CN110599848A

CN110599848A - 自动化仿真实验系统

Info

Publication number: CN110599848A
Application number: CN201910983288.1A
Authority: CN
Inventors: 孙良; 刘居波
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2019-12-20

Abstract

本发明公开了一种自动化仿真实验系统，涉及自动化仿真实验技术领域，其包括实验箱和工业触摸屏，所述实验箱主要完成被控对象的数学建模和信号输入和输出功能，工业触摸屏完成人机交互，选择和设置被控对象，可直观形象显示被控对象或装置的工作过程。该自动化仿真实验系统可与PLC、集散控制系统、数字调节器以及工控机配合使用，构建各种简单或复杂的控制系统，完成控制方案的实施和调试不仅可用于多门专业课如《过程控制仪表与装置》和《过程控制工程》等课程的实验教学，还可用于综合实验和毕业设计等实践教学环节。

Description

自动化仿真实验系统

技术领域

本发明涉及自动化仿真实验技术领域，具体为一种自动化仿真实验系统。

背景技术

实验教学是工科院校人才培养必不可少的一个环节，不仅有助于理论知识的理解和应用，更是在培养学生实践能力和创新能力等方面发挥着巨大的作用。自动化专业的实践教学不仅包括各种专业课如过程控制工程、过程控制仪表与装置、计算机控制等专业课的实验教学，还包括许多实践环节如综合实验、专业课程设计和毕业设计等，在这些实践教学中，被控对象是必不可少的，尤其目前在自动化专业认证中特别强调了对复杂工程问题的分析和解决，这些都对被控对象的复杂性、灵活性和多样性提出了更高的要求。

目前现有的被控对象主要有全实物仿真装置、半实物仿真装置和全软件仿真装置。全实物仿真装置如青岛金博士过程控制实验装置。全实物仿真装置直观形象，但是占地面积大，接线固定，无法移动，且维护量大，仪表和器件容易损坏，故障率高。半实物仿真装置价格昂贵，同样也是体积庞大，不便于移动，使用灵活性差。全软件的仿真装置需占用一台计算机，成本高，且没有输入输出接线，导致学生的动手能力难以得到训练。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种自动化仿真实验系统，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种自动化仿真实验系统，包括实验箱和工业触摸屏，所述实验箱主要完成被控对象的数学建模和信号输入和输出功能，工业触摸屏完成人机交互，选择和设置被控对象，可直观形象显示被控对象或装置的工作过程，实验箱内置PLC主机模块、AI模块、AO模块和开关电源模块，开关电源输出24V直流电源为AI、AO模块和工业触摸屏供电，采用西门子S7200作为主机模块，通过扩展电缆连接AI和AO模块，这些I/O接口用于模拟被控对象上的输入或输出，实验箱的面板布局包括模拟量输入和输出端子、开关量输入和输出端子、测试电流信号、测试开关和指示灯，所有输入和输出接口均为标准信号接口。

优选的，所述标准信号接口的具体类型和数量为XT01～09为9路模拟量输出，输出标准的4～20mA电流，用于模拟被控对象的变送器输出，XV01～10为10路模拟量输入，可接收4～20mA或1～5V信号，对应被控对象内的执行器或调节阀开度，XDV01～10为10路开关量输入，直流24V输入，对应被控对象内的电磁阀，XA01～09为9路开关量输出，为继电器输出类型。

优选的，所述自动化仿真实验系统可以为控制系统提供多种被控对象，包括液罐、双容水箱、加热炉以及热水供应系统，实际范围除被控对象外，还包括变送器和执行器。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于：

1、该自动化仿真实验系统，充分利用PLC强大的运算和信号处理能力完成液罐和加热炉简单或复杂装置的数学建模，采用PLC高可靠性的模拟量和开关量输入输出接口模拟变送器和执行器等的输入或输出，采用色彩鲜艳、显示美观的触摸屏作为仿真实验系统的人机界面，该系统可与PLC、集散控制系统、数字调节器以及工控机配合使用，构建各种简单或复杂控制系统，完成控制方案的实施和调试。不仅可用于多门专业课如《过程控制仪表与装置》和《过程控制工程》等课程的实验教学，还可用于综合实验和毕业设计等实践教学环节，该系统的使用大大增强了学生对实际生产装置的直观认识，锻炼了学生的动手操作能力。

2、该自动化仿真实验系统，采用仿真技术模拟各种被控对象或装置的工作过程，无需进行设备和仪表的维护，节省实验人员的人力和物力，具有体积小重量轻，方便搬运的特点，可在各实验室轮换使用。

该自动化仿真实验系统，每个被控对象的参数均可进行设置，如装置的尺寸、调节阀的流量系数、执行器/调节阀和电磁阀的控制方式(内控/外控)，在进行实验时，既使使用同一种被控对象，对象的参数不同，控制方案和实施效果也不同，避免实验数据和曲线的雷同和抄袭，也有利于让学生思考控制方案的实施与仪表选型之间的内在联系。

3、实验箱面板上带有各种测试信号，方便测试控制效果，无需采用额外的设备。

附图说明

图1为本发明自动化仿真实验系统的应用示意图；

图2为本发明自动化仿真实验系统组成示意图；

图3为本发明实验箱系统构成示意图；

图4为本发明实验箱面板布局示意图；

图5为本发明系统选择界面图示意图；

图6为本发明被控对象设置界面示意图；

图7为本发明实施例一加热炉仿真系统示意图；

图8为本发明实施例二热水供应系统示意图；

图9为本发明自动化仿真实验系统的封装示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-9所示，本发明提供一种技术方案：一种自动化仿真实验系统，包括实验箱和工业触摸屏，其特征在于：所述实验箱主要完成被控对象的数学建模和信号输入和输出功能，工业触摸屏完成人机交互，选择和设置被控对象，可直观形象显示被控对象或装置的工作过程，实验箱内置PLC主机模块、AI模块、AO模块和开关电源模块，开关电源输出24V直流电源为AI、AO模块和工业触摸屏供电，采用西门子S7200作为主机模块，通过扩展电缆连接AI和AO模块，这些I/O接口用于模拟被控对象上的输入或输出，实验箱的面板布局包括模拟量输入和输出端子、开关量输入和输出端子、测试电流信号、测试开关和指示灯，所有输入和输出接口均为标准信号接口，具体类型和数量见表1所示，所述标准信号接口的具体类型和数量为XT01～09为9路模拟量输出，输出标准的4～20mA电流，用于模拟被控对象的变送器输出，如液位、流量、温度、压力和成分等变送器，XV01～10为10路模拟量输入，可接收4～20mA或1～5V信号，对应被控对象内的执行器或调节阀开度，XDV01～10为10路开关量输入，直流24V输入，对应被控对象内的电磁阀，XA01～09为9路开关量输出，为继电器输出类型，为继电器输出类型，对应被控对象内的各种报警信号，面板上还提供几类测试信号用于对被控对象进行测试，如2路信号发生器用于提供0～20mA电流测试信号，4个开关和4个指示灯用于对被控对象的电磁阀和报警指示等进行测试，所述自动化仿真实验系统可以为控制系统提供多种被控对象，包括单容水箱或液罐、双容水箱、加热炉以及热水供应系统，实际范围除被控对象外，还包括变送器和执行器。

表1输入输出端子名称和数量

自动化仿真实验系统通电后即可进入图5所示的系统选择界面，选择所需的被控对象，然后进入图6所示的被控对象设置界面，可设置装置的尺寸、阀的流量系数，改变阀的内控和外控方式，内控是指运行后从触摸屏设置阀的开度，外控指从实验箱面板的端子接收信号，如位号为V101的调节阀，外控时是从端子XV01接收4～20mA或1～5V信号来控制阀的开度。根据设置界面被控对象上调节阀和变送器的位号和端子编号完成与控制装置(可编程控制器、集散控制系统、数字调节器、工控机等)的接线，如液位变送器LT101对应面板的端子XT01，需要将XT01的两个端子与控制装置的模拟量输入端子相连，才能获得液位的数据，被控对象设置完后，可进入被控对象运行界面，点击运行按钮可开始模拟设备的启动和运行过程。

实施例一

图7所示的加热炉仿真系统，不仅按能量平衡给出加热炉物料出口温度的变化，同时对燃料的燃烧、炉膛辐射和对流放热、烟气的流动等进行了模拟，可反映炉膛负压、炉膛温度和烟气出口氧含量的变化，在构建控制系统时，需要严格按步骤完成开车过程，否则会出现爆炸、结焦等事故，开车成功后，再完成升温过程，不仅需要考虑炉出口温度的变化，还需要关注燃烧系统的影响，避免出现冒黑烟、熄火等事故，保证炉子节能环保高效的运行，仿真系统针对各种故障给出警示提示，并强制停车。

加热炉的控制需要严格按开车步骤投运，涉及到的开关量控制较多，控制方案上需要比值、选择、串级、前馈等多种复杂控制系统，并需要考虑安全、节能和环保需求，避免发生爆炸、结焦、冒黑烟、熄火等事故，主要用于毕业设计和综合实验等实践环节。

实施例二

图8所示的热水供应系统以实际宾馆的热水供应为工程背景，便于学生理解工艺和控制的需求，进行控制之前，首先需要根据房间和用户数量计算保温水箱的尺寸、加热器的功率和调节阀流量系数，再根据高低峰用水工况进行控制系统的设计和实施，保证一天24小时不间断的稳定热水供应。

热水供应系统的控制需要严格的开车过程，在控制方案设计上不仅是完成温度和液位的耦合控制，还需要根据用水高低峰工况完成补水、回水、切换等操作，控制效果直接影响运行成本例如耗电量，需要学生对投入成本例如保温水箱容量和加热器功率、运行成本进行经济核算和均衡，有助于培养学生的非技术因素，该系统控制方案的设计与实施可用于时间充裕的综合实验和毕业设计等实践环节。

本系统有多个被控对象，可根据教学环节进行选择。

表1自动化仿真实验系统适合的教学环节

液罐和双容水箱流程较为简单，多用于课程的实验教学，如控制装置或组态软件等的使用入门、简单或复杂控制方案的测试。加热炉和热水供应系统流程较为复杂，适用于毕业设计和综合实验等实践环节，用于实现完整的控制方案的设计与实施。

本系统体积小重量轻，封装尺寸如图9所示，整体封装重量为9kg，方便搬运，可在各实验室轮换使用，与各种PLC或DCS等控制装置配合适用，扩大了设备的应用范围。

本系统对象参数可变，测试方便，使用灵活，被控对象的每个调节阀、电磁阀都可更改控制方式，方便选择操纵变量和干扰信号，控制方案更改灵活方便。此外实验箱面板上带有各种测试信号，方便测试控制效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自动化仿真实验系统，包括实验箱和工业触摸屏，其特征在于：所述实验箱主要完成被控对象的数学建模和信号输入和输出功能，工业触摸屏完成人机交互，选择和设置被控对象，可直观形象显示被控对象或装置的工作过程，实验箱内置PLC主机模块、AI模块、AO模块和开关电源模块，开关电源输出24V直流电源为AI、AO模块和工业触摸屏供电，采用西门子S7200作为主机模块，通过扩展电缆连接AI和AO模块，这些I/O接口用于模拟被控对象上的输入或输出，实验箱的面板布局包括模拟量输入和输出端子、开关量输入和输出端子、测试电流信号、测试开关和指示灯，所有输入和输出接口均为标准信号接口。

2.根据权利要求1所述的自动化仿真实验系统，其特征在于：所述标准信号接口的具体类型和数量为XT01～09为9路模拟量输出，输出标准的4～20mA电流，用于模拟被控对象的变送器输出，XV01～10为10路模拟量输入，可接收4～20mA或1～5V信号，对应被控对象内的执行器或调节阀开度，XDV01～10为10路开关量输入，直流24V输入，对应被控对象内的电磁阀，XA01～09为9路开关量输出，为继电器输出类型。

3.根据权利要求1所述的自动化仿真实验系统的应用，其特征在于：所述自动化仿真实验系统可以为控制系统提供多种被控对象，包括液罐、双容水箱、加热炉以及热水供应系统，实际范围除被控对象外，还包括变送器和执行器。