CN106935088B - 便携式过程工业对象的模拟装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式过程工业对象的模拟装置及其控制方法，所述便携式过程工业对象的模拟装置包括现场装置、控制装置和供电系统，控制方法包括：上水箱给水控制实验、上水箱排水控制实验、上水箱水位控制实验、上水箱温度控制实验、给水管道流量控制实验，有益效果是：可以模拟过程工业的上水箱的给水、下水箱的排水工艺过程，同时可以对过程工业常见的被控参数进行连续监测与控制，体积小、重量轻、可拆卸、价格低廉，可适用于相关课程的课堂教学，包含了过程工业位式控制与连续(PID)控制，又包含了电气控制，为学生传达更多的知识内容并可以自己动手组装与调试，可根据需要设计与开发自己的算法，最大限度地发挥学生动手与创新能力。

Description

便携式过程工业对象的模拟装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动化专业的自制教学实验装置，具体地是便携式过程工业对象的模拟装置及其控制方法。

背景技术

过程控制是自动化专业一门重要的专业核心课程，目前绝大部分高校采用理论与实验分离教学。对于理论课堂教学，教师将大量时间花在理论知识讲授上，而学生对于枯燥的理论缺乏兴趣，学习积极性差，课堂教学效率低下。另外，实验实践教学环节又不能很好地与课堂的知识点有机结合，大大限制了对学生创新能力、动手实践能力的培养。

目前过程控制实验系统包括现场对象与控制柜，存在结构复杂、占地面积大、质量重与价格昂贵等缺点，无法应用于课堂教学演示与验证。在普通本科高校向应用型转变及培养应用型人才需求的背景下，有必要开发能够应用于课堂教学的便携式微型过程控制实验装置。

发明内容

本发明是要解决现有过程控制实验系统存在的上述问题，提供一种便携式过程工业对象的模拟装置及其控制方法，可以模拟过程工业的上水箱的给水、下水箱的排水工艺过程，同时可以对过程工业常见的被控参数(温度、液位、流量)进行连续监测与控制，并可实现液位双位开关控制。

所述便携式过程工业对象的模拟装置，包括现场装置、控制装置和供电系统，所述现场装置包括下水箱01、上水箱02、设置在水箱外的支架03和涡轮流量计7、设置在支架3上且位于下水箱上方的微型水泵04、涡流流量计07、下水箱上设置给排水管10、上水箱上设置给水管11和排水管13，排水管13入口设置手阀12，在上水箱内设置加热装置14、液位高低限检测元件和热电阻16，在上水箱外设置与上水箱内相通的压力变送器17，在上水箱内靠近给水管一侧设置滤波板18，在水箱外设置控制装置19；

所述控制装置19包括单片机系统、液位高低限检测电路、模拟量检测电路、触摸屏、开关量输出电路、由PWM1和PWM2组成的脉宽调制模块，所述液位高低限检测电路通过液位高低限检测元件检测液位高低限状态，所述模拟量检测电路包括模拟通道、滤波放大电路及A/D采样电路；模拟通道输入端与液位高低限检测元件、涡流流量计和热电阻的信号输出端相连，实现液位、流量和温度被控参数的检测；所述触摸屏实现人机交互功能；所述开关量输出电路连接继电器KA1、KA2，用来实现电源的投切控制，所述的脉宽调制模块用来控制可调直流电源Ⅰ和可调直流电源Ⅱ的输出电压，分别实现水泵转速和加热装置的控制，进而实现流量、液位及上水箱水温度的控制；

所述供电系统包括交流电源，通过AC/DC变流模块与交流电源相连的可调直流电源Ⅰ、可调直流电源Ⅱ、恒定直流电源、与可调直流电源Ⅰ和恒定直流电源相连的投切开关，所述可调直流电源Ⅰ、可调直流电源Ⅱ均由单片机系统的脉宽调制模块控制输出电压，可调直流电源Ⅰ与恒定直流电源通过投切开关给水泵驱动电机供电，投切开关由单片机系统的开关量输出电路控制的继电器KA1、KA2常开触点控制投切，恒定直流电压给单片机系统提供稳定的直流电压并通过投切开关给水泵驱动电机提供稳定的直流电压，可调直流电源Ⅱ通过单片机系统的脉宽调制模块中的PWM2控制给加热装置提供需要的电压。

所述液位高低限检测元件是浮子开关15或电极探头。

所述液位高低限检测元件是浮子开关，且包括上限浮子开关21、下限浮子开关22。

该便携式过程工业对象的模拟装置的控制方法如下：

1、上水箱给水控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵入口05通过软管相连接，微型水泵的出口06与上水箱给水管11下端相连，水阀12关闭；

首先判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断；起动水泵，再判断是否为自动控制方式，如果是自动方式，则继续；如果不是自动方式，则再判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的停止按钮是否按下，如果没有按下，则返回到自动方式判断位置，如果停止按钮按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果控制方式为自动方式，再判断停止按钮是否按下，如果按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果停止按钮没有按下，则继续；判断水位是否超上限，如果水位没有超上限，则返回停止按钮判断位置；如果水位超上限，则停止水泵，并继续；判断水位是否低下限，如果低下限，则返回起动水泵的位置；如果水位未低于下限，则继续；判断停止按钮是否按下，如果停止按钮按下，则返回起动按钮判断的位置；如果停止按钮未按下，则返回水位低下限判断的位置；

2、上水箱排水控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵出口06通过软管相连接，微型水泵的入口05与上水箱排水管13下端相连，水阀12打开；

首先判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断；起动水泵，再判断是否为自动控制方式，如果是自动方式，则继续；如果不是自动方式，则再判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的停止按钮是否按下，如果没有按下，则返回到自动方式判断位置，如果停止按钮按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果控制方式为自动方式，再判断停止按钮是否按下，如果按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果停止按钮没有按下，则继续；判断水位是否低下限，如果水位没有低下限，则返回停止按钮判断位置；如果水位低下限，则停止水泵，并继续；判断水位是否超上限，如果超上限，则返回起动水泵的位置；如果水位未超上限，则继续；判断停止按钮是否按下，如果停止按钮按下，则返回起动按钮判断的位置；如果停止按钮未按下，则返回水位超上限判断的位置；

3、上水箱水位控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵的入口05通过软管相连接，微型水泵出口06与上水箱给水管11下端相连，水阀12关闭，上水箱压力变送器17实时检测水位；

首先判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断；判断是否手动控制，如果是手动控制，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，水泵在相应的电压下运行，再判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置；如果不是手动控制即为自动控制方式，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取液位设定值，读取液位高度即反馈值，计算偏差＝设定值-反馈值，读取PID控制器参数即比例系数P、积分时间常数、微分时间常数，PID控制算法计算控制率，由控制率转化相应的直流电压输出，水泵在相应电压下运行，再判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置；

4、上水箱温度控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵入口05通过软管相连接，微型水泵的出口06与上水箱给水管11下端相连，水阀12关闭，通过水泵给上水箱加水；为了保证水受热均匀，微型水泵入口05改为通过软管与上水箱排水管13下端相连，其它连接不变，通过水泵实现上水箱的水循环；由热电阻16检测水的温度，再由加热装置14控制水的温度；

首先判断水泵起动按钮是否按下，如果按下，则恒定的直流电源给水泵供电，起动水泵恒速运行并继续下步判断；如果未按下直接进入下步判断；判断温控起动按钮是否按下，如果温控起动按钮没有按下，再判断水泵停止按钮是否按下，如果水泵停止按钮按下，则返回水泵起动按钮判断位置，如果水泵停止按钮没有按下，则返回温控起动按钮判断位置；如果温控起动按钮按下，则继续；由可调直流电源Ⅱ给加热装置供电，再判断是否是手动控制方式，如果是手动控制方式，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，加热装置在相应的电压下运行，转到温控停止按钮判断位置；如果不是手动控制方式(只能是自动控制方式)，读取温度设定值，读取温度反馈测量值，计算偏差，读取PID控制器参数，利用PID控制算法计算控制率，调压模块输出相应的电压值，加热装置在相应的温度下运行，再到温控停止按钮判断位置；如果温控按钮按下，则停止水泵，控制输出清零，返回水泵起动判断位置；如果温控按钮未按下，则转到水泵停止按钮判断位置。如果水泵停止按钮按下，则停止水泵并返回手动控制方式判断位置；如果水泵停止按钮未按下，则直接返回手动控制方式判断位置；

5、给水管道流量控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵入口05通过软管相连接，微型水泵的出口06与涡轮流量计07的入口09相连，涡轮流量计07的出口与上水箱给水管11下端相连，排水管13的下端与下水箱的给水管10的上端相连，水阀12打开；

首先判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断；判断是否手动控制，如果是手动控制，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，水泵在相应的电压下运行，再判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置。如果不是手动控制即为自动控制方式，由于是单相选择，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取流量设定值，读取流量(反馈值)，计算偏差＝设定值-反馈值，读取PID控制器参数(比例系数P、积分时间常数、微分时间常数)，PID控制算法计算控制率，由控制率转化相应的直流电压输出，水泵在相应电压下运行，再判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置。

所述触摸屏人机交互界面包括：上水箱给水控制实验、上水箱排水控制实验、上水箱水位控制实验、上水箱温度控制实验、上水箱管道流量控制实验。

所述上水箱给水控制实验人机交互界面包括运行指示，其中红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行；控制方式选择，分为手动/自动单选；控制指令，包括起动、停止指令及动态指示区；

所述上水箱排水控制实验人机交互界面包括运行指示，红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行；控制方式选择，分为手动/自动单选；控制指令，包括起动、停止指令及动态指示区；

所述上水箱水位控制实验人机交互界面包括运行指示，红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行；控制方式选择，分为手动/自动单选；控制指令，包括起动、停止指令及动态指示区，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置和设定值输入框与测量值反馈框，PID控制器参数包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD；

所述上水箱温度控制实验人机交互界面包括水循环控制区与水温度控制区，水循环控制包括运行指示，红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行；水泵的控制指令，包括起动、停止指令；

水温度控制区包括控制方式选择、控制指令及动态指示区，控制方式选择分为手动/自动单选，控制指令包括起动、停止指令，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置和设定值输入框与测量值反馈框，PID控制器参数设置包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD；

所述上水箱管道流量控制实验人机交互界面包括运行指示(红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行)、控制方式选择(手动/自动单选)、控制指令(起动、停止)及动态指示区，运行指示中红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行，控制方式选择分为手动/自动单选、控制指令包括起动、停止指令，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置、设定值输入框与测量值反馈框，PID控制器参数设置包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD。

本发明的有益效果是：

与传统的过程工业模拟装置比较，具有如下的有益效果：

1)本系统体积小、重量轻、可拆卸、价格低廉，可适用于相关课程的课堂教学。

2)本系统既包含了过程工业位式控制与连续(PID)控制，又包含了电气控制，为学生传达更多的知识内容。

3)本系统的硬件与软件采用模块化设计，学生可以自己动手组装与调试，可根据需要设计与开发自己的算法，最大限度地发挥学生动手与创新能力。

4)学生易触碰的电源部分采用24V以下电源供电，保证了实验装置的绝对安全。

附图说明

图1是本发明的现场装置结构示意图；

图2是本发明的控制装置原理图；

图3是本发明的供电系统框图；

图4是触摸屏的上水箱给水控制交互界面示意图；

图5是上水箱给水控制程序流程图；

图6是触摸屏的上水箱排水控制交互界面示意图；

图7是上水箱排水控制程序流程图；

图8是触摸屏的上水箱水位控制交互界面示意图；

图9是上水箱液位控制程序流程图；

图10是触摸屏的上水箱温度控制交互界面示意图；

图11上水箱温度控制程序流程图；

图12触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面示意图；

图13管道流量控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细地阐述：

如图1所示，所述便携式微型过程工业模拟装置包括现场装置、控制装置和供电系统，所述现场装置由下水箱01、上水箱02、支架03、微型水泵04、涡流流量计07、下水箱的给排水管10、上水箱的给水管11、手阀12、上水箱的排水管13、上水箱加热装置14、液位高低限检测元件、上水箱热电阻16、上水箱压力变送器17、上水箱滤波板18、控制装置19、上水箱的托板20组成。

所述液位高低限检测元件采用浮子开关或电极探头，本实施例采用浮子开关15，所述上水箱浮子开关15包括上限浮子开关21、下限浮子开关22。支架03设置在水箱外，微型水泵04设置在支架3上且位于下水箱上方，给排水管10设置在下水箱上，给水管11和排水管13设置在上水箱上，手阀12设置在排水管13入口，加热装置14、浮子开关15和热电阻16设置在上水箱内，所述加热装置14采用电加热棒，压力变送器17设置在上水箱外并与上水箱内相通，滤波板18设置在上水箱内靠近给水管11一侧，在支架上设置托板20，所述上水箱02座置在托板20上。

所述微型水泵04具有微型水泵入口05、微型水泵出口06。所述涡轮流量计07具有涡轮流量计的入口09、涡轮流量计的出口08。

所述控制装置19包括单片机系统、液位高低限检测电路、模拟量检测电路、触摸屏、开关量输出电路、由PWM1和PWM2组成的脉宽调制模块，所述液位高低限检测电路通过液位高低限检测元件检测液位高低限状态，所述模拟量检测电路包括模拟通道、滤波放大电路及A/D采样电路；模拟通道输入端与液位高低限检测元件、涡流流量计和热电阻的信号输出端相连，实现液位、流量和温度被控参数的检测；所述触摸屏实现人机交互功能；所述开关量输出电路连接继电器KA1、KA2，用来实现电源的投切控制，所述的脉宽调制模块中PWM1和PWM2用来控制可调直流电源Ⅰ和可调直流电源Ⅱ的输出电压，分别实现水泵转速和加热装置的控制，进而实现流量、液位及上水箱水温度的控制。

所述供电系统包括交流电源，通过AC/DC变流模块与交流电源相连的可调直流电源Ⅰ、可调直流电源Ⅱ、恒定直流电源、与可调直流电源Ⅰ和恒定直流电源相连的投切开关，所述可调直流电源Ⅰ、可调直流电源Ⅱ均由单片机系统的脉宽调制模块控制输出电压，可调直流电源Ⅰ与恒定直流电源通过投切开关给水泵驱动电机供电，投切开关由单片机系统的开关量输出电路控制的继电器KA1、KA2常开触点控制投切，恒定直流电压给单片机系统提供稳定的直流电压并通过投切开关给水泵驱动电机提供稳定的直流电压，可调直流电源Ⅱ通过单片机系统的脉宽调制模块中的PWM2控制给加热装置提供需要的电压。

所述的触摸屏人机交互界面包括：上水箱给水控制实验、上水箱排水控制实验、上水箱水位控制实验、上水箱温度控制实验、给水管道流量控制实验。所述的上水箱给水控制实验人机交互界面包括运行指示(红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行)、控制方式选择(手动/自动单选)、控制指令(起动、停止)及动态指示区。所述的上水箱排水控制实验人机交互界面包括运行指示(红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行)、控制方式选择(手动/自动单选)、控制指令(起动、停止)及动态指示区。所述的上水箱水位控制实验人机交互界面包括运行指示(红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行)、控制方式选择(手动/自动单选)、控制指令(起动、停止)及动态指示区，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置(包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD)、设定值输入框与测量值反馈框。所述的上水箱温度控制实验人机交互界面包括水循环控制区与水温度控制区，水循环控制包括运行指示(红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行)与水泵的控制指令(起动、停止)；水温度控制区包括控制方式选择(手动/自动单选)、控制指令(起动、停止)及动态指示区，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置(包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD)、设定值输入框与测量值反馈框。所述的上水箱管道流量控制实验人机交互界面包括运行指示(红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行)、控制方式选择(手动/自动单选)、控制指令(起动、停止)及动态指示区，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置(包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD)、设定值输入框与测量值反馈框。

该便携式过程工业对象的模拟装置的控制方法如下：

1、上水箱给水控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵入口05通过软管相连接，微型水泵的出口06与上水箱给水管11下端相连，水阀12关闭。

首先判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断。起动水泵，再判断是否为自动控制方式，如果是自动方式，则继续；如果不是自动方式，则再判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的停止按钮是否按下，如果没有按下，则返回到自动方式判断位置，如果停止按钮按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置。如果控制方式为自动方式，再判断停止按钮是否按下，如果按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果停止按钮没有按下，则继续。判断水位是否超上限，如果水位没有超上限，则返回停止按钮判断位置；如果水位超上限，则停止水泵，并继续。判断水位是否低下限，如果低下限，则返回起动水泵的位置；如果水位未低于下限，则继续。判断停止按钮是否按下，如果停止按钮按下，则返回起动按钮判断的位置；如果停止按钮未按下，则返回水位低下限判断的位置。

2、上水箱排水控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵出口06通过软管相连接，微型水泵的入口05与上水箱排水管13下端相连，水阀12打开。

首先判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断。起动水泵，再判断是否为自动控制方式，如果是自动方式，则继续；如果不是自动方式，则再判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的停止按钮是否按下，如果没有按下，则返回到自动方式判断位置，如果停止按钮按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置。如果控制方式为自动方式，再判断停止按钮是否按下，如果按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果停止按钮没有按下，则继续。判断水位是否低下限，如果水位没有低下限，则返回停止按钮判断位置；如果水位低下限，则停止水泵，并继续。判断水位是否超上限，如果超上限，则返回起动水泵的位置；如果水位未超上限，则继续。判断停止按钮是否按下，如果停止按钮按下，则返回起动按钮判断的位置；如果停止按钮未按下，则返回水位超上限判断的位置。

3、上水箱水位控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵的入口05通过软管相连接，微型水泵出口06与上水箱给水管11下端相连，水阀12关闭，上水箱压力变送器17实时检测水位。

首先判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断。判断是否手动控制，如果是手动控制，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，水泵在相应的电压下运行，再判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置。如果不是手动控制(一定就是自动控制方式，由于是单相选择，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取液位设定值，读取液位高度(反馈值)，计算偏差＝设定值-反馈值，读取PID控制器参数(比例系数P、积分时间常数、微分时间常数)，PID控制算法计算控制率，由控制率转化相应的直流电压输出，水泵在相应电压下运行，再判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置。

4、上水箱温度控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵入口05通过软管相连接，微型水泵的出口06与上水箱给水管11下端相连，水阀12关闭，通过水泵给上水箱加入适当的水量。为了保证水受热均匀，微型水泵入口05改为通过软管与上水箱排水管13下端相连，其它连接不变，通过水泵实现上水箱的水循环。由热电阻16检测水的温度，再由加热装置14控制水的温度。

首先判断水泵起动按钮是否按下，如果按下，则恒定的直流电源给水泵供电，起动水泵并继续下步判断；如果未按下直接进入下步判断。判断温控起动按钮是否按下，如果温控起动按钮没有按下，在判断水泵停止按钮是否按下，如果水泵停止按钮按下，则返回水泵起动按钮判断位置，如果水泵停止按钮没有按下，则返回温控起动按钮判断位置；如果温控起动按钮按下，则继续。可调直流电源Ⅱ给加热装置供电，再判断是否是手动控制方式，如果是手动控制方式，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，加热装置在相应的电压下运行，转到温控停止按钮判断位置；如果不是手动控制方式(只能是自动控制方式)，读取稳定设定值，读取温度反馈测量值，计算偏差，读取PID控制器参数，利用PID控制算法计算控制率，调压模块输出相应的电压值，加热装置在相应的温度下运行，再到温控停止按钮判断位置。如果温控按钮按下，则停止水泵，控制输出清零，返回水泵起动判断位置；如果温控按钮未按下，则转到水泵停止按钮判断位置。如果水泵停止按钮按下，则停止水泵并返回手动控制方式判断位置；如果水泵停止按钮未按下，则直接返回手动控制方式判断位置。

5、给水管道流量控制实验

下水箱的给排水管10上端与微型水泵入口05通过软管相连接，微型水泵的出口06与涡轮流量计07的入口09相连，涡轮流量计07的出口与上水箱给水管11下端相连，排水管13的下端与下水箱的给水管10的上端相连，水阀12打开。

首先判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断。判断是否手动控制，如果是手动控制，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，水泵在相应的电压下运行，再判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置。如果不是手动控制(一定就是自动控制方式，由于是单相选择，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取流量设定值，读取流量(反馈值)，计算偏差＝设定值-反馈值，读取PID控制器参数(比例系数P、积分时间常数、微分时间常数)，PID控制算法计算控制率，由控制率转化相应的直流电压输出，水泵在相应电压下运行，再判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置。

以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于便携式过程工业对象的模拟装置的控制方法，所述便携式过程工业对象的模拟装置包括现场装置、控制装置和供电系统；所述现场装置包括下水箱、上水箱、设置在水箱外的支架和涡轮流量计、设置在支架上且位于下水箱上方的微型水泵、涡流流量计、下水箱上设置给排水管、上水箱上设置给水管和排水管，排水管入口设置水阀，在上水箱内设置加热装置、液位高低限检测元件和热电阻，在上水箱外设置与上水箱内相通的压力变送器，在上水箱内靠近给水管一侧设置滤波板，在水箱外设置控制装置；所述控制装置包括单片机系统、模拟量检测电路、触摸屏、开关量输出电路、由PWM1和PWM2组成的脉宽调制模块，所述模拟量检测电路包括模拟通道、滤波放大电路及A/D采样电路；模拟通道输入端与液位高低限检测元件、涡流流量计和热电阻的信号输出端相连，实现液位、流量和温度被控参数的检测；所述触摸屏用来实现人机交互功能；所述开关量输出电路连接继电器KA1、KA2，用来实现电源的投切控制，所述的脉宽调制模块用来控制可调直流电源的输出电压，分别实现水泵转速和加热装置的控制，进而实现流量、液位及上水箱水温度的控制；所述供电系统包括交流电源，通过AC/DC变流模块与交流电源相连的可调直流电源Ⅰ、可调直流电源Ⅱ、恒定直流电源、与可调直流电源Ⅰ和恒定直流电源相连的投切开关，所述可调直流电源Ⅰ、可调直流电源Ⅱ均由单片机系统的脉宽调制模块控制输出电压，可调直流电源Ⅰ与恒定直流电源通过投切开关给水泵驱动电机供电，投切开关由单片机系统的开关量输出电路控制的继电器KA1、KA2常开触点控制投切，恒定直流电源给单片机系统提供稳定的直流电压并通过投切开关给水泵驱动电机提供稳定的直流电压，可调直流电源Ⅱ通过单片机系统的脉宽调制模块中的PWM2控制给加热装置提供需要的电压；其特征是：

1)、上水箱给水控制实验

下水箱的给排水管上端与微型水泵入口通过软管相连接，微型水泵的出口与上水箱给水管下端相连，水阀关闭；

首先判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断；起动水泵，再判断是否为自动控制方式，如果是自动方式，则继续；如果不是自动方式，则再判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的停止按钮是否按下，如果没有按下，则返回到自动方式判断位置，如果停止按钮按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果控制方式为自动方式，再判断停止按钮是否按下，如果按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果停止按钮没有按下，则继续；判断水位是否超上限，如果水位没有超上限，则返回停止按钮判断位置；如果水位超上限，则停止水泵，并继续；判断水位是否低下限，如果低下限，则返回起动水泵的位置；如果水位未低于下限，则继续；判断停止按钮是否按下，如果停止按钮按下，则返回起动按钮判断的位置；如果停止按钮未按下，则返回水位低下限判断的位置；

2)、上水箱排水控制实验

下水箱的给排水管上端与微型水泵出口通过软管相连接，微型水泵的入口与上水箱排水管下端相连，水阀打开；

首先判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断；起动水泵，再判断是否为自动控制方式，如果是自动方式，则继续；如果不是自动方式，则再判断触摸屏的上水箱给水控制交互界面的停止按钮是否按下，如果没有按下，则返回到自动方式判断位置，如果停止按钮按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果控制方式为自动方式，再判断停止按钮是否按下，如果按下，则停止水泵并返回起动按钮判断位置；如果停止按钮没有按下，则继续；判断水位是否低下限，如果水位没有低下限，则返回停止按钮判断位置；如果水位低下限，则停止水泵，并继续；判断水位是否超上限，如果超上限，则返回起动水泵的位置；如果水位未超上限，则继续；判断停止按钮是否按下，如果停止按钮按下，则返回起动按钮判断的位置；如果停止按钮未按下，则返回水位超上限判断的位置；

3)、上水箱水位控制实验

给排水管上端与微型水泵的入口通过软管相连接，微型水泵出口与上水箱给水管下端相连，水阀关闭，上水箱压力变送器实时检测水位；

首先判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断；判断是否手动控制，如果是手动控制，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，水泵在相应的电压下运行，再判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置；如果不是手动控制即为自动控制方式，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取液位设定值，读取液位高度即反馈值，计算偏差＝设定值-反馈值，读取PID控制器参数即比例系数P、积分时间常数、微分时间常数，PID控制算法计算控制率，由控制率转化相应的直流电压输出，水泵在相应电压下运行，再判断触摸屏的上水箱水位控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置；

4)、上水箱温度控制实验

下水箱的给排水管上端与微型水泵入口通过软管相连接，微型水泵的出口与上水箱给水管下端相连，水阀关闭，通过水泵给上水箱加水；为了保证水受热均匀，微型水泵入口改为通过软管与上水箱排水管下端相连，其它连接不变，通过水泵实现上水箱的水循环；由热电阻检测水的温度，再由加热装置控制水的温度；

首先判断水泵起动按钮是否按下，如果按下，则恒定的直流电源给水泵供电，起动水泵恒速运行并继续下步判断；如果未按下直接进入下步判断；判断温控起动按钮是否按下，如果温控起动按钮没有按下，再判断水泵停止按钮是否按下，如果水泵停止按钮按下，则返回水泵起动按钮判断位置，如果水泵停止按钮没有按下，则返回温控起动按钮判断位置；如果温控起动按钮按下，则继续；由可调直流电源Ⅱ给加热装置供电，再判断是否是手动控制方式，如果是手动控制方式，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，加热装置在相应的电压下运行，转到温控停止按钮判断位置；如果不是手动控制方式，读取温度设定值，读取温度反馈测量值，计算偏差，读取PID控制器参数，利用PID控制算法计算控制率，调压模块输出相应的电压值，加热装置在相应的温度下运行，再到温控停止按钮判断位置；如果温控按钮按下，则停止水泵，控制输出清零，返回水泵起动判断位置；如果温控按钮未按下，则转到水泵停止按钮判断位置；如果水泵停止按钮按下，则停止水泵并返回手动控制方式判断位置；如果水泵停止按钮未按下，则直接返回手动控制方式判断位置；

5)、给水管道流量控制实验

下水箱的给排水管上端与微型水泵入口通过软管相连接，微型水泵的出口与涡轮流量计的入口相连，涡轮流量计的出口与上水箱给水管下端相连，上水箱的排水管的下端与下水箱的给水管的上端相连，水阀打开；

首先判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的起动按钮是否按下，如果起动按钮按下，则继续；否则返回起动按钮判断；判断是否手动控制，如果是手动控制，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取手动操作变量值并转化相应的直流电压输出，水泵在相应的电压下运行，再判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置；如果不是手动控制即为自动控制方式，由于是单相选择，则可调直流电源Ⅰ闭合，读取流量设定值，读取流量即反馈值，计算偏差＝设定值-反馈值，读取PID控制器参数即比例系数P、积分时间常数、微分时间常数，PID控制算法计算控制率，由控制率转化相应的直流电压输出，水泵在相应电压下运行，再判断触摸屏的上水箱管道流量控制交互界面的停止按钮是否按下，如果按下，则返回起动按钮判断位置，如果停止按钮没有按下，则返回手动方式判断位置。

2.根据权利要求1所述的基于便携式过程工业对象的模拟装置的控制方法，其特征是所述液位高低限检测元件是浮子开关或电极探头。

3.根据权利要求1所述的基于便携式过程工业对象的模拟装置的控制方法，其特征是：所述液位高低限检测元件是浮子开关，且包括上限浮子开关和下限浮子开关。

4.根据权利要求1所述的基于便携式过程工业对象的模拟装置的控制方法，其特征是：所述触摸屏人机交互界面包括：上水箱给水控制实验、上水箱排水控制实验、上水箱水位控制实验、上水箱温度控制实验、上水箱管道流量控制实验。

5.根据权利要求1所述的基于便携式过程工业对象的模拟装置的控制方法，其特征是：所述上水箱给水控制实验人机交互界面包括运行指示，其中红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行；控制方式选择，分为手动/自动单选；控制指令，包括起动、停止指令及动态指示区；

所述上水箱排水控制实验人机交互界面包括运行指示，红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行；控制方式选择，分为手动/自动单选；控制指令，包括起动、停止指令及动态指示区；

所述上水箱水位控制实验人机交互界面包括运行指示，红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行；控制方式选择，分为手动/自动单选；控制指令，包括起动、停止指令及动态指示区，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置和设定值输入框与测量值反馈框，PID控制器参数包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD；

所述上水箱温度控制实验人机交互界面包括水循环控制区与水温度控制区，水循环控制包括运行指示，红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行；水泵的控制指令，包括起动、停止指令；

所述水温度控制区包括控制方式选择、控制指令及动态指示区，控制方式选择分为手动/自动单选，控制指令包括起动、停止指令，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置和设定值输入框与测量值反馈框，PID控制器参数设置包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD；

所述上水箱管道流量控制实验人机交互界面包括运行指示、控制方式选择、控制指令及动态指示区，运行指示中红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行，控制方式选择分为手动/自动单选，控制指令包括起动、停止指令，其中手动方式有操作变量输入框与测量值反馈框，自动方式有PID控制器参数设置、设定值输入框与测量值反馈框，PID控制器参数设置包括比例系数P、积分时间常数Ti、微分时间常数TD。