多重融合的过程控制实训室设计与实现

刘书凯（常州工程职业技术学院自动化技术系，江苏常州，213164)

多重融合的过程控制实训室设计与实现

刘书凯
（常州工程职业技术学院自动化技术系，江苏常州，213164)

生产过程自动化技术专业的学生需要掌握过程参数检测与控制，检测仪表的选择、安装、调试以及自动控制系统的安装、调试、运行、维护、检修、管理等方面的知识和能力，而这些能力基本上需要在实训室中来训练，所以能够提供训练这些能力的实训设备的建设就尤为重要。

多重融合；过程控制实训室；控制方案；控制系统

生产过程自动化技术专业培养的是具有较强的敬业精神、实践能力、创造能力和自我发展能力，具备生产过程自动化的基础知识和基本技能，掌握生产过程控制的实践操作技能，熟悉常用生产过程自动化设备和典型过程控制系统，能从事生产过程自动化装置及自动化仪表的设计、安装、调试、维护等工作的高素质高级技能型专门人才。如何才能培养这样的人才？有效的实训装置必不可少，而将企业的实际生产设备直接搬到实训室中显然也是不现实的，那么如何建设既能与生产实际相吻合又能不额外增加学校的经济负担，既能培养学生的各项专业技能又能比较容易组织教学的过程控制装置呢？本实训室设计就是为了解决这些问题而进行的，在设计过程中将企业工艺、各种控制方案、常用的控制器、各种过程参数、检测仪表的选择与安装、各种技能操作融合到教学实训设备中，完成了多重融合的过程控制装置。

1 企业生产工艺与实训设备相融合

本专业培养的学生的主要就业面向生产过程在线运行的自动化仪表、控制装置的选用安装、系统组态、调试投运、运行维护、检修等工作岗位，而这些工作都是和生产工艺密不可分，所以本实训室需要选择和生产实际紧密结合的生产过程；既要包含生产过程中常见的一些生产设备，同时又要在实训室中比较容易实现。最后我们选择乙醛氧化制醋酸的生产工艺，使用鼓泡反应器乙醛氧化塔、原料储罐、冷却水储罐、输送泵等作为主要的生产设备，使用电动调节阀、气动调节阀、液位计、流量计、热电阻、热电偶、压力变送器等作为主要的检测和执行仪表。这样生产中的实际工艺流程就可以在实训室中实现，并且所使用的各种仪表和控制系统都和实践生产中使用的一致，使学生在学习和操作中能够真正体会到实际生产的过程，有一种身临其境的感觉。

通过上述的设计，整个实训装置就将企业生产过程搬到了学校的实训室中，满足本专业学生各种技能训练的要求，使人才培养方案中所规定的能力要求落到实处。

2 多种控制方案融合

在过程控制系统中，不同的场合、不同的控制要求、不同的参数、不同的工艺都有不同的控制方案，而本专业的学生也要求掌握这些控制方案，所以在实训设备的设计过程中也融入了不同的控制方案。

2.1 单回路控制方案

单回路反馈控制系统简称单回路控制系统，在所有的反馈控制系统中是最简单最基本的一种，因此它又被称为简单控制系统，单回路控制系统有4个基本环节组成，即被控对象或者被控过程，测量变送装置，控制器，控制阀，也是一个简单的PID控制，如图1所示。

图1 单回路控制系统方框图

在实训过程中原料储罐、冷却水储罐、氧化塔的液位、氧化塔压力控制由于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高，需要单回路控制，所以设计了PIC-102氧化塔塔顶压力控制回路，用于氧化塔塔顶压力检测来控制塔顶废气的排出量；PIC-104储气罐压力控制回路，用于控制储气罐压力；LIC-101原料液位控制回路、LIC-102冷却水液位控制回路、LIC-103氧化塔液位控制回路用于控制原料液位、冷却水液位、氧化塔液位。

2.2 比值控制方案

在现代工业生产过程中，经常会存在两种或几种原料进行混合，然后在反应器中进行反应，生产新的物料，在反应过程中这几种原料要保持一定的比例关系，反应才能够正常进行，否则很可能会影响产品质量，造成原料浪费，能源消耗，环境污染，甚至会产生事故。在这种情况下，为了保证原料的比例关系通常使用比值控制系统，根据工艺和控制要求的不同可以设计单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统等。化工各种反应对参与化学反应的物料比都有一定的要求。乙醛氧化制醋酸生产中所需的两种原料必须保持一定的比例，即乙醛：空气=1：5。为了保证以上的物料的配比，要对其流量进行控制，采用比值控制系统。乙醛是通过输送泵送入氧化塔的，进入量基本稳定，空气流量与乙醛的比值K=5，所以采用流量单闭环比值控制系统，原理图和控制方框图如图2所示，其中F1为乙醛，F2为空气，K值为5。

图2 单闭环比值控制系统

2.3 串级控制方案

本系统的反应是在反应温度为80±5℃、反应压力为1.5×105 Pa的条件下进行的，乙醛转化率为80%。故保持稳定的反应温度是非常重要的，但是温度参数存在着非常严重的滞后性，所以使用单回路控制系统往往达不到预期目标，主要原因是在系统中存在着三个热容积，即夹套中的冷却水、氧化塔壁和氧化塔中物料。冷却水的流量是主要的干扰量，直接造成温度控制的过渡过程时间过长，调节不及时的后果，所以设计了温度-流量串级控制系统来控制反应温度。这样就可以抑制副回路（流量回路）产生的干扰，能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力。

综上所述，本实训装置能够完成多种控制方案，还可以完成前馈-反馈控制、液位均匀控制等。这对与生产过程自动化技术专业的学生能力培养无疑是非常重要和必要的，可以满足过程控制系统、过程控制工程等课程的实验实训需求。

3 多种控制系统融合

在现代生产过程中，根据系统不同，往往会使用不同的控制器或控制系统，主要包括数字式PID调节器、可编程控制器（PLC）、集散控制系统（DCS）等，所以为了让学生对这些常用的控制器或控制系统都能够掌握，本实训装置融合了上述三种控制系统。各控制系统相互独立，具体解决方法是将现场信号直接接到端子，再由学生自由选择控制系统，进而进行已经接线，构成不同的控制回路，达到控制生产的目的。

使用数字式PID调节器，主要训练学生将现场检测信号、执行信号和调节器进行连接构成控制回路的能力；硬件连接、工具使用的能力；调节器PID参数设置和整定的能力。

可编程控制器（PLC）控制系统利用控制计算机作为上位机，MCGS组态软件作为监控操作台，同时融合了触摸屏，下位机使用可编程控制器（三菱FX2N-48MR）进行控制，完成对整个工艺流程的过程制监控。主要训练学生PLC的硬件安装接线、控制程序设计、工艺过程操作、控制系统调试等能力。

集散控制系统（DCS）采用了目前行业中广泛使用的浙江中控的JX-300XP集散控制系统，设计中包括1台工程师站、2台操作员站、1个控制站，同时接入了德国黑马（HIMA）的紧急停车系统（ESD），对生产过程中的各个参数进行检测、对工艺生产进行监控。主要训练学生DCS系统工程设计、硬件选型安装、网络组建、软件组态、系统调试运行等能力。

4 结束语

本次设计从生产过程自动化技术专业人才培养规格出发，结合企业生产过程、生产工艺和学校实训的特点，采用了生产工艺与实验设备相融合、多种控制方案融合、多种控制系统融合等多种融合方式。目前，本设计的实训室已经完成，在实际教学过程中运行正常，效果非常好，为“项目引导、任务驱动”理实一体化的项目化教学提供了有力的硬件保证。

孙慧峰.过程控制系统的分析与调试.北京：科学出版社,2011.8

The design and implementation of a process control training room based multiple fusion

Liu Shukai
（Changzhou Institute of Engineering Technology Automation Technology Department，Changzhou Jiangsu 213164）

The students of the production process automation technology need to master the detection and control of process parameters,select instrument,install instrument,debug instrument.And also they must learn how to install,test,run,maintain,fix,manage a automatic control system.These abilities basically needs the training room,so it is very important to provide the construction training equipment.

multiple fusion；process control training room；control scheme；control system

刘书凯（1976－），男，河北丰宁，讲师，硕士。

院级实训室建设立项项目：立项单位：常州工程职业技术学院，立项类别：院级，编号：SX2010-10