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摘 要：本文介绍了过程控制多功能实验装置的构成，对传感器與仪表和实验装置对象作了具体说明。针对过程装备与控制工程专业实验教学与科研的需要， 建设开发了两套过程装备控制实验装置。该实验装置完全可模拟工业生产中过程装备的温度、压力、流量、液位等工艺参数的自动控制； 并且该实验装置设计的被控对象可实现变化多样的组态实验流程， 满足不同专业自动化控制科研与教学的需要。
关键词：实验装置 控制器 自动化控制 组态流程
近年来，自动化技术的应用越来越广泛，已经渗透到国民经济的各行各业， 以它的研究开发和应用为标志，现代化工业生产拉开了序幕，因此，掌握自动化技术已经成为所有行业技术人员必备技巧。为了满足社会发展的需要，教育部在九八年把大学里的“化工设备与机械”专业调整为“过程装备与控制工程”专业。调整后的专业对学生要求提高，不仅要求学生牢固掌握有关过程装备知识， 而且要熟练控制工程基础、控制系统设计、信号测试、计算机应用等知识。由于本科专业培养目标发生了改变， 课堂专业教学也随之开始调整。各高校也开始了过程装备控制实验装置的配备和准备，该装置与与自动化课程配套。本文探讨了过程装备控制实验装置的设计思想、实验装置的构建和应用。
1.实验装置的主要设计思想
在筹建过程装备控制实验装置过程中，需要运用到许多专业设计思想，归纳起来主要分为以下几大类：
1.1被控对象要能实现变化多样的组态实验流程， 在对被控对象的特性进行测试时能组态成各种简单、复杂的控制系统。
1.2要有自动数据采集记录系统， 便于对实验结果进行分析.
1.3 被控对象中要有温度、压力、流量、液位、成分等典型过程工艺参数的自动控制。
1.4装置中必需要有相应的信号联锁保护装置。
1.5自动控制仪表应集中仪表盘面安装， 便于操作人员操作。
1.6控制系统中的被控对象需要有较为典型的过程设备与过程流体机械， 例如： 换热器、塔设备、反应器、锅炉、泵、管道等。
1.7在满足科研和教学的前提下， 尽可能降低装置的成本。
2.实验装置的构造分析
在上述设计思想的指导下， 运用两套装置的结构功能基本相同的装置开始过程装备控制实验，这两套设备的不同之处在于一套运用是电动阀，一套运用气动阀。整个实验装置是由供水系统、被控对象、操作控制台三大部分组成。
2.1供水系统
供水系统的主要作用是为被控对象提供实验模拟介质，该介质就是水，该控制点的工艺流程图如图 1 所示，它可提供三种供水方式，分别是高位水箱、自来水和水泵。需要指出的是，供水系统中的变频器能够作为执行器改变水泵的供水量及供水压力。
2.2操作控制台
操作控制台的仪表盘面有助于工作人员连接接线端，控制台台面有供电电源按钮， 内给定、外给定仪表实验模块， 温度变送器和温度调节模块， 加减运算器、信号联锁保护报警、纯滞后实验模块， 人工智能调节器（ 适合温度、液位、流量、压力、湿度等的自动控制） 以及各种信号输入、输出接线端子等。
2.3被控对象
被控对象的作用是模拟工业生产过程， 其带控制点的工艺流程图如图 2 所示。被控对象流程中有 1#容器、2# 容器、锅炉、管道、泵等典型设备， 还有若干手动阀门、管路快连接器以及各种检测元件、气动及电动执行器等。可以以它们为模拟对象进行液位、流量、压力、温度四大工艺参数的简单和复杂控制系统的自动控制。其中， 锅炉是带夹套的模拟容器， 目的是用它来模拟工业锅炉的液位、锅炉及夹套的温度、锅炉的进、出水流量的控制， 锅炉的加热功率是 4. 5kW， 锅炉的蒸发量不作定量要求， 为便于学生实验的安全， 锅炉的温度一般设定值控制在 80℃以下， 防止操作不当， 热水溢出， 发生烫伤事故。被控对象最大的特点是可以通过管路快连接器实现变化多样的组态实验流程， 以满足不同控制工程实验教学和科研的需要。
3.试验装置对象
上下水箱采用蓝色优质的有机玻璃，水箱底部都设有踩压口和出水口，进水时水管的水先流入缓冲槽，然后才流入工作槽，经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液体位较为稳定，便于观察。两只磁力驱动泵，一只是三相380V恒压驱动，一只是三相变频220V驱动，泵体采用不锈钢材料，模拟锅炉的冷却层和加热层都装有温度传感器，做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。可以完成温度的定值控制、串级控制、前馈反馈控制试验。盘管的出水通过软管连接，既可以流入锅炉内胆又可以流回储水箱，手动球阀门对管道的联通状态进行切换，实现不同试验的管路连接。手动阀门采用优质球阀门，避免管道系统生锈的可能性。通用气泵可以为气动阀门提供气源。过程控制对象如下图所示。
4.装置功能简介及应用方法分析
4.1装置功能简介
过程装备控制实验主要是通过被控对象流程的改变，然后根据实验需要实现多种变化的组态流程。具体操作方法为： 用软管快连接器接通图2所示流程中的快插式管路接头 （ V1～V7、B1～B7、VI1 ～VI2、VO1～VO2）快插式管路接头组合不同流程也不同。通过被控对象流程的改变可进行调节阀的串、并联工作流量特性的测试；单容、双容、多容被控对象数学模型的测试；锅炉温度T1，夹套水温T2的简单控制；1# 容器液L1和2# 容器液位L2、锅炉液位L3、高位水箱液位L4的简单控制；锅炉进水流量F1、锅炉出水流量 F2 的简单控制，这些组态流程实验均可完成。
4.2应用方法分析
下面以水箱作水源， 进水阀炉作执行器，对锅炉的液位L3进行控制为例介绍该装置的使用方法， 实验步骤如下：
（1） 实验前应检查图1所示的供水系统中水池的储水量是否大于70%， 即当高位水箱溢流而 1# 、2#容器和锅炉有实验用水， 水池仍30%以上的余水，目的是保证水池的液面高度大于水泵的叶轮高度， 以便对泵进行灌泵，防止水泵无水空转而被烧坏。
（2）根据实验需求， 用软管快连接器将图 2 所示的被控对象工艺流程图中的快插式管路接头VA1与VI2 接通，VO2与VB1接通，VA2与VB2接通，组成如图3所示的被控对象工艺流程图。
（3）按图4所示锅炉液位控制系统方块图中信号的走向，将操作台面上的的接线端子接通。
（4）检查被控对象流程和控制面板的接线准确无误后，开启控制面板电源开关；
（5）对控制面板上的人工智能调节器的各项残烛进行设置
（6）对人工智能调节器的比例度（P）、积分时间常数 （T i）微分时间常数（ Td ）进行工程整定，求取最佳的控制器参数，使控制器系统在干扰作用下的过渡过程曲线为4：1或10：1的衰减振荡曲线
5.结语
经过试验，过程装备控制实验装置在正确的设计思想指导下， 完全可以模拟工业生产中过程装备的温度、压力、流量、液位等工艺参数的自动控制。该装置不仅满足过程装备与控制工程专业实验教学与科研的需要， 还可以给自动化、化学工程、热能与动力工程、油气贮运等专业提供了实验条件。完全仿真的计算机组态软件数据采集分析系统也正在研制开发， 力求使该实验装置能将过程装备、计算机自动测试、控制与自动化方面的知识有机融合在一起， 使师生的科研水平和实践能力更上一个台阶。
参考文献
[1]王骥程，祝和云.化工过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，1991
[2]王毅.过程装备控制技术及应用[M].北京：化学工业 出版社.2001.
[3]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社.1991
关键词：实验装置 控制器 自动化控制 组态流程
近年来，自动化技术的应用越来越广泛，已经渗透到国民经济的各行各业， 以它的研究开发和应用为标志，现代化工业生产拉开了序幕，因此，掌握自动化技术已经成为所有行业技术人员必备技巧。为了满足社会发展的需要，教育部在九八年把大学里的“化工设备与机械”专业调整为“过程装备与控制工程”专业。调整后的专业对学生要求提高，不仅要求学生牢固掌握有关过程装备知识， 而且要熟练控制工程基础、控制系统设计、信号测试、计算机应用等知识。由于本科专业培养目标发生了改变， 课堂专业教学也随之开始调整。各高校也开始了过程装备控制实验装置的配备和准备，该装置与与自动化课程配套。本文探讨了过程装备控制实验装置的设计思想、实验装置的构建和应用。
1.实验装置的主要设计思想
在筹建过程装备控制实验装置过程中，需要运用到许多专业设计思想，归纳起来主要分为以下几大类：
1.1被控对象要能实现变化多样的组态实验流程， 在对被控对象的特性进行测试时能组态成各种简单、复杂的控制系统。
1.2要有自动数据采集记录系统， 便于对实验结果进行分析.
1.3 被控对象中要有温度、压力、流量、液位、成分等典型过程工艺参数的自动控制。
1.4装置中必需要有相应的信号联锁保护装置。
1.5自动控制仪表应集中仪表盘面安装， 便于操作人员操作。
1.6控制系统中的被控对象需要有较为典型的过程设备与过程流体机械， 例如： 换热器、塔设备、反应器、锅炉、泵、管道等。
1.7在满足科研和教学的前提下， 尽可能降低装置的成本。
2.实验装置的构造分析
在上述设计思想的指导下， 运用两套装置的结构功能基本相同的装置开始过程装备控制实验，这两套设备的不同之处在于一套运用是电动阀，一套运用气动阀。整个实验装置是由供水系统、被控对象、操作控制台三大部分组成。
2.1供水系统
供水系统的主要作用是为被控对象提供实验模拟介质，该介质就是水，该控制点的工艺流程图如图 1 所示，它可提供三种供水方式，分别是高位水箱、自来水和水泵。需要指出的是，供水系统中的变频器能够作为执行器改变水泵的供水量及供水压力。
2.2操作控制台
操作控制台的仪表盘面有助于工作人员连接接线端，控制台台面有供电电源按钮， 内给定、外给定仪表实验模块， 温度变送器和温度调节模块， 加减运算器、信号联锁保护报警、纯滞后实验模块， 人工智能调节器（ 适合温度、液位、流量、压力、湿度等的自动控制） 以及各种信号输入、输出接线端子等。
2.3被控对象
被控对象的作用是模拟工业生产过程， 其带控制点的工艺流程图如图 2 所示。被控对象流程中有 1#容器、2# 容器、锅炉、管道、泵等典型设备， 还有若干手动阀门、管路快连接器以及各种检测元件、气动及电动执行器等。可以以它们为模拟对象进行液位、流量、压力、温度四大工艺参数的简单和复杂控制系统的自动控制。其中， 锅炉是带夹套的模拟容器， 目的是用它来模拟工业锅炉的液位、锅炉及夹套的温度、锅炉的进、出水流量的控制， 锅炉的加热功率是 4. 5kW， 锅炉的蒸发量不作定量要求， 为便于学生实验的安全， 锅炉的温度一般设定值控制在 80℃以下， 防止操作不当， 热水溢出， 发生烫伤事故。被控对象最大的特点是可以通过管路快连接器实现变化多样的组态实验流程， 以满足不同控制工程实验教学和科研的需要。
3.试验装置对象
上下水箱采用蓝色优质的有机玻璃，水箱底部都设有踩压口和出水口，进水时水管的水先流入缓冲槽，然后才流入工作槽，经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液体位较为稳定，便于观察。两只磁力驱动泵，一只是三相380V恒压驱动，一只是三相变频220V驱动，泵体采用不锈钢材料，模拟锅炉的冷却层和加热层都装有温度传感器，做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。可以完成温度的定值控制、串级控制、前馈反馈控制试验。盘管的出水通过软管连接，既可以流入锅炉内胆又可以流回储水箱，手动球阀门对管道的联通状态进行切换，实现不同试验的管路连接。手动阀门采用优质球阀门，避免管道系统生锈的可能性。通用气泵可以为气动阀门提供气源。过程控制对象如下图所示。
4.装置功能简介及应用方法分析
4.1装置功能简介
过程装备控制实验主要是通过被控对象流程的改变，然后根据实验需要实现多种变化的组态流程。具体操作方法为： 用软管快连接器接通图2所示流程中的快插式管路接头 （ V1～V7、B1～B7、VI1 ～VI2、VO1～VO2）快插式管路接头组合不同流程也不同。通过被控对象流程的改变可进行调节阀的串、并联工作流量特性的测试；单容、双容、多容被控对象数学模型的测试；锅炉温度T1，夹套水温T2的简单控制；1# 容器液L1和2# 容器液位L2、锅炉液位L3、高位水箱液位L4的简单控制；锅炉进水流量F1、锅炉出水流量 F2 的简单控制，这些组态流程实验均可完成。
4.2应用方法分析
下面以水箱作水源， 进水阀炉作执行器，对锅炉的液位L3进行控制为例介绍该装置的使用方法， 实验步骤如下：
（1） 实验前应检查图1所示的供水系统中水池的储水量是否大于70%， 即当高位水箱溢流而 1# 、2#容器和锅炉有实验用水， 水池仍30%以上的余水，目的是保证水池的液面高度大于水泵的叶轮高度， 以便对泵进行灌泵，防止水泵无水空转而被烧坏。
（2）根据实验需求， 用软管快连接器将图 2 所示的被控对象工艺流程图中的快插式管路接头VA1与VI2 接通，VO2与VB1接通，VA2与VB2接通，组成如图3所示的被控对象工艺流程图。
（3）按图4所示锅炉液位控制系统方块图中信号的走向，将操作台面上的的接线端子接通。
（4）检查被控对象流程和控制面板的接线准确无误后，开启控制面板电源开关；
（5）对控制面板上的人工智能调节器的各项残烛进行设置
（6）对人工智能调节器的比例度（P）、积分时间常数 （T i）微分时间常数（ Td ）进行工程整定，求取最佳的控制器参数，使控制器系统在干扰作用下的过渡过程曲线为4：1或10：1的衰减振荡曲线
5.结语
经过试验，过程装备控制实验装置在正确的设计思想指导下， 完全可以模拟工业生产中过程装备的温度、压力、流量、液位等工艺参数的自动控制。该装置不仅满足过程装备与控制工程专业实验教学与科研的需要， 还可以给自动化、化学工程、热能与动力工程、油气贮运等专业提供了实验条件。完全仿真的计算机组态软件数据采集分析系统也正在研制开发， 力求使该实验装置能将过程装备、计算机自动测试、控制与自动化方面的知识有机融合在一起， 使师生的科研水平和实践能力更上一个台阶。
参考文献
[1]王骥程，祝和云.化工过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，1991
[2]王毅.过程装备控制技术及应用[M].北京：化学工业 出版社.2001.
[3]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社.1991