一种热工过程PID温度控制教学实验台的制作方法

本发明涉及热工过程自动控制教学设备技术领域，尤其涉及一种热工过程pid温度控制教学实验台。

背景技术：

现有的热工自动化过程控制实验装置，大部分属于自控领域，通过信号发生器、虚拟机和计算机仿真实验演示有关热工自动控制过程，并没有实际的热工过程发生，部分实验装置引入了小型锅炉(热水器)、水箱、换热盘管等实际热工组件构建热工循环过程，但因造价高昂、需要依托计算机才能完成实验过程、占地较大而推广受限，其多样性的功能也超出了一般教学所需，即使购置使用也是数量有限，无法满足实验教学实际需求。现有的温度控制实验装置也不能完全诠释滞后性特别大的热工系统中pid调节的重要性和直观演示不同控制方式带来的调节效果。

因此，针对最为常见的热工过程，即供热系统的温度控制，设计一种低成本的专用pid温度控制教学实验台用于教学是很有必要。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种热工过程pid温度控制教学实验台，用以解决现有技术中热工自动化过程控制实验装置因造价高昂、需要依托计算机才能完成实验过程、占地较大而难以推广的问题。

本发明实施例提供一种热工过程pid温度控制教学实验台，包括：面板和安装在所述面板上的模拟热工过程水力循环系统以及pid温度控制系统；其中，

所述模拟热工过程水力循环系统包括依次连接的循环泵、流量计、加热装置和散热器；

所述pid温度控制系统包括pid温度控制仪和调压模块，所述pid温度控制仪通过所述调压模块与所述加热装置连接。

其中，还包括热工参数采集系统，所述热工参数采集系统包括温度巡检仪、温度传感器和电功率计，所述温度传感器分别安装于所述加热装置的进口、所述加热装置的出口、所述散热器的进口、所述散热器的出口、加热装置外壁以及所述热工过程pid温度控制教学实验台所处环境中，所述温度巡检仪与各所述温度传感器连接，所述电功率计用于监测加热装置的功率。

其中，还包括过滤水箱，所述过滤水箱连接在所述循环泵与所述散热器之间。

其中，所述过滤水箱为高位过滤水箱，所述高位过滤水箱安装于所述面板的顶部。

其中，还包括排气补水阀，所述排气补水阀安装于所述高位过滤水箱的顶部。

其中，还包括三通阀和延长管路，所述三通阀的第一端连接在加热装置的一端，所述三通阀的第二端连接在所述延长管路的一端，所述散热器的一端分别连接在所述三通阀的第三端和所述延长管路的另一端。

其中，还包括第一排水阀和第二排水阀，所述第一排水阀连接在所述循环泵的底端，所述第二排水阀连接在所述散热器的底端。

其中，还包括触摸显示屏，所述电功率计、所述pid温度控制仪、所述温度巡检仪均采用rs-485串行总线标准，所述触摸显示屏具有rs-485端口，且分别与所述电功率计、所述pid温度控制仪、所述温度巡检仪连接。

其中，所述温度巡检仪包括高温报警信号al2，所述循环泵包括水流信号al3，且所述高温报警信号al2和所述水流信号al3均串联接入所述加热装置的供电回路。

其中，还包括支脚，所述支脚分别安装于所述面板底部的两端。

本发明实施例提供的一种热工过程pid温度控制教学实验台，整个实验台的所有部件全部固定在面板上，结构紧凑小巧，便于携带，成本低廉，调控效果明显，满足学生观察和掌控不同控制方式对被控温度的控制效果的实验教学要求，也为电子化实验报告提供数据保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种热工过程pid温度控制教学实验台的结构示意图；

图2为本发明一种热工过程pid温度控制教学实验台的面板视图；

图3为本发明一种热工过程pid温度控制教学实验台的电路设计图。

图中：1、循环泵；2、转子流量计；3、电加热管；4、三通阀；5、延长管路；6、风冷散热器；7、高位过滤水箱；8、排气补水阀；9、第一排水阀；10、第二排水阀；11、第一测温口1；12、第二测温口4；13、测温探头引出口；14、触摸显示屏；15、电气开关；16、测量仪表；17、面板；18、支脚。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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1-3所示，本发明公开一种热工过程pid温度控制教学实验台，包括：面板17和安装在所述面板17上的模拟热工过程水力循环系统以及pid温度控制系统；其中，

所述模拟热工过程水力循环系统包括依次连接的循环泵1、流量计、加热装置和散热器；

所述pid温度控制系统包括pid温度控制仪(图中未示出)和调压模块，所述pid温度控制仪通过所述调压模块与所述加热装置连接。

具体的，将模拟热工过程水力循环系统以及pid温度控制系统的各个部件安装在面板17上，面板17预留有显示区域。循环泵、流量计、加热装置和散热器依次通过硅胶管进行连接，模拟热工过程水力循环。加热装置可采用电加热管3；散热器可采用风冷散热器6；流量计可采用转子流量计2；循环泵1用于给硅胶管中的循环水提供驱动力；调压模块可采用固态调压器，固态调压器接收来自pid温度控制仪输出的4-20ma信号调节电加热管的供电电压，进而调节加热功率，通过热源的连续调节实现温度控制的要求。

本发明实施例提供的一种热工过程pid温度控制教学实验台，整个实验台的所有部件全部固定在面板上，结构紧凑小巧，便于携带，成本低廉，调控效果明显，满足学生观察和掌控不同控制方式对被控温度的控制效果的实验教学要求，也为电子化实验报告提供数据保障。

其中，还包括热工参数采集系统，所述热工参数采集系统包括温度巡检仪、温度传感器和电功率计，所述温度传感器分别安装于所述加热装置的进口、所述加热装置的出口、所述散热器的进口、所述散热器的出口、加热装置外壁以及所述热工过程pid温度控制教学实验台所处环境中，所述温度巡检仪与各所述温度传感器连接，所述电功率计用于监测加热装置的功率。具体的，如果采用风冷散热器，需要在风冷散热器6的进水口、出水口以及出风口均安装温度传感器，温度巡检仪分别测量电加热管3进口水温、电加热管3出口水温、风冷散热器6进口水温、风冷散热器6出口水温、风冷散热器6出口风温、环境温度、电加热管3管外壁温度等7个温度，仿真不同的测温点对控制系统的要求和p、i、d各参数的设定影响。电功率计安装于电加热管，用于监测加热装置的功率。

其中，还包括过滤水箱，所述过滤水箱连接在所述循环泵1与所述散热器之间。优选地，所述过滤水箱为高位过滤水箱7，所述高位过滤水箱7安装于所述面板17的顶部。优选地，还包括排气补水阀8，所述排气补水阀8安装于所述高位过滤水箱7的顶部。高位过滤水箱7的进口和出口分别使用双内丝活接弯头接入面板17上的循环泵1。高位过滤水箱7同时具有循环水过滤、高位排气、系统补水、热膨胀等功能，设置于循环泵1入口处，且处于系统最高点，顶部设置排气补水阀8。

其中，还包括三通阀4和延长管路5，所述三通阀4的第一端连接在加热装置的一端，所述三通阀4的第二端连接在所述延长管路5的一端，所述散热器的一端分别连接在所述三通阀4的第三端和所述延长管路5的另一端。本实施例中的延长管路5由一米长度的硅胶软管制成，并将其缠绕放置在方形的盒子内，用于仿真不同长度的输配管路对控制系统的影响，以及对p、i、d各参数的设定影响。具体的，当三通阀4连接第一端和第二端时，管内介质通过延长管路5后进入风冷散热器6，增加了输配管路的长度；当三通阀4连接在第一端和第三端时，管内介质不经过延长管路5，直接通过三通阀4进入风冷散热器6。

其中，还包括第一排水阀9和第二排水阀10，所述第一排水阀9连接在所述循环泵1的底端，所述第二排水阀10连接在所述散热器的底端，排出热工水力循环系统中的循环介质。

其中，还包括触摸显示屏14，所述电功率计、所述pid温度控制仪、所述温度巡检仪均采用rs-485串行总线标准，所述触摸显示屏具有rs-485端口，且分别与所述电功率计、所述pid温度控制仪、所述温度巡检仪连接。本实施例中所有测量仪表均具有485通讯功能，采用标准的modbusrtu协议，触摸屏通过485端口读取各测量仪表数据，并实时绘制包括加热功率、设定温度、实测温度在内的过渡响应曲线。本实施例中的触摸显示屏采用嵌入式一体化触摸屏，设置有实验数据实时采集窗口、历史数据查看窗口、学生信息输入窗口、实验数据上传窗口、实验台基本设置窗口，通过学生信息输入窗口采集当次参加实验的学生信息后，会同原始实验数据，一并上传至指定sql数据库服务器。

其中，所述温度巡检仪包括高温报警信号al2，所述循环泵1包括水流信号al3，且所述高温报警信号al2和所述水流信号al3均串联接入所述加热装置的供电回路。具体的，如图3所示，本实施例公开一种电路结构，其将pid温度控制系统和模拟热工过程水力循环系统连接在供电电路中，在面板17分别设置5个电气开关15，从左到右依次为电源总开关k1、循环泵开关k2、电加热开关k3、第一风扇开关k4(图中命名为“风扇1”)、第二风扇开关k5(图中命名为“风扇2”)。风冷散热器6设置两个可独立控制的12v直流散热风扇分别仿真不同的用户负荷。触摸显示屏1(图中命名为“触摸屏”)设置独立的24v直流电源。图中的“水泵”代表本实施例的“循环泵”1，“巡检仪”代表“温度巡检仪”，“pid温控”代表“pid温度控制仪”，“功率计”代表“电功率计”，“电加热”代表“电加热管”3。通过电气开关15的切换，电加热管3可以实现双位控制、停止加热、pid控制。其中的双位控制是通过pid温度控制仪的报警输出实现的，也可以通过设置p参数为0实现双位控制。

其中，还包括支脚18，所述支脚18分别安装于所述面板17底部的两端，提供支撑。

具体的，如图1和图2所示，基于上述实施例的描述，本发明的通过合理的安排布置部件在面板17上。循环泵1和第一排水阀9位于面板17的左下方，高位过滤水箱7以及排气补水阀8位于面板17的左上方，转子流量计2位于面板17的左侧中央位置，电加热管3位于面板17的底部中央位置，电加热管3的上方具有各类测量仪表16，例如电功率计、pid温度控制仪以及温度巡检仪，再上方安装触摸显示屏14，三通阀4和延长管路5位于面板17的右下方，风冷散热器6位于面板17的右上方。这样布置，可以将所有实验部件均安装于面板17上，便于携带。

基于上述实施例，进行的教学实验过程包括：在进行实验操作时，首先检查实验台水力循环系统，如循环管路里有空气，则打开高位过滤水箱7上部的排气补水阀8，在开启循环泵1的情况下慢慢注水，直至循环管路里的空气全部排空，之后关闭排气补水阀8。

然后，将pid温度控制仪的温度探头从测温探头引出口13引出并放入指定第一测温口11或第二侧温口12(即包括加热管进水口、加热管出水口、散热器进水口、散热器出水口、散热器出风口)，首先设定pid温度控制仪的加热温度为30℃，同时设置报警温度也为30℃，切换为pid调节模式，启动电加热管和散热风扇，等待系统稳定。

下一步，将控制方式切换为双位控制或者依次切换为p调节、pi调节、pd调节、pid调节，设定加热温度为35℃，同时设置报警温度也为35℃，开始计时并实时观测各点温度以及触摸屏上的温度曲线，一直记录温度数据直至系统达到稳定状态或者进入周期震荡状态，当持续时间大于10分钟时也停止本组实验。根据实时记录的温度数据，分别计算静差、最大偏差和调节时间，可以直接观察到热工循环过程中严重的温度滞后和超调现象。

下一步，可以调整温度探头的位置，或者打开或关闭一个散热风扇，或者打开或关闭三通阀，制造一个干扰因素，随后重新开始计时和观测温度，直至系统再次稳定，测量和处理有关数据。

实验结束，本发明实验台可以通过嵌入式一体化触摸屏的lan口直接访问sql数据库服务器，将本次实验的原始数据和参加实验的学生信息直接写入服务器，为电子化实验报告提供数据保障。

最后，依次关闭电加热管，关闭散热器和循环泵，实验结束。

本发明实施例提供的一种热工过程pid温度控制教学实验台，整个实验台的所有部件全部固定在面板上，结构紧凑小巧，便于携带，成本低廉，调控效果明显，满足学生观察和掌控不同控制方式对被控温度的控制效果的实验教学要求，也为电子化实验报告提供数据保障；选用具有485通讯功能的测量仪表，通过嵌入式一体化触摸屏实现热工参数的实时采集及绘制过渡响应曲线，并将所有原始实验数据及参与学生信息上传至指定sql数据库服务器；本发明设置多个测温点、通过开启或关闭一个散热风扇、切换三通阀的不同端口，设置多个干扰点，实现多种干扰方式的模拟，方便学生观察和掌握不同控制方式对被控温度的控制效果。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。