CN109885004A - 多功能过程装备dcs控制实验装置及其控制实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能过程装备DCS控制实验装置，包括实验设备模块、工艺管道模块、DCS控制系统模块、电源供电系统模块和给水冷却管道模块；实验设备模块包括填料塔、换热器、储罐、泵、阀门、测量仪表、传感器和控制器；工艺管道模块包括多个细管道；给水冷却管道模块包括金属管道和非金属软管；DCS控制系统模块包括管理计算机、监控计算机、控制柜和高速数据通道；电源供电系统模块由强电系统和弱电系统组成。该装置采用同一套装置实现几十种控制方案和控制实验，从而实现不同设备联合使用来构建多种控制方法同时使用的复杂控制实验项目。本发明还提供一种利用上述实验装置的控制实验方法，具有功能丰富、可调性高、操作弹性大、适用范围广的优点。

Description

多功能过程装备DCS控制实验装置及其控制实验方法

技术领域

本发明涉及一种过程装备与控制工程领域的实验与科研装置，特别是涉及一种多功能过程装备DCS控制实验装置。

背景技术

过程装备广泛的应用于石油化工、能源动力、油气储运、环保设备以及火电和核电设备中，主要包括静设备和动设备两大类，其中静设备主要有塔器、换热器、储罐、反应压力容器等，动设备主要有泵、压缩机、离心机、分离器等。生产过程一般都是将流程性流体物料，采用上述动设备、静设备搭建起来的成套装置进行反应、分离、换热和储存，最后生成目标产品。为了保证产品质量、维护系统和设备安全、减少人员劳动强度，都会在成套设备中复加各种传感器、控制器等组成PID控制体系，也是现代工业发展的方向。

在控制系统中，分散控制系统(DCS)是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则，是新一代的仪表控制系统，同时，也是使用最广泛、最有发展前景的PID控制系统。而对过程装备生产工艺及控制其生产稳定性的DCS系统的实验研究，是过程装备与控制工程、化工工艺以及自动化专业本科教学和科研中必不可少的内容。

目前全国各高校相关专业中，配备的实验装置都不能完全满足过程装备DCS控制实验的要求，有的控制系统不符合过程装备的生产特点，有的DCS模块功能不全，而大多数情况是一套装置只能做一个、至多几个DCS控制实验，无法体现过程装备生产过程的复杂性和多样性，限制了学生针对控制系统开创性的创新思维发展，不能对各种控制流程和控制方法中相互之间的横向和纵向关系有清醒的认识。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种多功能过程装备DCS控制实验装置，旨在完善过程装配的生产特点，更充分的体现过程装备生产过程的复杂性和多样性，提供具有集成性的分散控制实验装置。

本发明提供一种多功能过程装备DCS控制实验装置，包括实验设备模块、工艺管道模块、DCS控制系统模块、电源供电系统模块和给水冷却管道模块。所述实验设备模块、所述工艺管道模块和所述给水冷却管道模块相互连接，并独立设置；所述实验设备模块包括原料罐、与所述原料罐相连接的原料罐加料阀、原料罐排空阀和产品罐排气阀，原料的一端经进料泵阀与进料泵相连接，进料泵的排出口分别接入预热器和进料回流阀；原料经预热器处理后经进料调节阀进入到塔釜中，塔釜的上部连接有塔釜加料阀，塔釜的下部连接有塔釜排空阀，塔釜中的残液经残液泵阀和残液泵流入预热器中；预热器中的残液经残液调节阀流入到残液罐中；残液罐与产品罐并列设置，残液罐的下端设有残液罐排空阀和残液回收阀，残液罐的上端设有残液罐排气阀；塔釜的上端部设有与冷凝器连接的管路从而将塔釜C102中排出的物质引入到冷凝器中；冷凝器的端部分别设有冷凝水调节阀、冷凝器排气阀和冷凝器排空阀；所述工艺管道模块包括多个细管道；所述给水冷却管道模块包括金属管道和非金属软管，所述金属管道和所述非金属软管用于输送冷却水，并将使用过后已经升温的所述冷却水排出；所述DCS控制系统模块包括一台管理计算机、多台监控计算机、两个控制柜和高速数据通道；所述管理计算机作为操作员站，用于监控系统总貌、控制分组、数据一览及故障诊断，所述监控计算机作为现场控制站，用于进行常规控制和操作，所述高速数据通道由大量数据传输线组成；所述电源供电系统模块由强电系统和弱电系统组成。

优选地，所述细管道具有多种规格尺寸，用于各模块之间的连接从而构成整体的成套设备。

优选地，所述实验设备模块中还设有产量计量泵和回流计量泵，回流计量泵与塔釜相连接；产量计量泵与产品罐相连接。

优选地，所述弱电系统包括弱电柜和配电线，用于传递信号所需要的电流和电压，所述弱电系统的主要特点是电流小，频率高，电压小。

优选地，所述DCS控制系统模块独立设置，并通过通讯线路与所述实验设备模块、所述工艺管道模块和所述给水冷却管道模块分别相连。

优选地，所述电源供电系统模块独立布置，并通过供电线路与所述实验设备模块、所述DCS控制系统模块和所述给水冷却管道模块相连。

本发明的另一方面，提供一种根据前述多功能过程装备DCS控制实验装置的控制实验方法，其中：

S1，实验装置的连接和检查：

S11、将实验装置的塔釜注入水；

S12、启动实验装置程序，启动实验程序进入监控画面；

S13、点击塔釜温度调节，并进入调整画面；

S2，在上位机程序界面调出PID窗体框，输入设定的温度值；

S3，在DSC控制实验装置中，进行PID参数设定，并根据实验情况反复调整P、I、D三个参数；

S4，比例调节P控制：

通过改变调节器的设定值来加入阶跃扰动，观察并记录在当前比例P时的余差和超调量；每当改变值P后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同P时的超调量σp，记录实验过程中各项数据绘成过渡过程曲线；

S5，比例积分调节PI控制：

S51、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分作用，观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下没有余差；

S52、固定比例P值，然后改变积分时间常数I值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录不同I值时的超调量σp；

S53、固定I于某一中间值，然后改变比例P的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp；

S54、选择预设的P和I值，使系统瞬态响应曲线为一条预设曲线；此预设曲线能通过把设定值由50％增加到60％来实现；

S6，比例微分调节器PD控制：

在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入微分作用；固定比例P值，改变微分时间常数D的大小，观察实验装置在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线；

S7，比例积分微分PID调节器控制：

S71、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分作用，使被调量回复到原设定值；减小P，并同时增大I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，实验装置的余差为零；

S72、在PI控制的基础上加上适量的微分作用，然后再对实验装置加扰动，比较所得的动态曲线与用PI控制时的不同处；

S73、选择合适的P、I和D，以获得一条预设的动态曲线；以及

S8，用临界比例度法调整PID调节器的参数。

进一步，所述PID调节器的参数调整包括：

S81、接好实验装置，逐渐减小调节器的比例度1/P，直到装置的被调量出现等幅振荡为止；如果响应曲线发散，则表示比例度1/P调得过小，应适当增大，使曲线出现等幅振荡为止；

S82、被调量作等幅振荡时的曲线，此时对应的比例度1/P就是临界比例，用δK表示；相应的振荡具有周期TK等幅振荡，周期就是临界振荡周期TK。

本发明的一种多功能过程装备DCS控制实验装置的有益特点如下：

(1)实验装置的工程化概念：本实验装置包含过程工业中应用最为广泛的液相产品分离设备，同时，也是过程控制中最有代表性的多变量复杂工业系统。本发明开发的实验装置是工业装置的缩影。

(2)控制方案的多样性：对于该实验装置，可以选择应用各种控制方案，如单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等常规控制方案与多回路控制、多变量解耦控制等复杂控制方案。

(3)控制装置选择的自主性：本控制实验装置采用控制对象与控制装置分离设计，可根据需要自主选择各种当代过程工业实际中应用广泛的控制装置。

(4)实验方案的开放性：对于该实验装置，既可以选择预定的控制方案进行控制实验；也可以自主搭建或开发新型的控制方案进行完全开放的实验。

附图说明

图1为本发明多功能过程装备DCS控制实验装置各模块之间的连接结构图；

图2为本发明多功能过程装备DCS控制实验装置的详细描述图。

主要附图标记：

实验设备模块1；工艺管道模块2；DCS控制系统模块3；电源供电系统模块4；给水冷却管道模块5。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种多功能过程装备DCS控制实验装置，如图1所示，包括实验设备模块1、工艺管道模块2、DCS控制系统模块3、电源供电系统模块4和给水冷却管道模块5。实验设备模块1、工艺管道模块2和给水冷却管道模块5相互连接，独立设置。

如图2所示实验设备模块5的示意图。实验设备模块5包括原料罐C103、与原料罐C103相连接的原料罐加料阀V1、原料罐排空阀V3和产品罐排气阀V2，原料罐C103的一端经进料泵阀V4与进料泵P101相连接，进料泵P101的排出口分别接入预热器E101和进料回流阀V5。原料经预热器E101处理后经进料调节阀V7进入到塔釜C102中，塔釜C102的上部连接有塔釜加料阀V8，塔釜C102的下部连接有塔釜排空阀V10，塔釜C102中的残液经残液泵阀V9和残液泵P102流入预热器E101中。原料罐加料阀V1向产品罐C105加料时打开，加料完成后关闭。塔釜加料阀V8用于某些实验不需要对原料进行预热时，可以从此处快速向塔釜加料残液回流阀、产品回流阀，如果某些实验中，残液或产品可以用于后续实验，或者成份和原料相同，没发生组分变化，可以重新循环至产品罐中，循环使用。如果不可以，采用排空阀排出。

另一方面，预热器E101中的残液经残液调节阀V17流入到残液罐C104中。残液罐C104与产品罐C105可以并列设置，残液罐C104的下端设有残液罐排空阀V20和残液回收阀V18,残液罐C104的上端设有残液罐排气阀。

塔釜C102的上端部设有与冷凝器E102连接的管路从而将塔釜C102中排出的物质引入到冷凝器E102中。冷凝器E102的端部分别设有冷凝水调节阀V12、冷凝器排气阀V11和冷凝器排空阀V13。冷凝器E102中的流出的介质具有至少三个流向：可以直接通过冷凝器排空阀V13排出，可以通过管路排入到塔釜C102，或者也可以通过管路流入到产品罐C105中。

本发明的装置中，冷凝器E102的两侧分别设有产量计量泵P104和回流计量泵P103，回流计量泵P103与塔釜C102相连接用于测量回流量。产量计量泵P104与产品罐C105相连接，用于对产品罐C105内的产品进行计量。

本发明的装置上还设有多个测量单元，包括：温度传感器TE1--TE11是一种测温装置，优选为热电偶；温度变送器TT1--TT11用来将传感器测量来的模拟信号转变成标准的电信号，以用于传输和后续的控制操作；液位测量装置LT1，流量计FI1--FI4，流量传感器FE5、流量控制器FIT5、压力传感器PT1和阀V1--V20等。其中，温度传感器TE1--TE11和温度变送器TT1--TT11分别通过串联连接，温度变送器TT1--TT11的数据直接采用数据线接入控制柜中，并最后传输盖计算机控制程序。

填料塔设置八层填料、液体分布器和液体再分布装置，不设气体分布装置，填料采用高效的不锈钢波纹丝网填料，不锈钢波纹丝网由相互垂直的不锈钢丝网波纹片组合而成。温度传感器和温度变送器用于监控各个塔釜C102位置的温度变化。残液罐C104和产品罐C105采用同一壳体分割而成，即节约成本又便于管道布置。预热器E101用于采用电加热的方式给填料塔的进料进行预先加热。冷凝器E102采用立式布置，减少容器的水平截面积，使得液位变换更明显，便于观察。产品计量泵P104和回流计量泵P103需设置在同一高度上，以免影响分程控制等实验的精确性。

工艺管道模块2主要包括多个细管道；电源供电系统模块4包括强电系统和弱电系统；给水冷却管道模块5包括金属管道和非金属软管，金属管道和非金属软管种类比较多，主要用于给各个设备输送冷却水，并将使用过后已经升温的冷却水排出；DCS控制系统模块3包括一台管理计算机、多台监控计算机、两个控制柜和高速数据通道；管理计算机作为操作员站，用于监控系统总貌、控制分组、数据一览及故障诊断，监控计算机作为现场控制站，用于进行常规控制和操作，高速数据通道由大量数据传输线组成。

细管道具有多种规格尺寸，用于不同走向的流体输送，用于各各模块之间，即各实验设备之间、各测量仪表之间以及设备和仪表之间的连接，从而构成整体的成套设备。

强电系统包括强电线路和强电柜，强电线路以市政用电为主，主要用来驱动实验设备中的大功率的电力设备。弱电系统包括弱电柜和配电线，用于传递信号所需要的电流和电压，弱电系统的主要特点是电流小，频率高，电压小。

DCS控制系统模块3独立设置，并通过通讯线路与实验设备模块1相连。电源供电系统4相对独立布置，并通过供电线路与实验设备模块1、DCS控制系统模块3和给水冷却管道模块5相连。

尽管上面结合附图1和附图2对于本发明的装置进行了举例说明，但是显然本发明的创新点不能固化为上述一种例举性的连接关系。本发明的多功能过程装备DCS控制实验装置，在控制系统的作用下，配合各个模块，调用不同的设备、不同的管道和不同的控制器，能够设计出并完成不同类型、不同目的、不同控制方法的实验项目，还可以实现不同设备联合使用来构建多种控制方法同时使用的复杂控制实验项目，具有功能丰富、可调性高、操作弹性大、适用范围广的优点，采用同一套装置可以实现几十种控制方案和控制实验，此设备即可以用于设计性实验，还可以用于一些综合性、创新性实验。

以下结合实施例对本发明进一步描述：

实施例一：

根据本发明的构思进行塔釜液位控制实验，通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理，分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线，定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。原料通过原料罐的加料阀注入原料罐中。启动进料泵，将料液注入塔釜中。也可将部分料液直接通过塔釜加料阀注入塔釜中。

塔釜液位控制实验作为一个闭环反馈单回路液位控制，采用DCS系统控制3。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制塔釜液位等于给定值所要求的高度。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制器参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例P调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分PI调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分PID调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能、快速性、稳定性等。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。

下面，描述具体操作过程中的步骤：

第一步，设备的连接和检查：

(1)将实验对象的塔釜注好原料。

(2)启动实验装置程序，启动实验程序进入监控画面。

(3)点击塔釜液位控制，并进入调整画面。

第二步，在上位机程序界面用鼠标点击调出PID窗体框，用鼠标按下自动按钮，在“设定值”栏中输入设定的液位。

第三步，比例调节控制

(1)设定给定值，调整P参数。

(2)待系统稳定后，对系统加扰动信号，在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。

(3)减小P重复步骤(2)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

(4)增大P重复步骤(2)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

(5)选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。接着，改变设定值，如设定值由50％变为60％，同样可以得到另一条过渡过程曲线。

(6)注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。

第四步，比例积分调节器PI控制

(1)在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不为0，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

(2)固定比例P值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。

(3)固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值P下的超调量σp。

(4)选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过程曲线。此曲线可通过改变设定值，如设定值由50％变为60％来获得。

第五步，比例积分微分调节PID控制

(1)在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把程序界面上设置D参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。

(2)选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，阶跃输入可由给定值从50％突变至60％来实现。

(3)在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。

通过塔釜液位控制实验，可以获得以下的实验有益效果：

1)作出P调节器控制时，不同P值下的阶跃响应曲线。

2)作出PI调节器控制时，不同P和Ti值时的阶跃响应曲线。

3)画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。

4)比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。

实施例二：

根据本发明的构思进行塔釜温度控制实验，了解单回路温度控制系统的组成与工作原理，研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用，改变P、PI、PD和PID的相关参数，观察它们对系统性能的影响。

本实施例二中，所要保持的恒定参数是塔釜温度给定值，即控制的任务是控制塔釜温度等于给定值。根据控制框图，采用DCS控制系统3。

下面，描述具体操作过程中的步骤：

第一步，设备的连接和检查：

(1))将实验对象的塔釜注入水。

(2)启动实验装置程序，启动实验程序进入监控画面。

(3)点击塔釜温度调节，并进入调整画面。

第二步，在上位机程序界面用鼠标点击调出PID窗体框，用鼠标按下自动按钮，在“设定值”栏中输入设定的温度值。

第三步，点击DSC控制系统中，上位机界面上的点击以下框体调出PID参数按钮，设定好给定值，并根据实验情况反复调整P、I、D三个参数，直到获得满意的测量值。

第四步，比例调节P控制

待基本不再变化时，通过改变调节器的设定值来加入阶跃扰动，观察并记录在当前比例P时的余差和超调量；每当改变值P后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同P时的超调量σp，记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线；

第五步，比例积分调节PI控制

(1)在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分作用，观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下没有余差；

(2)固定比例P值，然后改变积分时间常数I值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录不同I值时的超调量σp；

(3)固定I于某一中间值，然后改变比例P的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp；

(4)选择合适的P和I值，使系统瞬态响应曲线为一条预设曲线；此预设曲线能通过把设定值由50％增加到60％来实现。

第六步，比例微分调节器PD控制

在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入微分作用；固定比例P值，改变微分时间常数D的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。

第七步，比例积分微分PID调节器控制

(1)在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分作用，使被调量回复到原设定值。减小P，并同时增大I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，系统的余差为零。

(2)在PI控制的基础上加上适量的微分作用，然后再对系统加扰动，扰动幅值与前面的实验相同，比较所得的动态曲线与用PI控制时的不同处。

(3)选择合适的P、I和D，以获得一条较满意的动态曲线。

第八步，用临界比例度法调整PID调节器的参数

在实际应用中，PID调节器的参数调整包括：

(1)接好实验系统，逐渐减小调节器的比例度1/P，直到系统的被调量出现等幅振荡为止；如果响应曲线发散，则表示比例度1/P调得过小，应适当增大之，使曲线出现等幅振荡为止；

(2)被调量作等幅振荡时的曲线；此时对应的比例度1/P就是临界比例，用δK表示；相应的振荡具有周期TK等幅振荡，周期就是临界振荡周期TK。

通过实施例二的操作，可以获得以下有益效果：

1)用临界比例度法整定三种调节器的参数，并分别作出系统在这三种调节器控制下的阶跃响应曲线。

2)作出比例调节器控制时，不同P值时的阶跃响应曲线以及得到的结论。

3)分析PI调节器控制时，不同P和I值对系统性能的影响。

4)绘制用PD调节器控制时系统的动态波形。

5)绘制用PID调节器控制时系统的动态波形。

实施例三：

在本实施例三中，通过回流比自动控制实验，了解流量计的结构及其使用方法，熟悉单回路流量控制系统的组成，试了解比值控制在工业上的应用。

比值系统组成原理，是在各种生产过程中，需要使两种物料的流量保持严格的比例关系是常见的，例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。而且往往其中一个流量随外界负荷需要而变，另一个流量则应由调节器控制，使之成比例地改变，保证二者之比值不变。否则，如果比例严重失调，就可能造成生产事故，或发生危险。又如，以重油为原料生产合成氨时，在造气工段应该保持一定的氧气和重油比率，在合成工段则应保持氢和氮的比值一定。这些比值调节的目的是使生产能在最佳的工况下进行。

本实施例三的具体步骤包括：

1)设备的连接和检查：

(1)将实验对象的塔釜注好水。

(2)启动实验装置程序，启动实验程序进入监控画面。

(3)打开“冷却水调节”，使比例阀在100％的开度下一直工作。

(4)点击“提镏段温度控制”按钮，使加热器在80％的开度下工作，直到加热到有酒精蒸发出，开始下面的调节实验。

2)根据所需要的比例系数，设置好两个计量泵的比值关系，观察起动作及现象。

本实验需要先把回流比控制开关按钮打到“ON”状态，“回流槽液位控制”的输出到一定值。

实施例四：

在本实施例四中，通过冷却水流量控制实验，了解涡轮流量计的结构及其使用方法，熟悉单回路流量控制系统的组成。

涡轮流量计的工作原理是，当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而旋转，周期性地改变电磁感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号。在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流量和累积量的显示或积算。

在测量范围内，传感器的输出脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值称为仪表常数，用ξ(次/L)表示。每台传感器都经过实际标定，测得仪表常数值。当测出脉冲信号的频率f和某一段时间内的脉冲总数N后，分别除以仪表常数ξ(次/L)便可求得瞬时流量和累积流量Q(L)。

本实施例四的具体步骤包括：

1)设备的连接和检查：

(1)将实验对象的塔釜注好水。

(2)启动实验装置程序，启动实验程序进入监控画面。

(3)点击“冷却水调节”，并进入调整画面。

2)在上位机程序界面用鼠标点击调出PID窗体框，用鼠标按下自动按钮，在“设定值”栏中输入设定的流量值。

3)比例调节器P控制

(1)把调节器置于“手动”状态，积分时间常数为零，微分时间常数为零，设置相关的参数，使调节器工作在比例调节上。

(2)启动工艺流程并开启相关仪器和计算机系统，在开环状态下，利用调节器的手动操作按钮把被调量管道的流量调到给定值，一般把流量控制在流量量程的50％处。

(3)观察计算机显示屏上实时的响应曲线，待流量基本稳定于给定值后，即可将调节器由“手动”状态切换到“自动”状态，使系统变为闭环控制运行。待系统的流量趋于平衡不变后，加入阶跃信号，一般可通过改变设定值的大小来实现)。经过一段时间运行后，系统进入新的平稳状态。由记录曲线观察并记录在不同的比例P下系统的余差和超调量。

(4)记录程序中的实时曲线的过程数据，作出一条完整的过渡过程曲线，记录表格自拟。

4)比例积分调节器PI控制

(1)在比例调节控制实验的基础上，加上积分作用，即把“I”积分设置为一参数，根据不同的情况，设置不同的大小。观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下，系统的阶跃扰动无余差产生。

(2)固定比例P值，然后改变调节器的积分时间常数I值，观察加入阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同I值时的超调量σp。

(3)固定I于某一值，然后改变比例P的大小，观察加阶跃扰动后被调量的动态波形，并列表记录不同值的超调量。

(4)选择合适的P和I值，使系统对阶跃输入包括阶跃扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值，如把设定值由50％变为60％来获得。

通过上述操作，本实施例四可以获得：画出流量控制系统的实验线路图，绘出P调节器控制时，不同P值下的阶跃响应曲线，并能提供PI调节器控制时，不同P和Ti值时的阶跃响应曲线。

实施例五：

在本实施例五中，通过塔顶产品灌液位自动控制实验，实验熟悉在正作用下的单回路反馈控制系统的组成和工作原理，分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线，定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

本实施例五的具体步骤包括：

1)设备的连接和检查：

(1)将实验对象的塔釜注好水。

(2)启动实验装置程序，启动实验程序进入监控画面。

(3)点击“回流槽液位调节”，并进入调整画面。

2)在上位机程序界面用鼠标点击调出PID窗体框，用鼠标按下自动按钮，在“设定值”栏中输入设定的液位。

3)比例调节控制

(1)设定给定值，调整P参数。

(2)待系统稳定后，对系统加扰动信号，在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。

(3)减小P重复步骤(2)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

(4)增大P重复步骤(2)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。

(5)选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值，如设定值由50％变为60％，同样可以得到一条过渡过程曲线。

(6)注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。

4)比例积分调节器PI控制

(1)在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不为0，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。

(2)固定比例P值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形。

(3)固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值P下的超调量σp。

(4)选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过程曲线。此曲线可通过改变设定值，如设定值由50％变为60％来获得。

5)比例积分微分调节PID控制

(1)在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把程序界面上设置D参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。

(2)选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线，其中阶跃输入可由给定值从50％突变至60％来实现。

(3)在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。

通过本实施例五，可以绘出P调节器控制时，不同P值下的阶跃响应曲线；绘出PI调节器控制时，不同P和Ti值时的阶跃响应曲线；画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分的作用；比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。

通过以上结合本发明的几个具体实施例的描述可知，本发明提出的多功能过程装备DCS控制实验装置，可以实现积木化组装，可以按照需求增加或拆掉一些单元以扩展或缩小系统的规模，对实验装置的基本性能和功能没有影响，有利于学校和实验室分期分批修建与灵活调配。

以上是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种多功能过程装备DCS控制实验装置，包括实验设备模块、工艺管道模块、DCS控制系统模块、电源供电系统模块和给水冷却管道模块，所述实验设备模块、所述工艺管道模块和所述给水冷却管道模块相互连接，并独立设置；其特征在于，

所述实验设备模块包括原料罐、进料泵、预热器、塔釜、填料塔、残液泵、冷凝器、回流计量泵、产品计量泵、残液罐和产品罐；所述原料罐相连接的原料罐加料阀、原料罐排空阀和产品罐排气阀，所述原料罐的一端经进料泵阀与所述进料泵相连接，所述进料泵的排出口分别接入预热器和原料罐，所述进料泵的排出口通过进料回流阀与所述原料罐相连；预热器通过进料调节阀与填料塔相连，填料塔设置八层填料、液体分布器和液体再分布装置，温度传感器和温度变送器用于监控各个塔层位置的温度变化，填料塔的上端部设有与冷凝器连接的管路从而将塔釜蒸发出的气体物质引入到冷凝器中；填料塔的下端和塔釜相连，塔釜的下部连接有塔釜排空阀，塔釜中的残液经残液泵阀和残液泵流入预热器中；预热器中的残液经残液调节阀流入到残液罐中；残液罐与产品罐并列设置，残液罐通过残液回收阀与原料罐相连，产品罐通过产品回收阀与原料罐相连，残液罐的下端设有残液罐排空阀和残液回收阀，残液罐的上端设有残液罐排气阀；冷凝器的端部分别设有冷凝水调节阀、冷凝器排气阀和冷凝器排空阀；产品计量泵一端和产品罐相连，另一端和回流计量泵相连，回流计量泵通过传感器对填料塔进行控制；

所述工艺管道模块包括多个细管道；

所述给水冷却管道模块包括金属管道和非金属软管，所述金属管道和所述非金属软管用于输送冷却水，并将使用过后已经升温的所述冷却水排出；以及

所述DCS控制系统模块包括管理计算机、监控计算机、控制柜和高速数据通道；所述管理计算机作为操作员站，用于监控系统总貌、控制分组、数据一览及故障诊断，所述监控计算机作为现场控制站，用于进行常规控制和操作，所述高速数据通道由大量数据传输线组成；所述电源供电系统模块包括强电系统和弱电系统。

2.根据权利要求1所述的多功能过程装备DCS控制实验装置，其特征在于，所述细管道为具有多种规格尺寸的细管道，用于各模块之间的连接从而构成整体的成套设备。

3.根据权利要求2所述的多功能过程装备DCS控制实验装置，其特征在于，所述实验设备模块中还设有产量计量泵和回流计量泵，回流计量泵与塔釜相连接；产量计量泵与产品罐相连接。

4.根据权利要求3所述的多功能过程装备DCS控制实验装置，其特征在于，所述弱电系统包括弱电柜和配电线，用于传递信号所需要的电流和电压。

5.根据权利要求4所述的多功能过程装备DCS控制实验装置，其特征在于，所述DCS控制系统模块独立设置，并通过通讯线路与所述实验设备模块、所述工艺管道模块和所述给水冷却管道模块分别相连。

6.根据权利要求1、3或者4所述的多功能过程装备DCS控制实验装置，其特征在于，所述电源供电系统模块独立布置，并通过供电线路与所述实验设备模块、所述DCS控制系统模块和所述给水冷却管道模块相连。

7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的多功能过程装备DCS控制实验装置的控制实验方法，其特征在于，

S1，实验装置的连接和检查：

S11、将实验装置的塔釜注入原料和对应的水；

S12、启动DSC控制实验装置中的实验程序，进入监控画面；

S13、根据不同实验目的，点击对应调节按钮，并进入对应调整画面；

S2，在上位机程序界面调出PID窗体框，输入设定的值；

S3，在DSC控制实验装置中，可根据不同的实验目的和要求，对P、PI、PD和PID四种调节器进行相应参数设定；

S4，比例调节P控制：

S41、把调节器置于“手动”状态，设置相关的参数，使调节器工作在比例调节上；

S42、设定给定的参数值；

S43、观察计算机显示屏上实时的响应曲线，待流量基本稳定于给定值后，即可将调节器由“手动”状态切换到“自动”状态，使系统变为闭环控制运行；

S44、待系统的流量趋于平衡不变后，加入阶跃信号，经过一段时间运行后，系统进入新的平稳状态，观察并记录在不同的比例P下系统的余差和超调量σp；

S5，比例积分调节PI控制：

S51、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分作用，观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下没有余差；

S52、固定比例P值，然后改变积分时间常数I值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录不同I值时的超调量σp；

S53、固定I于某一中间值，然后改变比例P的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp；

S54、选择预设的P和I值，使系统瞬态响应曲线为一条预设曲线；此预设曲线能通过把设定值由50％增加到60％来实现；

S6，比例微分调节器PD控制：

在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入微分作用；固定比例P值，改变微分时间常数D的大小，观察实验装置在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线；

S7，比例积分微分PID调节器控制：

S71、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分作用，使被调量回复到原设定值；减小P，并同时增大I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在PI调节器作用下，实验装置的余差为零；

S72、在PI控制的基础上加上适量的微分作用，然后再对实验装置加扰动，比较所得的动态曲线与用PI控制时的不同处；

S73、选择合适的P、I和D，以获得一条预设的动态曲线；以及

S8，用临界比例度法调整PID调节器的参数。

8.根据权利要求7所述的多功能过程装备DCS控制实验装置的控制实验方法，其特征在于，

所述PID调节器的参数调整包括：

S81、接好实验装置，逐渐减小调节器的比例度1/P，直到装置的被调量出现等幅振荡为止；如果响应曲线发散，则表示比例度1/P调得过小，应适当增大，使曲线出现等幅振荡为止；

S82、被调量作等幅振荡时的曲线，此时对应的比例度1/P就是临界比例，用δK表示；相应的振荡具有周期TK等幅振荡，周期就是临界振荡周期TK。