CN1260692C - 系统集成过程控制及通信实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系统集成过程控制及通信实验系统，它由液位——流量过程控制装置、温度——流量过程控制装置、压力过程控制装置三个被控对象和液位、流量、温度、压力四种被控参数，集成于一个对象参数集成系统及由仪表控制、PLC控制、计算机控制、虚拟仪器控制四种控制方式集成于一个控制方式集成系统；三个被控对象的四种被控参数由不同的变送器测得的信号，经A/D转换后分别送入到四种不同方式控制系统，经系统集成上位机集成后送入数据通信模块，实现实验室局域网通信，并通过网络或公用电话网实现了和任何一处客户端进行数据传输和通信。也可通过网络将其扩展为多个终端，扩大实验人数，提高实验系统的利用率和功效。

Description

系统集成过程控制及通信实验系统

技术领域

本发明涉及一种系统集成过程控制及通信实验系统，属实验装置技术领域。

背景技术

本实验系统是为自动化专业、电气信息类专业和计算机应用专业开发的一套实验系统。以上这些专业属工程类专业，工程应用性较强，在学习自动控制原理和过程控制课程时，必须进行过程控制的实验及工程训练。但目前在教学实验中存在以下一些问题：

1.现有的实验装置都为一个个独立的装置，相互之间没有联系，和实际工程中的复杂系统相差较远。

2.一些实验装置的控制手段单一，仍以仪表控制为主，对计算机控制和虚拟仪器控制应用甚少，多种控制手段都能实现控制目前还没有。

3.一般仅为过程控制课程开设实验，而不能将过程控制、通信技术、计算机控制技术以及网络技术多门课程的实验交叉化，因此实验相对比较简单。

4.新技术应用较少，包括虚拟仪器技术、通信和网络技术以及系统集成技术等。

发明内容：

本发明的目的是为了克服目前在该课程实验中的技术缺点，提供一种采用系统集成技术，通信和网络技术的过程控制系统集成和通信系统。

本发明的技术方案特点是：它由液位—流量过程控制装置、温度—流量过程控制装置、压力过程控制装置三个被控对象和液位、流量、温度、压力四种被控参数集成于一个对象参数集成系统及由单一的控制方式发展为仪表控制、PLC控制、计算机控制、虚拟仪器控制四种控制方式集成于一个控制方式集成系统；液位—流量过程控制装置、温度—流量过程控制装置、压力过程控制装置三个被控对象的四种被控参数由不同的变送器测得信号经A/D转换后分别送入到四种方式控制系统，经系统集成上位机系统集成后送入数据通信模块，实现实验室局域网通信，并通过网络或公用电话网实现数据传输和通信。

上述的三个被控对象分别可组合成一阶、二阶、串接、比例多种控制模式。三个被控对象的实际参数通过变送器检测、测得的信号送入数据采集模块，经A/D转换后的数字信号可分别送数字调节仪表、PLC控制器、计算机或虚拟仪器进行数字滤波、多输入通道的信号分离数据处理模块进行数据处理，经处理后的信号进行控制算法运算，运算后的输出信号经A/D转换后，经电/气转换器转换成气压信号推动气动阀门，将被控参数调整至目标值。同时该运算后的输出信号经数据交换器输入系统集成上位机。系统集成上位机接收信号后进行集成处理，集成后信号在显示屏上集成显示；并将信号送入数据通信模块，利用专用网络或公共电话网和客户端进行通信；将集成后信号进行处理，根据操作者要求可发出改变设定值，改变PID参数，改变控制方式等信号，再经数据交换器反馈给控制器。

由于本发明应用了系统集成新技术，使控制方式由单一的控制方式发展为仪表控制、PLC控制、计算机控制、虚拟仪器控制四种控制方式集成的控制方式集成系统；并将一台装置的单一控制系统集成为液位—流量、温度—流量、压力三种过程控制装置，液位、流量、温度、压力四种被控参数的对象参数集成系统。将分散的各个控制系统集成为一个大系统。本发明应用了网络与通信技术利用网络或公用电话线实现了和任何一处客户端的数据传输和通信，也可通过网络将其扩展为多个终端，扩大实验人数提高实验系统的利用率和功效。

附图说明

图1为系统集成过程控制及通信实验系统图。

具体实施方式

由图1所示，本发明它由液位—流量过程控制装置、温度—流量过程控制装置、压力过程控制装置三个被控对象，液位、流量、温度、压力四种被控参数集成于一个系统的对象参数集成系统及由单一的控制方式发展为仪表控制、PLC控制、计算机控制、虚拟仪器控制四种控制方式集成于一个系统的控制方式集成系统。上述的三个被控对象分别可组合成一阶、二阶、串接、比例多种控制模式。三个被控对象的实际参数通过变送器检测、测得的信号送入数据采集模块，经A/D转换后的数字信号可分别送数字调节仪表、PLC控制器、计算机或虚拟仪器进行数字滤波、多输入通道的信号分离等数据处理模块进行数据处理，经处理后的信号进行控制算法运算，运算后的输出信号经A/D转换后，经电/气转换器转换成气压信号推动气动阀门，将被控参数调整至目标值。同时该运算后的输出信号经数据交换器输入系统集成上位机。系统集成上位机接收信号后进行集成处理，集成后信号在显示屏上集成显示；并将信号送入数据通信模块，利用专用网络或公共电话网和客户端进行通信；将集成后信号进行处理，根据操作者要求可发出改变设定值，改变PID参数，改变控制方式等信号，再经数据交换器反馈给控制器。

本实验系统进一步的描述，它由9部分组成，其组成如下：

1.液位——流量过程控制装置包括：

液位上、下水槽，转子流量计，扩散硅压力变送器，气动调节阀，减压阀，电/气转换器，循环水泵，电压/频率转换器。

2.温度——流量过程控制装置包括：

内外套筒式水加热器，转子流量计，热电阻温度计，气动调节阀，减压阀，电/气转换器，循环水泵，温度变送器，电压/频率转换器，可控硅电功率调节电路。

3.压力过程控制装置包括：

大、小压力容器，扩散硅压力变送器，气动调节器，减压阀，电/气转换器。

4.仪表控制系统包括：

单回路数字调节器，串接数字调节器，A/D、D/A转换器。

5.PLC(可编程控制器)控制系统包括：

PLC控制器，A/D、D/A模块，模拟量控制模块，通信模块，通信线，计算机，PLC控制软件。

6.计算机控制系统包括：

A/D、D/A模块，计算机，计算机控制软件，计算机组态软件。

7.虚拟仪器控制系统包括：

数据采集模块，包括多输入通道数据分离、数字滤波处理的数据处理模块、包括常规PID、积分分离PID算法的控制算法模块、和上位机通信模块。

8.系统集成上位机系统包括：

工业控制计算机、数据交换器、组态软件、数据处理软件、各系统显示软件、通信软件、网络控制软件。

9.数据通信模块包括：

通信接口、网络控制软件。

本发明可完成以下实验系列：

1.仪表控制实验系列：

(1)单回路液位一阶、二阶仪表控制实验；

(2)单回路流量仪表控制实验；

(3)液位——液位串级仪表控制实验；

(4)液位——流量串级仪表控制实验；

(5)流量比例仪表控制系统；

(6)单回路温度一阶、二阶仪表控制实验；

(7)温度——温度串接仪表控制实验；

(8)温度——流量串接仪表控制实验；

(9)单回路压力一阶、二阶仪表控制实验；

(10)压力——压力串接仪表控制实验；

2.PLC控制实验系列：

(1)单回路液位一阶、二阶PLC控制实验；

(2)单回路流量PLC控制实验；

(3)液位——液位串级PLC控制实验；

(4)液位——流量串级PLC控制实验；

(5)流量比例PLC控制系统；

(6)单回路温度一阶、二阶PLC控制实验；

(7)温度——温度串接PLC控制实验；

(8)温度——流量串接PLC控制实验；

(9)单回路压力一阶、二阶PLC控制实验；

(10)压力——压力串接PLC控制实验；

3.计算机控制实验系列：

(1)单回路液位一阶、二阶计算机控制实验；

(2)单回路流量计算机控制实验；

(3)液位——液位串级计算机控制实验；

(4)液位——流量串级计算机控制实验；

(5)流量比例计算机控制系统；

(6)单回路温度一阶、二阶计算机控制实验；

(7)温度——温度串接计算机控制实验；

(8)温度——流量串接计算机控制实验；

(9)单回路压力一阶、二阶计算机控制实验；

(10)压力——压力串接计算机控制实验；

4.虚拟仪器控制实验系列：

(1)单回路液位一阶、二阶虚拟仪器控制实验；

(2)单回路流量虚拟仪器控制实验；

(3)液位——液位串级虚拟仪器控制实验；

(4)液位——流量串级虚拟仪器控制实验；

(5)流量比例虚拟仪器控制系统；

(6)单回路温度一阶、二阶虚拟仪器控制实验；

(7)温度——温度串接虚拟仪器控制实验；

(8)温度——流量串接虚拟仪器控制实验；

(9)单回路压力一阶、二阶虚拟仪器控制实验；

(10)压力——压力串接虚拟仪器控制实验；

5.系统集成实验系列：

(1)系统组态实验；

(2)系统通信实验；

(3)对子系统设定值和PID参数的修改实验；

6.通信实验系列：

(1)上位机与各控制系统的数据通信实验；

(2)利用公用电话网和客户端的通信。

7.系统辨识实验系列：

(1)液位——流量系统的系统辨识；

(2)温度——流量系统的系统辨识；

(3)压力系统的系统辨识；

本发明的特点：

1.采用了系统集成新技术将各个装置、各种控制方式集成在一个系统中，实现集成系统的统一控制和管理。

2.本发明实行集中与分散控制相结合的方式，既可实现各个装置、各种方式的分散控制，也可由集成系统对各个控制装置实验数据监控和参数设定。

3.采用四种控制方式(仪表控制、PLC控制、计算机控制、虚拟仪器控制)对四个控制量(液位、流量、温度、压力)实现了过程控制，这四种控制方式和控制量是工业生产中目前使用的最有代表性的控制方式和控制量，学生通过实验可得到较为全面的工程训练。

4.实验装置采用的仪表、变送器、控制阀等设备均为工业设备，让学生对工业设备有一个鲜明的感性认识，并可通过仪表调校等手段，让学生对工业设备有更多的了解，培养学生使用工业设备的动手能力。

5.实验装置采用面板插件结构，学生通过插件连线可组合成各种系统，达到了设计型实验的教学要求。电器部分加装有机玻璃后盖和触电保护开关，保证实验的安全性。

本发明的实施实例

本发明的实施实例以液位单回路控制为例，结合附图说明。在单回路液位控制中要控制的是水槽的液位高度，此高度由实验者在仪表、计算机的控制界面上设定。液位水槽的实际水位高度通过变送器测得，经变化为标准电流信号后送入A/D转换单元转换为数字信号，该信号输入至由四种控制方式(仪表控制、PLC控制、计算机控制、虚拟仪器控制)组成的集成控制系统，由实验者根据需要选择一种控制方式进行控制。以计算机控制为例，数字信号输入以后，计算机将对该信号进行数字滤波、多信道信号分离、PID运算等数据处理。处理后的数据分成两路，一路作为反馈信号经D/A转换后，输入调节阀，使调节阀开启或关闭，使水的流量根据计算机的运算结果调整变化，从而让水槽的实际水位达到实验者的要求。处理后的数据另一路，经数据交换机进入系统集成上位机(这是一个大的集成系统，或称控制对象参数集成系统)。该上位机将三个控制装置不同控制对象的数据统一组态，并在系统集成显示器上显示。上位机还将数据送入数据通信模块，通过公用电话网或专用网和远程客户端的客户经客户应用进程进行通信。同时因为数据通信是双向的，因此上位机或客户也可以输出信号以改变液位的设定值，或改变控制参数。

Claims (11)

1、一种系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，它由液位——流量过程控制装置、温度——流量过程控制装置、压力过程控制装置三个被控对象和液位、流量、温度、压力四种被控参数集成于一个系统的对象参数集成系统及由单一的控制方式发展为仪表控制、PLC控制、计算机控制、虚拟仪器控制四种控制方式集成于一个系统的方式集成系统；液位——流量过程控制装置、温度——流量过程控制装置、压力过程控制装置三个被控对象，液位、流量、温度、压力四种被控参数由不同的变送器测得的信号经A/D转换后分别送入到四种方式控制系统，经系统集成上位机集成后送入数据通信模块，实现实验室局域网通信，并通过网络或公用电话网实现数据传输和通信。

2、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的三个被控对象分别可组合成一阶、二阶、串接、比例多种控制模式，三个被控对象的实际参数通过变送器检测、测得的信号送入数据采集模块，经A/D转换后的数字信号可分别送数字调节仪表、PLC控制器、计算机或虚拟仪器进行数字滤波、多输入通道的信号分离数据处理模块进行数据处理，经处理后的信号进行控制算法运算，运算后的输出信号经A/D转换后，经电/气转换器转换成气压信号推动气动阀门，将被控参数调整至目标值，同时该运算后的输出信号经数据交换器输入系统集成上位机，系统集成上位机接收信号后进行集成处理，集成后信号在显示屏上集成显示并将信号送入数据通信模块，利用专用网络或公共电话网和客户端进行通信；将集成后信号进行处理，根据操作者要求可发出改变设定值，改变PID参数，改变控制方式信号，再经数据交换器反馈给控制器。

3、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的液位——流量过程控制装置包括：液位上、下水槽，转子流量计，扩散硅压力变送器，气动调节阀，减压阀，电/气转换器，循环水泵，电压/频率转换器。

4、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的温度——流量过程控制装置包括：内外套筒式水加热器，转子流量计，热电阻温度计，气动调节阀，减压阀，电/气转换器，循环水泵，温度变送器，电压/频率转换器，可控硅电功率调节电路。

5、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的压力过程控制装置包括：大、小压力容器，扩散硅压力变送器，气动调节器，减压阀，电/气转换器。

6、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的仪表控制系统包括：单回路数字调节器，串接数字调节器，A/D、D/A转换器。

7、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的PLC(可编程控制器)控制系统包括：PLC控制器，A/D、D/A模块，模拟量控制模块，通信模块，通信线，计算机，PLC控制软件。

8、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的计算机控制系统包括：A/D、D/A模块，计算机，计算机控制软件，计算机组态软件。

9、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的虚拟仪器控制系统包括：数据采集模块，包括多输入通道数据分离、数字滤波处理的数据处理模块、包括常规PID、积分分离PID算法的控制算法模块、和上位机通信模块。

10、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的系统集成上位机系统包括：工业控制计算机、数据交换器、组态软件、数据处理软件、各系统显示软件、通信软件、网络控制软件。

11、根据权利要求1所述的系统集成过程控制及通信实验系统，其特征在于，所述的数据通信模块包括：通信接口、网络控制软件。