小型过程控制集成实践装置研发

李丽娟, 刘成龙, 周梦迪, 杨世品, 唐桂忠

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院, 江苏 南京　211816)



小型过程控制集成实践装置研发

李丽娟, 刘成龙, 周梦迪, 杨世品, 唐桂忠

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院, 江苏 南京211816)

研发了一种低成本、高集成、网络化的小型锅炉过程控制实践装置。该装置以小型化的工业锅炉为对象,集成了主要工业参数的检测、智能仪表控制、PLC模拟量和数字量控制,以及多种方案的网络化控制等功能。该装置具备开放性,能够在更新换代的现状下不断开发新的控制系统和工业网络项目,学生在创新项目锻炼下创新实践能力得到提升。教学实践和学科竞赛等的实践表明该装置有良好的应用效果。

实践装置； 过程控制； 小型锅炉

过程控制是自动化专业一个重要的方向,检测、智能仪表控制、PLC控制以及工业网络技术都是过程自动化的核心内容[1]。自动化专业存在仪表及控制装置更新换代快的特点,但由于经费的原因教学设备往往不能及时地跟踪市场变化[2]。

基于各教仪厂家实训产品价格高昂且功能单一,很多高校从专业特色和人才培养的不同目标出发,设计开发了各类过程控制实践设备[3-10]。国内多所高校自制了集成化的实践装置,如融合传感、智能仪表、虚拟仪器、计算机控制为一体的多功能实践装置[4],参数测量和控制综合实践装置[5],智能仪表与PLC集成控制实践装置[6]等。随着工业互联网的高速发展[7],网络相关的教学实训设备开发也引起了各高校的高度重视,工业网络实训室、网络化实践平台等相继出现[8-10]。为了实现工业网络实践教学,一般高校采取增加工业网络设备的方式,这样可能存在两个问题:一是传统的检测和控制平台是封闭的,一般没有网络接口,需要大费周折进行改造,可能引起原设备的损坏；二是原设备的检测装置或控制器不支持多种工业网络协议,无法进行多种工业网络协议的拓展,改造后的装置网络功能单一。鉴于此,我们立足于化工过程自动化特色,紧跟自动化专业的技术发展,自主设计开发了低成本、集成化、网络化的小型锅炉自动化装置,集成了数字量/模拟量检测、智能仪表控制、PLC数字量控制、PLC模拟量控制、PPI/MPI/Profibus/Modbus/Industrial Ethernet工业网络化监控等功能,基本涵盖了实际化工过程自动化中应用的功能,使学生在同一套装置上完成自动化核心技术的实践,强化了工程背景,利于学生知识的整体性。

1　装置设计理念

(1) 接近工业过程但非完全模拟。不同化工过程一般根据对象规模和特性仅采用一种控制器(智能仪表、PLC或DCS)、两种网络协议(底层Modbus或Profibus,上层工业以太网),这种装置功能单一,不利于学生全面掌握自动化技术。本文设计的装置并不是实际生产过程的简单模拟,而是把生产过程中可能的自动化技术进行集成。

(2) 过程对象简化但涵盖基本工业控制类型。自动化专业对工艺过程的了解并不需要特别深入,本装置采用原理相对比较简单的锅炉对象,但包含温度、液位、压力等模拟量变量，以及加水、加热等数字量变量,因而具备模拟量和数字量控制功能。

(3) 装置具备开放性。由于自动化产品更新换代很快,装置采取模块式结构,具备开放性,可以方便地采用不同厂家、不同型号的控制器产品进行实践。

(4) 装置集成过程自动化方向的核心技术。针对同一对象,具备检测、控制、网络化控制和远程监控功能,学生可以在一套装置上完成过程自动化的各个实践环节。

(5) 装置强化工业网络功能。根据互联网时代对自动化技术的需求,装置注重工业网络的实践项目,集成多种工业网络协议。

2　小型锅炉集成监控装置设计

该集成装置总体结构见图1。该装置以小型锅炉为被控对象,参数主要有温度、液位、压力等工业基本变量,采用智能仪表和PLC两种控制器方案对其进行参数检测和控制,两者通过切换开关任意切换。锅炉温度采取双位控制方式,锅炉液位采取双位和PID两种控制方式,对于PLC控制方案,还可与其他PLC设备构建PPI网络、MPI网络、Profibus网络、Ethernet网络及其各种组合方式进行网络化控制和远程监控。

图1　集成装置结构图

2.1锅炉对象设计

考虑到工艺过程并非自动化专业学生要掌握的主要知识,自主设计了过程工艺相对简单的工业级小型锅炉,工艺过程见图2。锅炉由高位水箱通过增压泵供水,可由调节阀或电磁阀两路进入锅炉。锅炉内水位达到最低限以上时,加热器开始工作使锅炉升温,达到需要的温度。为防止水满溢出,锅炉液位需要控制在一定范围内,通过双色液位计指示实际液位，并经液位变送器传送至控制器与设定液位比较,决定进水调节阀开度或电磁阀是否打开。锅炉内水温是主要控制指标,通过温度变送器测量并送至控制器,由控制器根据实际温度与设定温度的偏差决定加热器的工作状态。为保证安全,锅炉顶部设计一安全阀,当锅炉内气压超过一定数值时安全阀打开。锅炉内气压控制与温度控制存在耦合,气压并非锅炉的主要质量指标,因此装置中气压仅为监测参数,可就地指示并通过压力变送器远传。在实验中为确保安全,安全阀的开启压力设定为大气压,因此锅炉气压表压保持在零值附近。

图2　小型锅炉工艺流程图

2.2检测仪表及控制设备

装置中的温度、液位、压力变送器均采用工业级的现场指示仪及变送器。智能仪表和报警仪采用南京优倍电气有限公司产品。PLC和触摸屏采用市场占有率很高的西门子系列产品,目前配置了2台S7-200CPU224XP和2台S7-300CPU315-2DP,以及相应的模拟量扩展模块、Profibus通信模块EM277、以太网通信模块CP243-1和触摸屏TP270。近期配备了罗克韦尔最新发布的Micro850CPU及相关模块,可作为装置的可选PLC控制器。另外,实验室配备了西门子公司最新发布的S7-1200CPU,可与其他产品联网组成更复杂的网络系统。

为了使锅炉对象具备扩展性,装置控制面板上设置了PLC控制/智能仪表控制切换开关,可以方便地在两者间进行切换。

2.3装置实物及元器件布置

开发的小型锅炉集成监控装置实物图见图3。仪表控制由嵌入在配电柜面板的智能仪表实现,面板上设置报警指示、状态指示以及仪表/PLC控制切换开关等。不同于工业PLC控制柜,本装置PLC控制设备挂接在独立的开放式网状架上,便于动手接线、变换控制方案和网络方案而进行各种方式的实践。

图3　集成小型锅炉监控装置实物图

3　实践项目与应用

本集成实践装置可开设基础课程实验、综合课程实习,以及创新研发实践项目。

3.1基础课程实验

依托现有成套装置可开出：(1)“检测仪表”课程实验,测试记录液位变送器、温度变送器的上/下行程；(2)“智能控制仪表”课程实验,验证智能仪表对温度和液位控制；(3)“可编程控制器”课程实验,练习PLC接线,进行基本数字量控制、基本模拟量控制和基本网络控制等实验项目；(4)“过程控制工程”实验,可进行温度、液位对象特性测试,也可进行PID控制算法投运和参数调节；(5)“工业控制网络”课程实验,进行多种协议工业网络的设置和通信测试。这些实验基本涵盖了自动化专业核心课程。

3.2课程实习

利用本集成装置,可开展“可编程控制器”课程实习,开发基于S7-200(或S7-300)以及触摸屏的锅炉监控系统。要求学生利用S7-200(或S7-300)作为控制器设计监控系统,对锅炉温度进行双位控制,对锅炉液位进行调节阀PID控制和电磁阀双位控制,对压力参数进行监控,编写温度、压力、液位的数据采集程序,并编写相应的控制程序,调试完成控制过程。同时,触摸屏端开发相应的监控软件,动态显示锅炉各参数和各阀门动作状态。S7-200(或S7-300)与触摸屏间通过Profibus协议组网或通过以太网组网。

该课程实习综合锻炼了学生根据工艺需求完成控制系统工程项目的能力,综合应用“可编程控制器”“过程控制工程”“工业控制网络”等课程知识,并要求学生自学组态软件应用,分组完成从设计到实施到操作说明编写的全过程。该实习以项目开发的形式开展,激发了学生的求知欲,锻炼了学生的实践操作能力和解决实际问题能力,也锻炼了学生团队协作精神。图4和图5分别是学生课程实习阶段开发的触摸屏监控界面和参数实时趋势图。

图4　监控界面

图5　实时趋势图

3.3创新研发实践项目

在毕业设计、大学生创新实践和大学生各类学科竞赛中,基于最新的控制器设备和工业网络技术,针对该小型锅炉对象开发基于新产品的控制系统,锻炼学生自主学习新知识和应用新知识的能力。实验室及时购进市面上新发布的PLC控制器产品。在毕业设计阶段,由学生利用这些新控制器的小型锅炉控制系统开发项目。目前已完成或正在进行“基于S7-200PLC的小型锅炉监控系统设计”“基于S7-300PLC的小型锅炉监控系统设计”“基于S7-1200PLC的小型锅炉监控系统设计”“基于罗克韦尔Micro850PLC的小型锅炉监控系统设计”“小型锅炉多网络控制方案研究与实现”等毕业设计项目。

在大学生创新实践中,学生利用该装置申报的“网络化全集成小型锅炉工业控制实践平台研发”项目获“江苏省大学生创新创业训练计划重点项目(201510291025Z)”资助。该项目集成开发了工业现场可能的多种控制器和工业网络组合方案[11],为学生全面熟悉和熟练操作控制器和工业网络提供了良好的平台。研发的网络化控制方案汇总见表1。由表1可见,以S7-200/300/1200为现场控制器的所有工业常见网络架构均做了开发,预期在后续课程教学和综合实习阶段会使学生实践创新能力更进一步提升。

表1　网络化控制方案汇总

在大学生学科比赛中,学生利用该装置进行“西门子大学生工业控制挑战赛”的赛前训练和实际操作练习,2015年本校学生首次组队参赛就获得了1项全国比赛一等奖,1项全国比赛三等奖以及1项华东赛区一等奖,2项华东赛区二等奖,2项华东赛区三等奖的好成绩,显示了学生实践操作的良好素质和对装置的熟练应变能力。

该装置已在3届学生的课程实践和创新训练中得到了充分利用,由于其涵盖课程面广并且具备开放性,而且实验室不断扩充新的PLC产品供学生陆续开发新的应用,装置利用率非常高,学生和教师对装置的实践效果都非常满意。学生的实践动手能力得到了大幅提升,用人单位对学生动手能力高度认可,并且在首次参加的“西门子杯大学生工业自动化挑战赛”中我校学生表现出了不凡的实力。基于平时的大量强化训练,学生的创新项目开发和学科竞赛热情高涨,踊跃参加西门子、罗克韦尔等各类自动化大赛,并在准备参赛过程非常执著勤奋,形成了良好的实践创新氛围。

4　结论

本文开发的小型过程控制集成装置以过程自动化为培养目标,把专业核心知识集成在一套装置中,同市面上其他功能单一的实训设备相比,通过该装置训练学生能够深刻体会到专业知识的应用背景,了解到所学专业知识要解决的工业实际问题,并由此激发出新思路,开展创新实践。同时,本装置的开放性使学生能够灵活地利用多厂家、多型号的自动化产品构建丰富多样的控制方案和工业网络方案,使学生在同一装置上最大范围地了解到自动化产品及其应用。

同时，装置的设计开发过程以及根据培养特色和教学需求不断改进实践装置的过程,大大锻炼了自动化专业教师的设计开发及系统集成能力,这种能力的提升改善了教学中知识枯燥、刻板的弊端。

尽管装置的开发在教学中发挥了巨大的作用,取得了明显的成效,但装置仍存在一定的问题。比如:仪表柜到PLC控制架间走线的美观性有待进一步提升,工业4大参数中现装置缺乏流量变量,锅炉采用铸铁材质存在生锈问题。相信在开发新装置时这些问题一定会得到解决,使产品更加成熟。

References)

[1] 王华忠，孙自强，凌志浩. 自动化专业核心课程体系与课程模块建设[J]. 电气电子教学学报,2012,34(5):18-19.

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[4] 王晓燕,秦海鹏,丁启胜. 传感信号检测与智能仪表一体化实验装置研制[J]. 实验技术与管理，2014，31(3)：66-69，78.

[5] 李忠虎,李菲菲,左鸿飞. 过程参数测量与控制综合实验系统设计与实现[J]. 高校实验室工作研究,2012(2):44-45.

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[9] 李领治,杨哲,张文哲. 基于多平台融合的网络工程实验教学模式[J].实验室研究与探索,2015,34(10):160-164.

[10] 柴大鹏,白学林,印江. 基于Profibus现场总线的过程控制实训系统[J]. 电力学报,2008,23(4):342-344.

[11] 姜建芳. 西门子工业通信工程应用技术[M]. 北京:机械工业出版社,2016.

Research and development of integrated small-size process control practice device

Li Lijuan, Liu Chenglong, Zhou Mengdi, Yang Shipin, Tang Guizhong

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Technology University, Nanjing 211816, China)

A low cost,highly integrated,networked small-size boiler control practice device was designed and developed. The small-size boiler was selected as the object of the device. which integrates the detection of main industrial parameters,intelligent instrument control,PLC analog variables control and digital variables control,and networked control with kinds of strategies. The device is open to develop new control system and industrial network with newly emerging automation products. The practice and innovation abilities of students are improved gradually with the long-term research of innovative projects. The application of the developed device in teaching practice and academic contests shows the validity.

practice device; process control; small-size boiler

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.021

2016-03-17修改日期：2016-04-30

江苏省十二五高等学校重点专业建设项目；江苏省大学生创新创业训练计划重点项目(201510291025Z)

李丽娟(1976—)，女，山西文水，博士，副教授，主要研究方向为工业过程先进控制.

E-mail：ljli@njtech.edu.cn

TP273；G484

A

1002-4956(2016)9-0079-05