧造成事故,当加热器内液位低于低限位时,将通过硬件电路自锁使其无法加电。
X102板式换热器的冷、热水出口处各有一个温度传感器,方便完成热传递实验;E101电加热器底部连接有传热滞后盘管,在滞后管出口处装有一个温度传感器,方便完成纯滞后补偿实验。工作水箱V101~V103分别设有液位传感器LT101~LT103,可模拟单容、双容、三容液位对象,完成诸如单回路、串级、比值、前馈、均匀等实验。
实验装置的现场仪表系统还包括:转子流量计FT101及电磁流量计FT102分别用于测量支路1、2的流量,压力传感器PT101用于测量支路2压力。热电阻TE101~TE105用于实现对E101电加热器内部及出口温度、X102换热器入口及出口温度、V104储水箱温度的检测。
2DELTA V集散控制系统
Deltav系统主要由现场控制站、操作员站、工程师站、应用站、通信网络等组成[4,5,6,7]。
Delta V系统是一套规模可变的、能完成各种复杂的连续控制和批处理控制的过程控制系统。其控制网络是一个隔离的10/100M以太局域网,为控制器和工作站之间提供通讯信道。控制器集成了许多标准化模块,如ODBC数据库、ActiveX显示控件、批量控制、OPC和IEC1131-3图形控制语言及FF总线功能块等。Delta V系统的控制器、控制网络均采用冗余结构,在通讯故障时能实现自动切换,从而保证了通讯的可靠性。
Delta V的I/O子系统中除了传统的I/O卡件——AI、AO、RTD、TC、DI、DO等以外,还包括符合FF-H1、FF-HSE、Profibus-DP等现场总线标准的接口卡件,同时还提供了一种串行通讯SI接口卡,该卡支持RS232和RS422/485链路全双工或半双工通讯,并配置了多达数十种通讯协议,为Delta V系统与已有设备的互连互通提供了一种高性价比的解决方案。
2.1 系统硬件配置
本实验装置DCS控制系统基本结构如图2所示。系统的上层网络采用100MHz以太网,连接现场控制站、工程师站及操作员站各一台。
2.1.1 工程师站与操作员站
Delta V系统的工作站包括工程师站(Professional Plus站)和操作员站。工程师站存储着Delta V系统的全部组态及运行数据库,并配备有DCS系统组态、操作和维护的所有工具,主要用于完成诸如系统结构组态,控制回路组态、操作画面组态、运行报表组态、趋势组态和参数整定等功能,运行时还可兼作操作员站。操作员站是DCS系统的操作接口,操作人员通过它们来监控和管理现场设备。
2.1.2 现场控制站
控制站由电源、MD控制器以及I/O卡件组成。MD控制器提供现场测控仪表与DCS控制网络中其它节点之间的通讯与控制。Delta V系统加入冗余控制器只需简单地插入一个控制器和相应供电电源即可,当主控制器故障时,冗余控制器无需用户干预即可自动完成无扰切换冗余控制。Delta V系统的所有I/O卡件均采用模块化结构设计,支持即插即用、自动识别硬件类型、带电插拔,操作维护可不必停车。
现场控制站采用控制机柜一个,用于安装控制器,I/O卡件、网络集线器以及继电器、接线端子等。另有MD Plus控制器一块,用于完成模拟量,开关量的采集和控制等功能。I/O卡件则包括8点模拟量输入卡两块、8点模拟量输出卡一块,32点接点输出卡及32点接点输入卡各一块。此外,还备有FF及Profibus DP总线通信卡各一块,以便扩展FF及DP总线仪表系统。
2.1.3 通讯网络
Delta V系统的控制网络是以以太网技术为基础的冗余局域网,系统中所有节点(工作站与控制器)均直接通过3COM交换机连接到控制网络。
2.2 软件包配置
DeltaV系统软件包括组态、控制、操作和诊断等工具软件。
(1) 组态软件为DeltaV系统提供了强大的组态工具,具体又包括Delta V浏览器、图形工作室和控制工作室等。
① Delta V浏览器是DCS系统组态的导航工具,它用一个树型结构来表现系统的整体结构及系统布局,并可对控制区域、网络节点、功能模块和报警等信息进行定义、配置与管理。
② 图形工作室借助Intellution公司优秀的SCADA组态软件iFix。图形工作室预定义了多项标准功能,如控制面板、运行趋势、显示目录和报警简报等,可利用图形、文字、数据和动画制作工具,组态动态、实时的过程流程图及操作界面,以便操作人员实施过程监控与管理。
③ 控制工作室,可采用图形方式利用内部预定义模块库构造、组态和配置控制方案及其参数,还可选择顺序功能图来组态系统。
(2) 控制软件,在MD控制器中提供了完整的模拟、数字和顺序控制功能,并可对各类基础过程控制数据进行存储管理。
(3) 操作软件,包括流程图显示、报警管理、实时趋势、在线上下文帮助等,为操作员提供了一整套高性能的工具以满足对系统监控及管理的需要。
(4) 诊断软件,包括网络通讯状态监控,控制器冗余验证,智能现场设备状态检测等,为Delta V系统提供了覆盖整个系统及现场设备的诊断工具,
3 系统组态
首先需用DeltaV浏览器定义系统的结构,如划分系统逻辑区域,激活控制器,识别并组态IO卡件类型及通道等。用控制工作室采用图形化方式定义控制方案及其参数。
3.1 控制系统回路组态
在A3000过程控制系统中,设置的主要控制回路有:支路流量控制(分别基于电动阀及变频器);容器液位(单容~三容对象)简单、串级、比值控制;电加热器温度控制;换热器温度控制等。
控制系统回路组态时,应首先确定过程的输入、输出变量、所需的功能模块以及各模块之间的相互依存关系。其后借助控制工作室软件,从模块功能块库中调出所需的模块,并配置所需的功能参数,再将各模块按所需的依存关系和结构流程相互连接。随后,进行编译与下装,从而完成整个控制方案的组态过程。
在DeltaV浏览器中允许灵活选择下装部分或全部组态数据,如下装某控制器、某组态参数、某I/O卡件或模块;而在控制工作室中则仅允许下装独立的模块。以尽量降低对系统工作的干扰。
3.2 人机界面的组态
DELTA V系统可为用户提供总貌、分组、流程图、棒图、趋势、报警、报表等功能界面,还包括PID调整画面、操作指导画面、系统维护画面等,从而为操作人员提供了对工艺过程灵活、便捷的监控功能。
(1) 工艺流程图的组态
借用类iFix软件,提供强大的所见即所得方式的图形化组态功能;并可随时在组态和运行模式之间互相切换,保证系统组态与调试过程十分方便快捷。
(2) 报警的组态
包括对报警的名称、优先级、类型、阈值、自动确认、允许/禁止等信息的设置;借助条件报警功能或设置报警延时以及允许/禁止报警的计算条件,可减少不必要的报警。运行模式下,报警概要画面将显示所有未确认的报警及其优先级。
(3) 历史趋势组态。
历史趋势可用于显示实时和历史数据。组态过程中,首先需为模块和测点参数定义历史数据采集(History Collection)属性,再借助历史视图(Process History View)组态趋势画面。
根据DCS控制系统的功能及操作需求,本系统共设计了10余幅监控画面,具体包括
(1) 总貌画面
用于监视整个系统的工作状态。每个画面中包括32个小方块,其颜色表明各子系统的工作状态(正常/报警/停车),总貌画面还可用于调出其它子画面。
(2) 流程图画面
操作员可以通过控制流程图对整个工艺流程进行监测,并根据工艺要求对设备进行相应的操作。流程图画面将系统全部运行参数的实时数据均以动态方式标绘于附有系统工艺流程的画面之中,显示在设备相应的位置上,操作者据此可对装置及相应设备的运行状况、报警情况一目了然,如图3所示。
(3) 控制组画面
控制组画面以一种类似于普通电动调节器的方式来表示控制器。每个控制器面板上设有手/自动切换开关,以及SV设定值、PV参数值、MV控制输出值及阀位反馈值等,这些数值均采用棒图及数字方式显示,清晰明了。本系统的控制组画面包括温度、压力、流量、液位、电磁阀共5幅。
(4) 数据一览画面
显示本系统全部运行参数的实时值。
(5)趋势组画面
包括温度、压力、流量、液位共4个趋势组曲线,用于监测各相关参数的实时与历史趋势。
(6)回路调节画面
通过此画面可对每个控制回路的PID参数、手/自动模式等进行调整,以满足工艺运行及控制要求。
(7)报警汇总画面
按报警发生的先后顺序,依次显示最多200个过程及系统报警信息。
4 结束语
本套集散型控制系统于2008年6月完成安装调试及试运行。两年的实验运行表明,通过Delta V DCS实现对A3000过程实验装置的集中控制、监测、记录和报警,完全满足预期的控制需求。基于DCS的过程控制系统还可通过系统组态,灵活、方便地改变其控制方案与策略。整个系统设计结构紧凑、功能多样、使用方便,既能进行验证性、设计性实验,又能提供综合性实验,从而满足不同层次的教学需求。学生通过实验实训过程,可不断积累构建、组态、调试和操作DCS过程控制系统的经验,以加深对理论知识的理解,提高实践动手能力,并将为学生今后在相关专业的实际工程活动中崭露头角奠定良好的理论与应用基础。
参考文献
[1]王娟,钟秦,董旭.A3000系统在化工自动化及仪表实验中的应用[J].实验室研究与探索,2006,25(9):1079-1080,1164.
[2]厉玉鸣.化工仪表及自动化(化学工程与工艺专业使用).第3版[M].北京:化学工业出版社,2001.
[3]何衍庆,俞金寿.集散控制系统原理及应用.第2版[M].北京:化学工业出版社,2002.
[4]张冬梅,翟宇鹏,吴枝辉,等.Delta V系统在醇醚装置中的应用[J].吉林化工学院学报,2009,26(2):82-84.
[5]李斌,张湜,罗刚,等.基于Delta V的DCS组态实现及其应用实例[J].微处理机,2006,27(5):118-120.
[6]任志勇,吴全志,贾焕铎.Delta V控制系统在酒精生产中的应用[J].自动化与仪表,2006,21(6):67-69.
过程控制系统实验装置 篇6
现代教育教学活动中,实验教学是必不可少的关键环节,对培养学生的实际工作能力至关重要,但目前实验设备的匮乏极大地制约了学生技能的学习与获取[1,2]。由北京华晟高科教学仪器有限公司开发的A3000过程控制实验装置,广泛适用于相关专业学生对自动控制理论与技能的学习与实践。系统包括多个水箱、换热器、水泵等小型实验对象单元, 配合各种传感器、执行器等,可以对温度、压力、流量、液位等过程参数实施控制。
监视与控制通用系统(MCGS)是目前较为流行的工业组态软件,具有实用性强、组态灵活等优点,但数据处 理能力较 弱。矩阵实验 室 (MAT- LAB)被广泛应用于科学计算、数学建模与仿真, 运算效率很高且 可方便地 实现各种 复杂控制 算法,但难以与现场工控设备直接进行数据通信,致使很多先进控制算法仍然只能停留在纯数字仿真阶段。工业化标准(OPC)技术是一种通用的工业化标准,它的出现改善了各仪器接口不统一而无法互联的问题[3]。
文章采用OPC技术,将MCGS作为OPC服务器,MATLAB作为OPC客户,实现数据 通信,在MATLAB/SIMULINK中构建一个 单神经元PID控制算法,以实现对A3000过程控制实验装置的控制。单神经元PID控制具有自学习和自适应能力,在一定程度上解决了传统PID调节器不易在线实时整定参数的不足,提高了控制器对系统和环境变化的适应能力[4]。学生借助此实验装置可完成常规控制系统及仪表的认识与实践,还可对OPC及单神经网络PID控制技术获得良好体验与学习。
1A3000型过程控制实验装置简介
A3000过程控制实验装置包括供电系统、实验对象及现场仪表系统等几部分。该装置包括水箱、电加热器、热传递滞后盘管、板式换热器、变频水泵、工频水泵及相关的管路及阀件等。实验系统含2个基本支路:支路1有变频水泵P101,换热器X102,电加热器E101,可直接注水到3个工作水箱V101~ V103;支路2有工频水泵P102,同样也可注水至V101~V103,另有1路可流入换热器X102进行冷却。通过QV103、QV114、XV101~XV102等手动阀或电磁阀还可灵活地改变实验装置的基本流程,以模拟更为复杂的工艺装置。以上设备及仪表构成了一个精巧、完整、独立的实验装置,为各种控制方案的实施提供了良好的物理仿真环境。A3000型过程控制实验对象如图1所示。
2MATLAB与 MCGS基于 OPC 的通信 实现
2.1OPC技术
工业过程控制领域用到大量的现场设备和智能仪表,应用控制程序则需要不断地和这些设备进行数据交互。传统方式是通过开发设备专有驱动程序来实现对数据的访问,但不同设备供应商的驱动程序不同,难以随硬件升级。OPC技术的出现极大地改善了这种状况,OPC是一种数据交换的工业标准机制,基于客户/服务器模式,为现场设备与软件应用之间提供了广泛的互操作性和互换性。OPC数据存取服务器主要由服务器对象(Server)、组对象 (Group)和数据项对象(Item)组成。OPC数据项是服务器端定义的对象,通常指向设备的一个寄存器单元,每个数据项的数据结构中包含3个变量:值 (Value)、品质(Quality)和时间戳(Timestamp)。
随着OPC技术的广泛应用,国内流行的监控组态软件,如RSVIEW32、ifix、WinCC、MCGS、King- view等全面支持OPC技术;而MATLAB7.0也提供了相应的OPC工具箱,支持读取、写入和记录OPC数据[5,6,7]。因此可以借助OPC技术,使用监控组态软件作为控制系统主控,完成实时数据采集,同时由MATLAB实现复杂算法处理功能,从而充分发挥监控组态软件和MATLAB各自的特长,改善控制效果。
2.2MCGS作为 OPC服务器设置
本实验系统LT103完成对V103水箱液位的检测,经ADAM4017传递给MCGS,MCGS将测量值与给定值 通过OPC机制传递 给MATLAB,经MATLAB实现单神经元PID控制,其后再经OPC机制将阀位值传递回MCGS,最后经ADAM4024模块控制FV101调节阀,实现对液位的自动控制。A3000过程控制实验系统组成结构如图2所示。
MCGS提供了标 准的OPC接口,既可作为OPC客户端,也可以作为OPC服务器。实验系统中,需在MCGS实时数据库中建立3个实型变量PV_WaterLevel、SP_WaterLevel及MV_Water- Level,分别对应液位测量值、给定值及阀位值。这些变量将通过OPC供MATLAB读写。此外,在设备窗口中,还需添加OPC设备并完成OPC服务器的属性设置,其OPC服务器名为MCGS.OPCData- Centre/MCGSRUN.OPCDataCentre,启动MCGS将自动启动OPC服务器功能。
2.3MATLAB作为 OPC客户端
在MATLAB7.0及以上版本中,增加了OPC工具箱,以便MATLAB可以实现与OPC服务器的连接并读写OPC服务器中的相应变量值。OPC工具箱中包括OPC_Configuration、OPC_Read及OPC _Write等,分别用于配置及读写OPC数据。本实验系统中,需在MATLAB中如下配置:
(1)打开SIMULINK,找到OPCtoolbox模块子库,将其中的OPC_Read,OPC_Write,OPC_Con- figuration三个模块拖至新的模型窗口中。
(2)双击打开OPC_Configuration参数设置窗口,在“configureOPCclients”→“Add”→“Select”中选择添加“MCGS.OPCDataCentre”,为MATLAB指定OPC服务器。
(3)双击打开2个OPC_Read参数设置窗口, 在“AddItems”里指定变量PV_WaterLevel,SP_ WaterLevel。同理,双击打开OPC_Write参数设置窗口,在“AddItems”里选择变量MV_WaterLevel。
3单神经元 PID 控制器在SIMULINK 中 的构建
3.1单神经元PID控制算法
PID控制的各个参数均有明显的物理意义,且结构简单、调整方便、鲁棒性好,并为广大现场工作人员和设计工程师所熟悉,在自动控制中一直发挥着巨大的作用。但由于实际生产过程中广泛存在的非线性、时变及不确定性等因素,恒参数的常规PID控制器往往难以达到理想的控制效果。利用神经网络的自学习能力和逼近任意函数的能力,把神经网络与传统的PID控制有机地结合,在一定程度上解决PID调节器参数在线实时整定问题,表现出对时变、非线性对象特性良好的自适应性和鲁棒性[8,9]。在神经网络控制中,单神经元是最基本的控制部件。由于仅有一个神经元,结构简单,计算量小,权值学习时间短,可获得较好的实时性。
考察PID控制器的离散算式:
式中,e(k),u(k)分别为k时刻控制系统的偏差与控制器输出值;T为计算机采样周期。写成增量形式为:
运用神经网络思想,构造单神经元PID控制器,如图3所示。
图3中,神经网络输入为:
神经网络输出为:
式中,wi(k),i=1,2,3为加权值。
采用有监督的Hebb学习规则,权向量的调整公式为:wi=η(ri(k)-oi(k))oi(k)xi(k)。为保证这种单神经元自适应控制学习算法的收敛性和鲁棒性,将其规范化处理后可得以下式(5~6):
其中,
这里,e(k)是输出误差信号,ηi,i∈P,I,D分别表示比例、积分、微分的学习速率。图中的单神经元将根据控制系统实际输出和期望输出的偏差值,采取特定的学习规则,不断调节网络权值向量wi到最佳值w* i。网络权值的调整过程也可视作PID控制器参数的自整定过程,从而使得神经元PID控制器对于时变及非线性具有较强的适应能力。
3.2基于SIMULINKS-Builder快速构建单神经元 PID模块
通过Simulink模块库中S-Functionbuilder提供的图形用户界面,可快速方便地构建C语言的S- 函数,用于构建自定义的单神经元PID模块。本例中,可设置7个离散输 出变量,只需作以 下简单设置:
(1)Initialization:用于设置7个离散状态变量m1~m7 及其初值,分别代表e(k),e(k-1),e(k- 2),w1,w2,w3,u,e(k),e(k-1),e(k-2),w1,w2, w3,u并设置离散采样时间为60μs。
(2)DataProperties:用于指定输入端口r(k)、y(k)及输出端口u(k),并指定工作参数K,η1,η2, η3,Ts。
(3)Libraries:用于指定所需的外部函数库,形如“#include<math.h>。
(4)DiscreteUpdates:这是本例中最主要的状态离散更新代码,按3.1节所述设计。
(5)ContinuousDerivative:本例因无连续状态变量,故并不需要。
(6)Outputs:u0[0]=xD[6];其中xD[6]代表离散变量u(k)。
4仿真研究
使用MATLAB/SIMULINK中提供OPC工具箱实现与MCGS的实时数据通信,控制算法采用上节所述的自定义单神经元PID模块,仿真模块如图4所示。
与离散PID控制效果相对比,单神经元PID控制的初始参数与离散PID参数一致,其仿真结果如图5所示。
这里点画线、虚线及实线分别代表给定值、纯PID及单神经元PID控制的曲线。可见,由于单神经元PID控制可实现对PID控制参数的在线实时调整,故与常规的PID控制相比,其控制效果有明显提升。
5结束语
芳烃联合装置制造的过程控制 篇7
芳烃联合装置主要是以石脑油、混合碳八等为原料, 在催化剂的作用下, 将环烷烃等非芳烃组分部分转化为芳烃, 经歧化反应、异构化反应生成目的产品, 经抽提、分馏、吸附等精制分离工艺, 生产高纯度对二甲苯、邻二甲苯、纯苯的过程。对二甲苯:无色透明液体, 有芳香气味。主要用于生产精对苯二甲酸 (PTA) , 也可用于制药工业。苯:无色透明液体, 可用于生产烷基苯、苯胺、苯酚、丙酮、己二酸等化工产品。邻二甲苯:无色透明液体, 主要用于生产苯酐、增塑剂等化工产品。
1 原料性能介绍
1.1 石脑油
芳烃用石脑油主要是75~158℃馏分油。
1.2 加氢汽油
来自裂解汽油加氢装置, 芳烃含量80%左右, 可直接进入芳烃抽提单元进行加工, 分离三苯等目的产品。
1.3 混合碳八
来自重整及芳烃抽提装置, 二甲苯含量在80%以上, 直接进入分馏单元进行加工。由于原料及对最终产品需求的差异, 芳烃联合装置的组成及流程也有所不同。例如齐鲁公司芳烃装置用于生产对二甲苯和邻二甲苯, 它主要包括5个工艺单元, 环丁砜抽提, 芳烃分馏, 歧化、吸附分离、异构化。用于生产苯、甲苯和邻二甲苯及间二甲苯的吉化公司芳烃装置将包括下列8个工艺装置:石脑油加氢处理、连续重整、催化剂连续再生, 环丁砜抽提、热脱烷基制苯、二甲苯蒸馏、间二甲苯吸附、异构化。
2 工艺流程简述
联合芳烃装置主要包括预加氢单元、重整单元、芳烃抽提单元、歧化单元、分馏单元、吸附单元、异构化单元。原料经加氢预处理后, 进入重整单元将环烷烃等非芳烃组分部分转化成芳烃;经歧化反应将甲苯与较重的多甲基苯部分转化为苯和二甲苯;经异构化反应, 将二甲苯异构体部分转换成日的产物。生产过程中物料还需经吸附、分馏、抽提等分离精制单元, 最终获得高纯度的对二甲苯、邻二甲苯、纯苯等目的产品。下面对主要生产单元工艺进行简要介绍。
(1) 预加氢单元:主要在催化剂作用下, 对物料进行选择性加氢, 脱除硫、氮、氧等杂质, 并对不饱和烯烃进行加氢。
(2) 重整单元:在铂催化剂作用下, 物料发生脱氢异构化、加氢裂化和脱氢环化反应, 将原料中的环烷烃等非芳烃组分部分转化为芳烃的过程。
(3) 芳烃抽提单元:为液一液萃取, 用环丁砜等溶剂溶解烃类混合物中的芳烃, 从而分离出芳烃和非芳烃的过程。
(4) 歧化单元:歧化工艺中有两种反应类型:歧化反应和烷基转移反应, 将甲苯或较重的多甲基苯, 转化为苯和二甲苯。
(5) 分馏单元:利用物料中各组分沸点不同, 使混合物分离成较纯组分的过程。主要是分离出混二甲苯、邻二甲苯和重芳烃。
(6) 吸附单元:利用分子筛吸附剂对混二甲苯中的异构体具有不同选择性的特点, 优先吸附对二甲苯, 然后利用解吸剂将对二甲苯解析下来。
(7) 异构化单元:将二甲苯通过异构化反应, 转换成目的产品的过程。目的产品不同, 选择的异构化催化剂不同。
3 芳烃联合装置制造的过程控制
当进料中组分发生变化, 假设重组分增加, 则塔顶重组分的含量增加塔顶温度增加。TRC调节器使塔顶产出量D减少, 由于D减少, 回流罐的液面上升, 液位调节器把回流量加大, 使塔顶温度下降至给定值, 从而保证了塔顶产品的质量。如果干扰来自环境温度, (例如遇到一场暴风雨) , 改变了空冷器的传热效果, 在塔顶液全凝的情况下, 冷凝液的温度下降, 在外回流不变的条件下, 内回流量将增加, 减少了蒸馏塔内上升的蒸汽量, 使回流罐的液位降低, 液面调节器将迅速减少外回流量, 使离开塔顶的蒸汽量增加, 这样使热量很快得到新的平衡为止。由于进料量F和进料组分Z没有改变, 塔顶温度将回到原来的设定值, 塔顶液组分Y和产出量D也将不会改变。这里用液面控制回流, 反应快, 回流比越大, 用这种方案控制, 精度越高。
与传统的控制方案相比, 直接物料平衡控制所得到的产品纯度更高, 操作平衡, 对于环境温度的干扰有自校正作用, 比采用内回流控制要便宜得多。因此被大量地应用于芳烃联合装置的蒸馏塔控制中。UOP后来对直接物料平衡控制方案作了改进。即把回流量控制的流量检测点设在回流罐出口总量上.由于总量的变化比分量 (即回流量) 要大, 检测就更灵敏, 减少了整个调节过程的滞后, 提高了系统的调节精度, 当产品抽出量大时, 这一优点更为明显。在精馏过程中, 组分、压力, 温度都是相互影响的。对于一般的精馏塔, 在压力波动较小的条件下, 如果要控制组分, 只要直接控制与物料组分有对应关系的温度即可达到目的。但是苯塔DA-413是个精密精馏塔, 要求产品纯度很高, 苯精馏塔系统的苯沸程 (80-81℃) 很窄, 塔内物料各组分的相对挥发度差异很小, 使得组分变化对温度的影响的灵敏度不及压力变化影响的灵敏度大, 因此, 采用一般精馏塔的单点温度控制沸点温度的手段, 不可能达到产品高质量的要求, 然而, 对于两块塔盘, 它的浓度差越大, 则两塔盘上物料的温度差也越大, 而且由于压力波动对于两块塔盘间的温度差的影响很小, 因此就可能根据两塔盘问的温差与组分的对应关系, 用控制温差来保证产品纯度。DA-413塔的灵敏塔盘为第19块塔盘, 苯产品抽出点为接近塔顶的第6块塔盘, 这两点的温度差与苯塔侧线出料流量调节器组成串级控制, 副回路流量调节用来克服苯产品流量波动将造成对产品质量的影响。
4 结论
总之, 芳烃联合装置制造的过程系统是一个包含过程控制、过程监视与管理、精馏塔建模与优化操作等内容的两级计算机系统, 并与厂级管理小网联网。
参考文献
[1]徐振凯, 马海洪.偏三甲苯多效热集成分离工艺的模拟研究[J].石油炼制与化工, 2011 (06)
[2]高珊.芳烃联合装置中歧化单元的工艺方案选择[J].化工设计, 2011 (05)
[3]郭守权.芳烃联合装置低温热的回收与利用[J].炼油技术与工程, 2011 (11)
煤泥沉降过程智能控制装置的研发 篇8
1 煤泥沉淀过程控制技术现状
煤泥水的主要成分是胶体、电解质以及悬浮液。煤泥水是一个多分散的系统,其中固体颗粒的粒度组成不同,特性相对复杂。粒度组成越细,煤泥水越稳定,沉降越困难。目前选煤厂的煤泥水处理过程中主要使用浓缩池。煤泥水在池中分为三层,最上面一层为澄清层、其次是沉降层,靠近池底部称为压缩层。
对于煤泥水的处理,我国的大多数选煤厂依靠浓缩机来进行。普通浓缩机的缺点主要包括以下方面:第一是占地面积过大,第二是设备的投资偏高、第三是浓缩机效率不高。当设备运行过程中突然停电或者给料不均匀的情况发生时,极有可能造成“压耙”的情况发生。当“压耙”情况频繁出现时,设备的驱动系统,尤其是电机部分很容易被破坏。清理浓缩池的前提是必须将浓缩池“放空”,恢复运行需要检修的时间过长,不利于现场生产的连续作业。
2 煤泥沉降过程中的自动控制应用
煤泥水在浓缩池中的沉降分层主要借助于絮凝剂、凝聚剂等药剂的添加。定量加药在入料矿浆浓度稳定均匀的情况下是可行的,但实际上入料矿浆浓度和流量都是随时间变化的。按照不变的药量进行药剂添加无法保障溢流水的控制要求,而且会浪费药剂。国内外常用的沉降过程自动控制方法有三种:利用检测到的溢流水浊度控制药剂添加,根据浓缩池入料流量和浓度控制加药量,根据界面分析仪反馈的浓缩池内工况情况控制药剂添加。
2.1 根据溢流水的浑浊程度控制药剂添加
选用光敏三极管作为光电转换元件。让溢流水穿过测定管,分别测量出溢流水穿过前和穿过后光强度的变化。在此过程中,光束强度一定,光源必须采用恒流供电。当浊度变化时,接收端的信号强度也会随之发生变化。最后通过信号滤波,放大等环节,输出不同的测量信号。
此种方法的优点是:当测量条件和浊度范围变化不大时,有较好的测量精度。
缺点是:(1)此方法无法测量浊度较高的情况;(2)单独用浊度仪器测量,当溢流水浊度变化较大时,误差增加;(3)需要定期对仪表的上下限进行“标零”和“标满”;(4)在测定管内壁上会有部分煤泥沉积,需要定期清洗测定管,否则影响测量精度。因此,单独使用浊度仪测量溢流水浊度来控制絮凝剂的添加量,很难保证系统稳定运行。
2.2 根据进入浓缩池的煤泥水流量、浓度控制加药量
利用压差或放射源浓度计检测入料浓度,电磁流量计检测入料矿浆的流量,因为入料煤泥水的干煤泥量等于煤泥水的浓度乘以流量;由干煤泥量与药剂的对应关系来控制药剂的添加。该方法操作简单,实现方便;满足煤泥水沉降控制要求的前提是入料矿浆性质的稳定,但检测仪表需要经常校准,控制精度偏低。
2.3 根据沉降-过渡-压缩区来控制加药
根据浓缩机内分层状态控制加药的原理是,利用声呐界面仪检分析池内各分层区域之间的过渡区大小,进而控制药量的添加。因为浓缩机中各平面煤泥水的浓度不同,即固体含量不同,一般含有微量的天然放射性元素。用探测器探测这些天然元素的强度,则可确定矿浆中固体物含量。通过连续的测量,浓缩池内自下而上各层放射性物质,即可确定各平面的固体物质含量。
3 国内外研究进展及应用趋势
选煤厂煤泥水处理工艺在国外,如美国、澳大利亚、德国等均有成型的自动加药控制设备。而我国在尾煤浓缩机自动加药系统开发研制方面起步较晚,至今我国大多数选煤厂尾煤浓缩加药未实现自动化,还局限于人工配药,依靠人工观察溢流水的清浊程度来手动调节絮凝剂的添加量。个别大型选煤厂直接购进国外设备,但投入资金大;少数选煤厂也选用国内的产品或自行开发改建配置,添加系统。
近年来,国内在药剂的自动制备和添加方面进行了大量的研究开发。国内专家学者在借鉴国外经验的同时,通过自己的研究开发,在此领域也有了很好的发展,但较国外产品还有一定的差距。自动添加环节研究重点是检测对象、检测元件、执行以及控制模式。
在沉降检测方面,国内的选煤厂大部分还停留在依靠人工和经验的阶段,很多洗煤厂甚至依靠竹竿来人工探测煤泥的厚度和分层,主观意愿强,随意性较大,往往容易出现误差。国外选煤厂大多选用先进的仪器来实现数据的在线检测和反馈。
3.1 煤泥沉降过程控制的研究方法及考核指标
针对国内外各种煤泥沉降过程控制方法存在的缺陷,需要研究出一种新的控制煤泥沉降方法。主要研究内容包括:(1)煤泥水在线检测技术的研究;(2)浓缩池内煤泥水沉降分层在线监测技术的研究;(3)药剂添加与煤泥沉降过程相关性的研究。主要考核指标为:(1)实现浓缩池内煤泥沉降与分层在线检测,检测周期控制在5秒之内;(2)控制浓缩池溢流水浊度≤3g/L;(3)保证尾矿压滤机入料浓度≥300g/L;(4)在现场设备进行工业性试验考核,能够连续运行半年以上。
3.2 声波测距技术发展现状
利用超声波测距原理,计算声波返回探头的时间,声呐界面类仪表可以计算出池内污泥层的厚度和高度。更加准确的掌握煤泥沉淀特性,精确地控制对煤泥的回流量。高能量声波自换能器发射出,声波能量从选定的界面处返回形成回波。特殊设计的软件通过特定的算法对回波进行辨识和处理。强大的声呐能量穿透较轻的悬浮物和较为松软的过渡层到达较为密实的活性污泥层或矿浆床层,并从这些分层表面返回形成回波。声呐界面仪的软件对在声呐能量传输过程形成的各种杂波进行处理,剔除较轻悬浮物反射的回波,分离出活性污泥层或密实层返回的代表被测界面的回波,实现对界面的测量。通过选择适用于应用对象工作频率的声呐换能器,声呐界面仪系统能确保在既对低密度界面,同时也对高密度界面进行测量的最佳效果。
4 总结
研究煤泥水的沉降过程特性,分层高度,煤泥浓度,可以有效指导絮凝、凝聚剂的添加,及尾矿自动排放,获取澄清的循环水,提高煤泥压滤环节的生产效率,对选煤厂洗水闭路循环的实现具有重要的意义。可以进一步提高选煤厂全过程自动控制的技术水准。煤泥沉降过程控制,已成为选煤厂自动化控制中必不可少的一部分。
摘要：煤泥水是在湿法选煤过程中产生,是一个相对复杂的系统。对煤泥水特性的全面了解是确定煤泥水处理工艺的关键。研究煤泥水的沉降过程特性、分层高度、煤泥浓度,可以有效指导絮凝剂、凝聚剂的自动添加,使尾矿排放的循环水得以澄清,进而提高煤泥压滤环节的生产效率,对选煤厂洗水闭路循环和全厂过程自动控制具有重要的意义。煤泥沉降过程控制,已成为选煤厂自动化控制中必不可少的一部分。
关键词：煤泥水,湿法选煤,沉降过程控制
参考文献
[1]岳广礼.选煤厂浓缩机药剂自动添加控制系统设计[J].煤炭加工与综合利用,2006,12.
[2]蒋玲.尾煤浓缩机自动加药在我国的研究现状与展望[J].矿山机械,2007,1.
[3]李晓笑.煤泥高效浓缩机技术特点分析[J].选煤技术,2008,04.
过程控制系统实验装置 篇9
《计算机控制技术》课程在自动化专业教学计划中是一门重要的专业课。其主要任务是使学生获得计算机控制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。实验课是本课程重要的教学环节,其目的是使学生在了解计算机控制系统的基本控制方法的基础上,掌握用C语言程序设计控制系统的方法。培养学生独立进行计算机控制系统实验的技能,从而使学生掌握计算机控制系统的一般工程设计方法。
作为一门工程性很强的自动化专业课程,一直以来在我系微机原理实验室做计算机控制技术实验内容显然不行[1]。因此,从2002年初起,我系开始计划筹建计算机控制技术专业实验室。在筹建的过程中,我系对国内很多大学正在使用或市场上销售的计算机控制实验装置进行了考察,结果发现它们在实验教学功能上普遍存在两点不足:一是实验内容陈旧;二是不能体现工业控制计算机在实际工程应用中的特点。最终未能找到合适的面向自动化专业工程实际的计算机控制实验教学装置。2003年3月,我系该项目负责人决定自主设计计算机控制实验内容并开发相应的实验装置。经过多次对实验内容及样机进行修改后,批量生产1 7台计算机控制技术实验装置装备我系计算机控制技术实验室,2004年10月首次用于2000级自动化专业本科生的计算机控制技术课程实验教学,学生普遍反映实验内容工程性强,实验教学效果良好[2]。
2 实验内容的设计
对于工业控制计算机作为计算机控制系统的核心来说,首先在实验教学中应体现其作为工业控制器的特点,只有这样,才能让学生充分理解工业控制计算机的硬件特性和功能[3]。其次,要面向自动化专业的学生,将实验内容与工程实际结合起来,以提高学生的学习兴趣,培养学生的工程意识。此外,考虑到学生做计算机控制技术实验时已经具有微机原理、单片机等很多课程实验的基础,实验内容的难度要适当提高,以综合设计性实验为主,提高学生的创新能力。根据教学计划,计算机控制技术实验共6个学时,学期末有为期一周的计算机控制技术课程设计,实验室对全校学生实行全开放型预约实验。
2.1 实验装置熟悉及I/O通道实验
计算机控制技术实验装置采用积木式结构、使用非常方便。第一次实验开始时首先由实验教师向学生介绍实验装置功能,然后学生花很短时间熟悉实验装置并重点掌握基本输入输出通道的功能。I/O通道包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。学生在掌握板卡常用功能的基础上,使用C语言程序编写初始化pcl812板卡子程序(其功能是初始化pcl812板卡,设置pcl板卡数据读取方式,设置中断计数器)和初始化中断及中断服务子程序。并由定时器中断触发启动A/D转换,实现对外部开关信号、模拟量等进行采集。由于工业控制计算机的I/O通道功能比较好理解,且与单片机相应功能类似,学生通常都能较好地掌握,从而达到实验目的。
2.2 滤波实验
计算机控制系统在生产现场运行,信号的采集、转换必然受到生产现场各种强烈的干扰,如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等造成的干扰都会窜入I/O通道,轻则使采集的信号不精确,重则使系统无法正常运行[4]。
为了提高计算机控制系统的可靠性,在系统设计时必须采取多种抗干扰措施。如果在实验教学中不安排I/O通道抗干扰方面的内容,对于学生真正掌握计算机控制系统的组成和特点都不利。常用的抑制串模干扰的方法有两个:一个是根据干扰信号的特性来选择模拟输入滤波器;另一个是采用数字滤波技术,例如可采用平均值法、中值法、一阶惯性滤波等算法滤去干扰信号[1]。相比较而言,数字滤波器能够更好的帮助学生理解计算机控制系统的特点。学生实验时,要求先读懂加有详细注释的板卡初始化及中断子程序,然后参考校编《计算机控制技术实验指导书》中关于实现数字滤波器的介绍,分析数字滤波算法的程序框图,要求学生自行编写各种数字滤波算法程序,再输入A/D通道采集的混合信号,验证数字滤波器的滤波效果。本次实验主要是让学生熟悉数字滤波器的实现方法,认识工业控制计算机的硬件特性,理解板卡的有关驱动程序及板卡设置等都有很大的帮助。因为实验室是全开放的,对于学有余力或有兴趣的学生,还可以加做其他高级滤波算法的实验,自行设计数字滤波器系统传递函数并编程实现数字滤波器。
2.3 数字PID算法实验
本次实验要求学生根据被控对象的传递函数,设计被控对象的控制器传递函数。采用P I D位置式递推算式、PID增量式递推算式、防积分饱和PID控制算法实现对被控对象的控制。根据PID控制对象的参数整定方法,确定P、I、D参数。通过连线使学生对计算机控制系统的结构有整体认识。
学生在做实验时,把产生带有高频噪声干扰的有用信号,让其通过模拟低通滤波器之后,将滤波器输出作为闭环系统的给定输入并经模拟量输入通道一进行数据采集。模拟对象输出作为单位负反馈信号并经模拟量输入通道一进行数据采集。当板卡采集到给定和反馈信号后,要求学生调用自编的PID控制算法子程序,根据采样时刻的偏差值计算控制量。控制量通过模拟量输出通道1输出加到模拟对象的输入端对其进行闭环控制,并调用编写的显示图形子程序,将控制结果及参数实时显示出来。总而言之,前三次实验内容,既是相互独立的,又是相互关联的。通过前三次实验,加强学生对使用板卡进行数据采集过程的理解,为将工业控制计算机用于计算机控制系统工程实际打下一定基础。
2.4 综合设计实验
工业控制计算机在工业控制中的应用非常广泛。它可应用于电机控制、温度控制等系统中,也用于随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的集散控制系统中。由于工业控制计算机在工业生产中的实际应用系统通常较为复杂,而实验教学的课时又非常有限。要想在有限的实验教学课时内设计出真正的实用系统是不现实的。因此,从工程实际应用系统中抽取“工业控制计算机控制直流伺服系统设计”、“工业控制计算机控制温度控制系统设计”、“工业控制计算机控制集散控制系统设计”等综合设计性实验。这些实验,既能体现工业控制计算机的优越性,接近自动化专业学生今后工作的工程实际,又可以在时间内完成。通过学期末课程设计开设的综合设计性实验内容,加强学生对工业控制计算机在工程实际中应用的了解,培养学生的工程兴趣,提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。综合设计性实验要求有多个实验题目。每个自然班被分成若干组,每组2～3人。前三次实验内容使用的挂箱,在综合设计性实验中多数可以直接调用,这样既让学生明白前几次实验内容的工程价值,又减少在综合实验中所花的时间。学生在一周的课程设计时间里,基本上能够完成一个综合设计性实验。
3 实验装置的研制
为了满足自动化专业实验教学内容的要求,研制了一套计算机控制技术实验装置。同时根据课程设计内容的需要,配套设计了一些典型控制对象,如自制直流机组、电烙铁等。台湾研华公司生产的研华原装工业控制计算机,IPC-610L是专门为工业控制系统而设计的,在工业电脑和自动化市场中应用非常广泛。我系计算机控制技术课程选择工业控制计算机作为教学机型,因此本实验装置研华原装工业控制计算机进行开发。
3.1 研制的指导思想
(1)便于综合性、设计性实验的实现。设计性及综合性实验是提高学生创新能力的重要手段[5]。计算机控制技术实验装置具有多功能性,输入输出接口功能较强,便于综合性、设计性实验的实现。
(2)便于开放式实验教学。计算机控制技术实验装置采用积木式结构,操作方便,安全性好,便于开放式实验教学的实行。
(3)实验教学面向工程实际。注重贯彻实验教学面向工程实际的思想。结合所设计的实验教学内容,使学生明白工业控制计算机在自己毕业以后实际工作中的用途及使用方法,从而培养学生的工程兴趣,提高实验教学效果。在计算机控制技术实验装置研制之初,就制定了上述几个指导思想,研制过程中,经过对样机多次改进,最后用于学生实验的实验装置,也基本上体现了这样的指导思想。
3.2 装置的基本功能
本实验装置由工业控制计算机、U N I T 1～U N I T 4挂箱及典型控制对象模型组成。工业控制计算机是实验装置的核心部件,在工业控制计算机中还有两块ISA接口的板卡PCL-812PG和PCL-833。PCL-812PG板卡是包含有A/D、D/A、DI、DO等功能的综合板,插在ISA10插槽中;PCL-833板卡用来对光电编码器的脉冲进行计数,插在ISA7插槽中。
UNIT1～UNIT4的每个挂箱只要拔掉后面的插头即可方便地拆下,各挂箱之间可灵活组合、操作方便、直观、用途广泛。U N I T 1面板包括电源控制、信号源和通道实验三个部分。其中信号源部分包括噪声源、阶跃信号源和混合电路,噪声源通过UNIT1挂箱内印制电路板上的拨码开关切换输出脉冲噪声或均匀噪声。阶跃信号源可以通过手动调节电位器提供-10～10V的直流输出,并可通过乒乓开关控制直流电源的通和断提供阶跃输入信号。混合电路是两路同相相加电路。通道实验部分包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。
UNIT2挂箱的主要功能是完成滤波实验和数字PID算法实验。包括模拟滤波电路、数字滤波电路和模拟对象电路三部分。模拟滤波电路图如图1所示。
在UNIT2挂箱中的数字滤波电路只是一个示意图,并无实际电路。在示意图上标注说明滤波输入经A/D通道1进入工业控制计算机,滤波输出经D/A通道1从工业控制计算机输出,并将2路通道与I/O接口电路相连。学生实验时,只要按要求把混合信号插入指定的A/D通道端口即可观察滤波效果。模拟对象电路主要有运算放大器和若干电容、电阻组成。学生做实验时可通过UNIT2挂箱面板上的乒乓开关选择一阶或二阶模拟对象。各模拟对象的电路原理图如图2所示。
与图2模拟对象对应的传递函数为:
U N I T 3主要用于完成电机位置控制和转速控制实验,附加集散控制系统实验示意图。电机控制原理图如图3所示。电机位置控制实质是构成一个位置环,输入脉冲序列和反馈脉冲序列产生位置误差脉冲序列信号,误差脉冲序列信号加到驱动板上,以H型双极可逆P W M方式驱动直流伺服电机低速高转矩转动,到达期望位置。图3中的A/D和D/A均通过PCL-812PG板卡实现,脉冲板指插在工业控制计算机ISA10插槽中的PCL-833板卡。驱动板在UNIT3挂箱内部,它是H型双极可逆PWM驱动系统。增量式光电编码器每圈可输出1024个A相和B相脉冲和1个零位脉冲,A、B相脉冲信号的相位差为90度。三个脉冲信号均为差分信号,输入到PCL833脉冲板进行脉冲计数。学生实验时可直接将给定信号连接到UNIT1挂箱面板上对应的A/D通道,工业控制计算机通过D/A通道输出控制电压,当控制电压为-10～10V时,驱动板所输出的电枢电压能让自制的直流电机组的转速在-1500～1500转/分内变化。这样的设计主要是考虑到学生毕竟是在做计算机控制技术实验,应将训练的重点放在控制算法的掌握上,尽量减少学生在其它设计和调试中所花的时间。同时,将实验装置的电路原理图附在实验指导书的后面,供学生学习参考用。
集散控制系统实验在UNIT3挂箱内并无实际电路。集散控制系统采用工业以太网卡和TCP/IP协议构成的现场总线,现场总线将上位机和下位机连接起来,组成集散控制系统[6]。下位机的数据传输线通过集线器与上位机交换数据。实验软件分为两部分:上位机上有集散控制系统的监控界面,在Windows2000下的组态王6.5软件中运行;下位机是现场数据采集界面,也运行于组态王6.5环境下。集散控制系统实验结构图如图4所示。
U N I T 4主要用于完成温度控制实验及实验装置的显示任务。温度控制原理如图5所示,在温度控制中,ADAM4016是关键元件。A D A M 4 0 1 6发出三路开关信号去控制三个固态继电器,固态继电器通过控制交流电源的通断去控制发热体的实际功率,发热体是由三个20W的烙铁头紧箍在一起组成。温度传感器是Pt100。温度信号由一体化变送器变成电流信号0～2 0 0℃对应4～20mA。变送器还可实时地显示发热体的温度。实验装置采用三星15英寸液晶显示屏显示实验结果。
根据综合设计性实验的需要,设计了相应的典型控制对象模型,例如自制直流机组和发热体。这些控制对象模型与工程实际中的系统特性相似,只是体积小一些,辅助电路简化了一些。学生实验时,可以在实验装置上根据需要搭接不同挂箱,并通过输入输出通道将这些控制对象与计算机控制系统相连。
4 结束语
计算机控制技术实验装置如图6所示,已通过学校专家的鉴定,专家一致认为该实验装置以工业控制计算机为核心,采用积木式结构,按实际工业控制系统标准设计,使用方便,实验内容丰富,有助于提高学生的动手能力、工业控制计算机的使用能力和软件编程能力,全面提高学生对计算机控制技术的应用水平,并给教师和研究生提供了一个科研及产品开发的平台,其综合设计思想先进,目前已达到国内领先水平。
参考文献
[1]薛迎成.微型计算机控制系统及其发展趋势[J].教学与管理,2005,(4):91-92.
[2]许培雅,张西宁.改革实验内容提高教学效果[J].实验室研究与探索,1995,(4):21-22.
[3]何坚强,薛迎成.工业控制机课程教学体系的改革实践[J].工业控制计算机,2006,19(12):78-87.
[4]赖寿宏.微型计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2000,82-83.
[5]聂志刚,刘正东.实验教学中的综合性设计性实验[J].实验技术与管理,2008,25(3):140-141.