控制工程实验教学研究

任银娥 陈磊 徐梦娇

摘 要：本文主要针对过程装备与控制过程专业本科学生实验教学环节的研究总结，主要介绍了有关控制工程实验室用于实验的控制装置（如：水箱、锅炉、检测仪表、控制阀、单项泵等）的组成和各自的工作原理，及实验所用组态软件MCGS介绍，并详细说明了实验要求及安全操作规程及所包括的实验项目。

关键词：过程控制 实验 信号

过程控制实验室主要用于过程装备与控制工程专业本科实验教学用，对于我校来说，此专业的学生共开设了两门与本实验室有关的课程，分别是大三下半年所上的《过程装备控制技术及应用》与大四上半年所上《过程控制过程》两门课程。对于理工科学生来说，实验教学对他们来说是十分重要的环节，本实验室利用实验室现有一些设备开发了一些专业相关实验，本文主要对实验对象、实验所用仪表、组态软件MCGS、实验要求及安全操作规程、实验项目等做了一些介绍。

一、实验设备介绍

1.被控对象流程图如下图所示：

（1）AE2000A型实验对象组成介绍

AE2000A过程控制中主要包括的控制对象分别有：不锈钢水槽（主要用于储备实验用水）、强制对流换热管系统、三个串接的有机玻璃上水箱、中水箱、下水箱、加热锅炉（由用于加热的锅炉内胆和用于冷却的锅炉夹套组成，材料都为不锈钢）。控制过程分为主副两支路：主回路由增压泵、电磁调节阀、电磁流量计、不锈钢管道和手动切换阀等组成;副回路由变频器、涡轮流量计、不锈钢管道和手动切换阀组成。

①液位传感器[1]

工作原理：被测介质作用于压力传感器时，传感器将检测的压力信号转换为标准的电信号，经放大器将信号放大后，最后经V/A电压电流转换器转换为液位与压力成对应线性关系的4～20mA标准电流信号。

压力传感器的端子位于中继箱内，其中负载电阻接24V-，输出4～20mA电流信号，采用两线制接法。当负载电阻是250Ω时，取1～5V的标准电压信号，当负载电阻为50Ω时，电压信号为0.2～1V。

②温度传感器（Pt100热电阻）[2]

工作原理：热电阻测温原理主要是基于导体或半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。

使用热电阻温度计测温时，一般采用三线制接法，主要是为了尽量地降低测量误差。因为在大多数情况下，测温时热电阻元件离测量电桥较远，当环境温度有所变化时，连接导线阻值就会有明显的改变，为了减小因连接导线阻值改变所带来的测量误差，所以采用三线制接法。

③流量计

1）涡轮流量计[2]：输出信号：4～20mA，测量范围：0～1.2m3/h。

流量传感器的端子在中继箱内，其中电缆线是从中继箱的引线口接入，直流电源12V+接中继箱内正极（+），中继箱内负极（-）接24V-，中继箱负极（-）是涡轮流量计输出信号的负端，中继箱内A为输出信号+（正）。负载电阻将电流信号转换成电压信号。

（2）电磁流量计[1]

工作原理：电磁流量计是基于电磁感应原理而工作的，对具有导电性的液体介质可以用此流量计进行流量测量。导电的介质通过磁场中的垂直磁感线，在流通管道的两侧的电极上将产生感应电势，通过测量此感应电势可得知流动介质的流量大小。

其中，感应电势E与流速的关系如下：E=CBDv

C—常数，B—磁感应强度，D—管道内径，v—流体平均

速度;

当确定了仪表的结构参数后，感应电势与流速成一定的对应关系，则所求流量为：

④压力表

安装位置：增压泵之后，电磁调节阀之前;测量范围：0～0.25MPa

⑤电动调节阀

形式：智能型直行程执行机构

输入信号：0～10mA/4～20madc电流信号，0～5VDC/1～5VDC电压信号;输入阻抗：250Ω/500Ω;输出信号：4～20madc;输出最大负载：<500Ω;断信号阀位置：可设置为全开、全关或0～100%之间的任意开度位置;电源：220V±10%/50Hz 。

⑥单相可控硅移相调压

通过4～20mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0～220V之間根据控制电流的大小实现连续变化。

⑦变频器

变频器型号：三菱FR型变频器，控制信号：可输入电压信号为0～5V，或4～20mA电流信号，通过改变控制信号的大小来改变输出频率。

二、软件介绍- MCGS组态软件

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于建立上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000/XP等操作系统。

MCGS 提供了完整的方案和开发平台用于用户解决实际控制工程问题，很好地实现了现场数据采集及数据处理、报警系统、工艺流程控制、动态画面、实时曲线、历史曲线、报表输出、安全机制以及企业监控网络等多种功能。

三、实验前准备及安全操作规程

1.实验前的准备

实验前做好预习报告部分内容的填写及对实验装置中每个对象的性质和工作原理，包括各种测量变送器、执行器、水泵、变频器和所用控制组件的名称、作用及其所在位置， 以便于在实验中对它们进行操作和观察。

2.实验安全操作规程

（1）做实验前要确保所有电源开关都处于“关”的状态。

（2）切断电源后再进行接线或拆线，接线时务必注意电源极性。确保接线完成后，实验开始运行前，必须严格检查各相关安装、接线是否正确，且在指导老师确认无误后，才可通电。

（3）在投运之前，须检查下管道及手动阀门是否已按实验项目要求打开，储水槽中水量是否达到80%以上，以确保单项泵中充满水，避免单项泵无水空转造成水泵损坏。

（4）在进行有关锅炉温度控制实验前，请先给锅炉内胆充水，使其水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，以免造成实验失败或影响实验结果。

（5）启动实验前，应对所要使用的变送器进行零点和量程调整，应注意电位器的调节方向，要分清调零电位器和满量程电位器。

（6）测量变送器通电预热15分钟之后再进行校验。

（7）务必小心操作，勿乱扳硬拧，防止损坏仪表。

（8）要严格遵守实验室的有关规章制度。

四、实验项目[3]

本过程控制实验主要做的实验项目有单容自衡水箱对象特性测试实验、压力变送器的使用、温度变送器的使用、智能控制仪表的调试、电动调节阀的使用、锅炉内胆水温位式控制系统、单溶液位定值控制系统、控制系统控制器参数整定和投运、前馈-反馈控制系统、水箱液位串级控制系统等。主要目的让学生将所学理论知识结合实践，对所学内容有更深入的了解和掌握。

参考文献

[1]张毅.自动检测技术及仪表控制系统（第3版）[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]厉玉鸣.化工仪表及自动化（第5版）[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3]戴连奎.过程控制工程（第3版）[M].北京：化学工业出版社，2012.8.

作者简介

任银娥（1986.2—），女，籍贯：宁夏，研究生，讲师，新疆大学，研究方向：控制工程。