朱 濤，李 紅

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

0 引言

職業(yè)教育比較發(fā)達(dá)的國家大多采用實(shí)際裝置的縮小模型作為實(shí)驗(yàn)裝置，但由于成本高等局限性，很難在國內(nèi)推廣使用，更多的時候是將實(shí)際裝置的縮小模型和實(shí)際裝置的原理模擬相結(jié)合，自行設(shè)計制作或委托制作一種廣泛采用工業(yè)元器件、系統(tǒng)比較簡化、突出原理教學(xué)、采用實(shí)驗(yàn)臺式開放布置的教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置[1]?；谶@種設(shè)計思路，本文設(shè)計開發(fā)了一種新型的儀表自動化實(shí)驗(yàn)裝置，對工藝類專業(yè)的教學(xué)改革和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)具有重大的意義，既滿足學(xué)生基礎(chǔ)理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的要求，又滿足學(xué)生創(chuàng)新性、探索性學(xué)習(xí)的需要；既培養(yǎng)了學(xué)生的職業(yè)技能，又幫助學(xué)生樹立了良好的工程意識。

1 儀表自動化實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計方案

如圖1 所示，該實(shí)驗(yàn)裝置由控制對象子系統(tǒng)、自動化裝置與控制臺子系統(tǒng)兩部分組成。

圖1 儀表自動化實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成圖

控制對象子系統(tǒng)為教師、學(xué)生及科研人員研究控制系統(tǒng)提供了物理模擬對象，如水箱、換熱器等。生產(chǎn)過程中常見的溫度、液位、壓力、流量四大變量都可以在其中被檢測到。解決這部分問題的關(guān)鍵技術(shù)主要是對象模型的建立與制作。以液位控制為例，在控制對象子系統(tǒng)中設(shè)有上水箱、下水箱、儲水槽、水泵、管道等構(gòu)件，構(gòu)成一個完整的液位系統(tǒng)。此系統(tǒng)為液位測量與控制、對象特性測試、液位傳感器校正等實(shí)驗(yàn)提供必要的研究對象。

自動化裝置與控制臺子系統(tǒng)主要由測量與變送裝置模塊、執(zhí)行器模塊、控制器及其擴(kuò)展模塊、顯示模塊、低壓電器等工業(yè)元器件組成。解決這部分問題的關(guān)鍵技術(shù)主要是自動化裝置的選型、上位機(jī)組態(tài)軟件開發(fā)及相關(guān)通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)等。如現(xiàn)場總線通信實(shí)驗(yàn)：上位機(jī)通過MODBUS協(xié)議與智能儀表或PLC 通訊構(gòu)成主從方式通信系統(tǒng)，為現(xiàn)場總線通訊實(shí)驗(yàn)提供一個操作平臺；又如選擇典型控制系統(tǒng)，利用可編程控制器模塊，操作者通過對系統(tǒng)的接線、程序的編制，實(shí)現(xiàn)對可編程控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試技能訓(xùn)練。

2 儀表自動化實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程

如圖2 所示的儀表自動化實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖，可以實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位四大過程參數(shù)的控制。下面以單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。

圖2 儀表自動化實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖

壓力控制：首先上電，將總閥、手動閥1、手動流量控制閥1、手動流量控制閥2、下水閥1 和下水閥2 打開，通過上位機(jī)進(jìn)行壓力設(shè)定，并設(shè)置智能PID 調(diào)節(jié)儀中P、I、D 等相關(guān)參數(shù)，由壓力變送器采集管道壓力大小信息并傳送至智能PID 調(diào)節(jié)儀，根據(jù)偏差去控制變頻器輸出的頻率大小，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到控制管道壓力恒定的目的。執(zhí)行器是變頻器，變送器是壓力變送器，其輸出信號為4～20 mA 的電流信號。

液位控制：首先上電，將總閥、手動閥2、上水閥1、下水閥1和下水閥2打開，通過上位機(jī)來設(shè)置液位報警位置，由液位變送器采集液位高低信息并傳送至智能PID 調(diào)節(jié)儀，控制電磁閥的通斷來實(shí)現(xiàn)對液位的位式控制；或者將總閥、手動閥1、手動流量控制閥1、下水閥1 和下水閥2打開，通過上位機(jī)進(jìn)行液位設(shè)定，并設(shè)置智能PID調(diào)節(jié)儀中P、I、D等相關(guān)參數(shù)，由液位變送器采集液位高低信息并傳送至智能PID 調(diào)節(jié)儀，根據(jù)偏差去控制電動調(diào)節(jié)閥開度的大小實(shí)現(xiàn)對液位的控制。執(zhí)行器是電動調(diào)節(jié)閥，變送器是液位變送器，其輸出信號為4～20 mA的電流信號。

流量控制：首先上電，將總閥、手動閥1、手動流量控制閥1、下水閥1和下水閥2打開，在上位機(jī)進(jìn)行流量設(shè)定，通過流量變送器對管道流量進(jìn)行檢測并通過渦輪流量計傳送至智能PID 調(diào)節(jié)儀，根據(jù)偏差去控制電動調(diào)節(jié)閥開度的大小來實(shí)現(xiàn)對管道瞬時流量的控制。執(zhí)行器是電動調(diào)節(jié)閥，變送器是渦輪流量計，渦輪旋轉(zhuǎn)的速度反應(yīng)管道流量的大小，由于其輸出信號是頻率信號，需要流量積算儀把其轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號。

溫度控制：首先上電，將總閥和上水閥2 打開，關(guān)閉下水閥3和下水閥4，將換熱器中注入適量的水，然后將總閥關(guān)閉，把下水閥4 打開，讓泵帶動水循環(huán)流動。在上位機(jī)進(jìn)行溫度設(shè)定，并設(shè)置智能PID 調(diào)節(jié)儀中P、I、D 等相關(guān)參數(shù)，通過調(diào)節(jié)三相移相觸發(fā)裝置工作導(dǎo)通角的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)加熱棒加熱功率大小的目的，從而實(shí)現(xiàn)恒溫控制。如果控制要求不高，也可以通過斷開轉(zhuǎn)換開關(guān)，用智能PID 調(diào)節(jié)儀實(shí)現(xiàn)溫度的位式控制。執(zhí)行器是三相可控硅移相調(diào)壓器，溫度傳感器是PT100。

3 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計案例

以溫度定值控制系統(tǒng)為例，說明儀表自動化實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計過程。系統(tǒng)主要由裝有MCGS 的上位機(jī)通過RS232C或RS485協(xié)議與智能儀表或無紙記錄儀通訊，智能儀表或無紙記錄儀作為下位機(jī)對溫度進(jìn)行控制，執(zhí)行器是三相可控硅移相調(diào)壓設(shè)備，溫度傳感器使用PT100 熱電阻，具體溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

3.1 可控硅移相調(diào)壓器原理與特性

單相可控硅移向調(diào)壓器是應(yīng)用晶閘管（又稱可控硅）及其觸發(fā)控制電路用于調(diào)整負(fù)載輸出功率大小的裝置?，F(xiàn)在更多的是運(yùn)用數(shù)字電路觸發(fā)可控硅實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)功。調(diào)壓采用移相控制方式，調(diào)功有定周期調(diào)功和變周期調(diào)功兩種方式?？刂瓢鍘фi相環(huán)同步電路、自動判別相位、缺相保護(hù)、上電緩起動、緩關(guān)斷、散熱器超溫檢測、恒流輸出、電流限制、過流保護(hù)、串行工作狀態(tài)指示等功能?？刂瓢宓奶攸c(diǎn)：十位A/D，輸出線性化程度高，輸出起控點(diǎn)低。圖4 是單相可控硅交流移相調(diào)壓電阻負(fù)載電路。三相可控硅移相調(diào)壓器可以采用星型或三角形接法接線，觸發(fā)延遲角α 的起點(diǎn)是相電壓的過零點(diǎn)，移相范圍0～180°。調(diào)壓模塊STY 內(nèi)部集相位檢測、移相電路、觸發(fā)電路和單組反并聯(lián)單向可控硅于一體，不需外部任何電源和工作電源，便可以自動控制或外接電位器進(jìn)行手動控制，改變可控硅導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓從0 V到電網(wǎng)電壓的無級可調(diào)。

圖4 單相可控硅調(diào)壓負(fù)載電路圖

3.2 溫度傳感器原理與特性

工業(yè)上常用的鉑電阻，R0值為100 Ω，對應(yīng)的分度號為Pt100，其在0℃時電阻值為100 Ω，由于其阻值隨溫度變化的線性特性好，因此被廣泛使用。由于其電阻值小，靈敏度高，所以引線的阻值不能忽略不計，采用三線式接法可消除引線線路電阻帶來的測量誤差。如圖5 所示，要求從Pt100 引出的三根導(dǎo)線阻值相同，即r1= r2=r3，由于兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻，電橋處于平衡狀態(tài)，引線線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響[2]。

圖5 PT100溫度傳感器三線式接法

3.3 基于MCGS的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

基于MCGS 的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由監(jiān)控層、控制層、現(xiàn)場層組成。監(jiān)控層：裝有MCGS組態(tài)軟件的計算機(jī)；控制層：智能儀表；現(xiàn)場層：現(xiàn)場設(shè)備。其硬件接線圖如圖6所示。

圖6 基于MCGS的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件接線圖

本系統(tǒng)由組態(tài)軟件和智能調(diào)節(jié)儀構(gòu)成一個上下位機(jī)系統(tǒng)，裝有MCGS 組態(tài)軟件的上位機(jī)部分監(jiān)控界面如圖7所示，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）系統(tǒng)啟動、停止操作，手動/自動切換操作；

（2）工藝流程顯示：通過組態(tài)軟件窗口可以形象顯示溫度控制系統(tǒng)的工藝流程；

（3）實(shí)時監(jiān)測功能功能：運(yùn)行時溫度變化實(shí)時曲線顯示；

（4）故障報警顯示：溫度高限報警、低限報警、模塊錯誤報警；

（5）控制參數(shù)設(shè)置：PID參數(shù)設(shè)置；

（6）報表顯示：包括實(shí)時報表和歷史報表，實(shí)時報表通過表格的形式把實(shí)時數(shù)據(jù)顯示出來供操作者查看，歷史報表是把歷史數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，通過構(gòu)建可以把存盤的數(shù)據(jù)顯示出來，給操作者瀏覽；

（7）曲線顯示：包括實(shí)時曲線和歷史曲線，分別是為了顯示某一變量實(shí)時數(shù)據(jù)的運(yùn)行趨勢和歷史數(shù)據(jù)的運(yùn)行趨勢；

（8）安全機(jī)制：主要是給不同的操作者設(shè)置權(quán)限，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

實(shí)際調(diào)試時首先通過儀表自整定得出比例度、積分時間、微分時間三個參數(shù)，然后通過實(shí)際觀察和經(jīng)驗(yàn)對三個參數(shù)進(jìn)行細(xì)調(diào)，最終得到最優(yōu)的整定參數(shù)。

4 結(jié)束語

圖7 上位機(jī)監(jiān)控界面

該儀表自動化實(shí)驗(yàn)裝置利用計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對儀表的監(jiān)控，通過實(shí)時曲線可以直接觀察到系統(tǒng)的動態(tài)特性，通過歷史趨勢曲線可以完成歷史數(shù)據(jù)的查看，而報警功能使得系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。該實(shí)驗(yàn)裝置被控變量涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)過程四大變量，模塊化的設(shè)計思路確保了裝置的擴(kuò)展性，低廉的成本和強(qiáng)大的功能為裝置的推廣打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］朱濤，吉智.機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究與實(shí)踐［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2011 （23）：64-68.

［2］張明金.化工電器與儀表自動化技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.