劉書(shū)凱（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化技術(shù)系，江蘇常州，213164)

多重融合的過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉書(shū)凱
（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化技術(shù)系，江蘇常州，213164)

生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的學(xué)生需要掌握過(guò)程參數(shù)檢測(cè)與控制，檢測(cè)儀表的選擇、安裝、調(diào)試以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)、檢修、管理等方面的知識(shí)和能力，而這些能力基本上需要在實(shí)訓(xùn)室中來(lái)訓(xùn)練，所以能夠提供訓(xùn)練這些能力的實(shí)訓(xùn)設(shè)備的建設(shè)就尤為重要。

多重融合；過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)室；控制方案；控制系統(tǒng)

生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)的是具有較強(qiáng)的敬業(yè)精神、實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力和自我發(fā)展能力，具備生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，掌握生產(chǎn)過(guò)程控制的實(shí)踐操作技能，熟悉常用生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化設(shè)備和典型過(guò)程控制系統(tǒng)，能從事生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化裝置及自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)等工作的高素質(zhì)高級(jí)技能型專門(mén)人才。如何才能培養(yǎng)這樣的人才？有效的實(shí)訓(xùn)裝置必不可少，而將企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備直接搬到實(shí)訓(xùn)室中顯然也是不現(xiàn)實(shí)的，那么如何建設(shè)既能與生產(chǎn)實(shí)際相吻合又能不額外增加學(xué)校的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，既能培養(yǎng)學(xué)生的各項(xiàng)專業(yè)技能又能比較容易組織教學(xué)的過(guò)程控制裝置呢？本實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)就是為了解決這些問(wèn)題而進(jìn)行的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將企業(yè)工藝、各種控制方案、常用的控制器、各種過(guò)程參數(shù)、檢測(cè)儀表的選擇與安裝、各種技能操作融合到教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備中，完成了多重融合的過(guò)程控制裝置。

1 企業(yè)生產(chǎn)工藝與實(shí)訓(xùn)設(shè)備相融合

本專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生的主要就業(yè)面向生產(chǎn)過(guò)程在線運(yùn)行的自動(dòng)化儀表、控制裝置的選用安裝、系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試投運(yùn)、運(yùn)行維護(hù)、檢修等工作崗位，而這些工作都是和生產(chǎn)工藝密不可分，所以本實(shí)訓(xùn)室需要選擇和生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的生產(chǎn)過(guò)程；既要包含生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的一些生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)又要在實(shí)訓(xùn)室中比較容易實(shí)現(xiàn)。最后我們選擇乙醛氧化制醋酸的生產(chǎn)工藝，使用鼓泡反應(yīng)器乙醛氧化塔、原料儲(chǔ)罐、冷卻水儲(chǔ)罐、輸送泵等作為主要的生產(chǎn)設(shè)備，使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液位計(jì)、流量計(jì)、熱電阻、熱電偶、壓力變送器等作為主要的檢測(cè)和執(zhí)行儀表。這樣生產(chǎn)中的實(shí)際工藝流程就可以在實(shí)訓(xùn)室中實(shí)現(xiàn)，并且所使用的各種儀表和控制系統(tǒng)都和實(shí)踐生產(chǎn)中使用的一致，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和操作中能夠真正體會(huì)到實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程，有一種身臨其境的感覺(jué)。

通過(guò)上述的設(shè)計(jì)，整個(gè)實(shí)訓(xùn)裝置就將企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程搬到了學(xué)校的實(shí)訓(xùn)室中，滿足本專業(yè)學(xué)生各種技能訓(xùn)練的要求，使人才培養(yǎng)方案中所規(guī)定的能力要求落到實(shí)處。

2 多種控制方案融合

在過(guò)程控制系統(tǒng)中，不同的場(chǎng)合、不同的控制要求、不同的參數(shù)、不同的工藝都有不同的控制方案，而本專業(yè)的學(xué)生也要求掌握這些控制方案，所以在實(shí)訓(xùn)設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中也融入了不同的控制方案。

2.1 單回路控制方案

單回路反饋控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱單回路控制系統(tǒng)，在所有的反饋控制系統(tǒng)中是最簡(jiǎn)單最基本的一種，因此它又被稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)有4個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象或者被控過(guò)程，測(cè)量變送裝置，控制器，控制閥，也是一個(gè)簡(jiǎn)單的PID控制，如圖1所示。

圖1 單回路控制系統(tǒng)方框圖

在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中原料儲(chǔ)罐、冷卻水儲(chǔ)罐、氧化塔的液位、氧化塔壓力控制由于被控過(guò)程的純滯后與慣性不大、負(fù)荷與干擾變化比較平穩(wěn)或者工藝要求不太高，需要單回路控制，所以設(shè)計(jì)了PIC-102氧化塔塔頂壓力控制回路，用于氧化塔塔頂壓力檢測(cè)來(lái)控制塔頂廢氣的排出量；PIC-104儲(chǔ)氣罐壓力控制回路，用于控制儲(chǔ)氣罐壓力；LIC-101原料液位控制回路、LIC-102冷卻水液位控制回路、LIC-103氧化塔液位控制回路用于控制原料液位、冷卻水液位、氧化塔液位。

2.2 比值控制方案

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)存在兩種或幾種原料進(jìn)行混合，然后在反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，生產(chǎn)新的物料，在反應(yīng)過(guò)程中這幾種原料要保持一定的比例關(guān)系，反應(yīng)才能夠正常進(jìn)行，否則很可能會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，造成原料浪費(fèi)，能源消耗，環(huán)境污染，甚至?xí)a(chǎn)生事故。在這種情況下，為了保證原料的比例關(guān)系通常使用比值控制系統(tǒng)，根據(jù)工藝和控制要求的不同可以設(shè)計(jì)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)等?；じ鞣N反應(yīng)對(duì)參與化學(xué)反應(yīng)的物料比都有一定的要求。乙醛氧化制醋酸生產(chǎn)中所需的兩種原料必須保持一定的比例，即乙醛：空氣=1：5。為了保證以上的物料的配比，要對(duì)其流量進(jìn)行控制，采用比值控制系統(tǒng)。乙醛是通過(guò)輸送泵送入氧化塔的，進(jìn)入量基本穩(wěn)定，空氣流量與乙醛的比值K=5，所以采用流量單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，原理圖和控制方框圖如圖2所示，其中F1為乙醛，F(xiàn)2為空氣，K值為5。

圖2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

2.3 串級(jí)控制方案

本系統(tǒng)的反應(yīng)是在反應(yīng)溫度為80±5℃、反應(yīng)壓力為1.5×105 Pa的條件下進(jìn)行的，乙醛轉(zhuǎn)化率為80%。故保持穩(wěn)定的反應(yīng)溫度是非常重要的，但是溫度參數(shù)存在著非常嚴(yán)重的滯后性，所以使用單回路控制系統(tǒng)往往達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，主要原因是在系統(tǒng)中存在著三個(gè)熱容積，即夾套中的冷卻水、氧化塔壁和氧化塔中物料。冷卻水的流量是主要的干擾量，直接造成溫度控制的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，調(diào)節(jié)不及時(shí)的后果，所以設(shè)計(jì)了溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)控制反應(yīng)溫度。這樣就可以抑制副回路（流量回路）產(chǎn)生的干擾，能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力。

綜上所述，本實(shí)訓(xùn)裝置能夠完成多種控制方案，還可以完成前饋-反饋控制、液位均勻控制等。這對(duì)與生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的學(xué)生能力培養(yǎng)無(wú)疑是非常重要和必要的，可以滿足過(guò)程控制系統(tǒng)、過(guò)程控制工程等課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需求。

3 多種控制系統(tǒng)融合

在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)不同，往往會(huì)使用不同的控制器或控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器、可編程控制器（PLC）、集散控制系統(tǒng)（DCS）等，所以為了讓學(xué)生對(duì)這些常用的控制器或控制系統(tǒng)都能夠掌握，本實(shí)訓(xùn)裝置融合了上述三種控制系統(tǒng)。各控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，具體解決方法是將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接接到端子，再由學(xué)生自由選擇控制系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)行已經(jīng)接線，構(gòu)成不同的控制回路，達(dá)到控制生產(chǎn)的目的。

使用數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器，主要訓(xùn)練學(xué)生將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)、執(zhí)行信號(hào)和調(diào)節(jié)器進(jìn)行連接構(gòu)成控制回路的能力；硬件連接、工具使用的能力；調(diào)節(jié)器PID參數(shù)設(shè)置和整定的能力。

可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)利用控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，MCGS組態(tài)軟件作為監(jiān)控操作臺(tái)，同時(shí)融合了觸摸屏，下位機(jī)使用可編程控制器（三菱FX2N-48MR）進(jìn)行控制，完成對(duì)整個(gè)工藝流程的過(guò)程制監(jiān)控。主要訓(xùn)練學(xué)生PLC的硬件安裝接線、控制程序設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程操作、控制系統(tǒng)調(diào)試等能力。

集散控制系統(tǒng)（DCS）采用了目前行業(yè)中廣泛使用的浙江中控的JX-300XP集散控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中包括1臺(tái)工程師站、2臺(tái)操作員站、1個(gè)控制站，同時(shí)接入了德國(guó)黑馬（HIMA）的緊急停車(chē)系統(tǒng)（ESD），對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)工藝生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控。主要訓(xùn)練學(xué)生DCS系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、硬件選型安裝、網(wǎng)絡(luò)組建、軟件組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行等能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)從生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)格出發(fā)，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)工藝和學(xué)校實(shí)訓(xùn)的特點(diǎn)，采用了生產(chǎn)工藝與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相融合、多種控制方案融合、多種控制系統(tǒng)融合等多種融合方式。目前，本設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)室已經(jīng)完成，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中運(yùn)行正常，效果非常好，為“項(xiàng)目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”理實(shí)一體化的項(xiàng)目化教學(xué)提供了有力的硬件保證。

孫慧峰.過(guò)程控制系統(tǒng)的分析與調(diào)試.北京：科學(xué)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

劉書(shū)凱（1976－），男，河北豐寧，講師，碩士。

院級(jí)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)立項(xiàng)項(xiàng)目：立項(xiàng)單位：常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，立項(xiàng)類別：院級(jí)，編號(hào)：SX2010-10