一种过程控制实训装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种过程控制实训装置，包括控制柜、过程控制单元、实训平台、电脑桌。实训装置是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实训装置，该装置包括温度、压力、流量、液位等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、比值、滞后多种控制形式。可构成DDC、DCS、PLC、FCS多种控制系统。该实验装置既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供物理模拟对象和实验手段。
【专利说明】一种过程控制实训装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种过程控制实训装置，有计算机、PLC、DCS、FCS等多种控制系统，涉及石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。
【背景技术】
[0002]目前教学设备中过程控制实训装置常以温度、压力、流量、液位等生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。过程控制是自动化等相关专业的一门综合性较强的专业课，现阶段过程控制的教学存在着理论与实际联系不紧密、教学不够直观易懂的缺点，而工程设备造价相对昂贵占地面积大，所以急需一种实训装置，能满足教学的需要。
【发明内容】
[0003]本实用新型主要解决的技术问题是提供一种过程控制实训装置，实训装置涉及过程控制知识、PLC知识、控制仪表知识、DCS知识、组态软件知识。实训装置可以通过计算机、PLC, DCS, FCS等多种控制系统来控制和检测温度、压力、流量、液位等热工参数。实训装置形象直观，操作和连线简单，方便了学生自己动手、针对各种控制方式的实训课题，使学生能够在平时的学习和实训操作中将多种相关的技术融会贯通。实现实际动手操作把抽象的理论转化为感性的认识。
[0004]本实用新型采用如下技术方案实现发明目的:
[0005]一种过程控制实训装置，它是由控制柜、过程控制单元、电脑桌、控制系统组成。控制柜和过程控制单元底部都安装有脚轮和地脚，电脑桌底部安装有脚轮，电脑桌放置于过程控制单元和控制柜之间，方便操作控制柜和观察控制状态。过程控制实训装置主要完成对温度、压力、流量和液位等信号的采集，通过采集模块转换为CPU、上位机能识别的数字量信号，通过控制系统计算和处理，完成不同的实验内容。例如模拟量输出模块控制相应的加热器、水泵、调节阀，随着流量输出的大小不同而温度也随时发生变化，这时液位的下降或上升都会改变压力的降低或升高，这就形成了比例微分积分的PID调节。控制系统包括PLC系统、仪表系统、组态软件系统和DCS系统。PLC系统包括CPU主控单元、PLC开关量输入模块、PLC开关量输出模块、PLC模拟量输入模块、PLC模拟量输出模块、PLC下载线和编程软件。上位机系统包括组态软件、采集模块和通讯线。DCS系统包括DCS模拟量输入模块、模拟量输出模块、通讯软件和相应的通讯线。
[0006]过程控制单元，它由铝型材、桌面、网孔板、锅炉、上水箱、下水箱、储水箱、温度传感器、压力变送器、流量计、电动调节阀、阀门、接头和管路等组成。过程控制单元的骨架采用阳极氧化的铝型材搭建，桌面采用不锈钢钢板加工而成，网孔板通过安装支架及螺钉安装在左右两侧的蓝立柱上，锅炉、上水箱、下水箱安装在网孔板上，储水箱和电动调节阀安装在过程控制单元的底板上，温度传感器安装在锅炉上用于测量锅炉内的水温，压力传感器安装在管道或水箱上用于测量水压，电动调节阀安装在管路上用于调节管道阀门的开度从而控制管道内水的压力或流量。储水箱是整个装置的供水系统，它是由左右两侧分支管路及一条回水管路组成。我们先设计右侧支路:右侧管路经一个手阀开关a，然后接到右侧水泵入口端。水泵的输出端又分为两条支路:第一支路经压力显示表，再经手阀b和另一支路经手阀C，再经电动调节阀，再经手阀d，然后与第一支路汇合构成并联回路，这两支路统一接到流量传感器的输入端，其输出端接到压力变送器的进端，这时压力变送器的输出端又分为两条支路，一条支路接到锅炉的外桶上，外桶的水给内桶冷却，另一路接到锅炉的内桶。当外桶的水位经上端液位传感器检测到后，开始排水通过回水管直接回到储水箱中，同时内桶装有加热器、温度传感器、液位传感器，它们三者共同控制内桶的水温、液面情况，当内桶的温度达到设定值后，内桶的放水阀自动打开，将内桶的水回流到储水箱中，这样就保证了放水和进水是同步的，就形成一个全封闭的自动循环回路。右侧支路设计完成后，我们再设计左侧支路:左侧管路经一个手阀开关e，然后接到左侧水泵入口端。水泵的输出端又分为三条支路，第一支路经手阀开关f直接进入下水箱的左侧底端，第二支路经手阀开关g直接进入上水箱的左侧底部，第三支路经手阀开关h接入到锅炉的内桶中，同样左侧管路也形成一个全封闭的自动循环回路。
[0007]控制柜包括主控电源模块、直流电源模块、加热控制模块、智能仪表控制模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、设备转接模块和变频器模块。主控电源模块可实现对过程控制单元的电源供应的操作与保护、通用的电气元件和独特的电路设计可实现电源相序保护、电源缺相保护、电源过压和失压保护、急停开关保护、断电误上电保护、漏电自动跳闸保护、过载与短路保护、计算机独立供电保护。直流电源模块主要用于提供直流24V电源、力口热控制模块主要用于加热控制及信号采集。智能仪表模块主要用于仪表控制及信号采集。模拟量输入模块主要用于模拟量信号的米集。模拟量输出模块主要用于模拟量信号的输出。变频器模块主要用于控制水泵。设备转接模块主要是把过程控制单元上的所有电器元件的接线端子引出来方便接线。各模块的出线全部采用标准的K3或K4端子，另外各模块之间的连接采用香蕉插头进行连接。控制柜前门采用钢化玻璃制作，方便观察内部元器件；控制柜左右两侧均采用开启式的门机构，方便观察元器件和接线；控制柜后门采用上下推拉式结构，方便开启和关闭还方便设备整体线路的布置及以后的维修。
[0008]网孔板，采用独特的设计理念、矩形安装孔，经过多次理论与实际验证的孔间距为30mm ,使各种实训实验设备方便安装与拆卸,合理的接地保护措施,布线工艺更方便简单。
[0009]作为对本技术方案进一步限定，所述脚轮，经过承重测验和其他相关测验，使其整体实验装置可实现单人移动装置，方便了实训装置的运输和位置的移动。脚轮分别安装于过程控制单元、控制柜和电脑桌的底部。
[0010]作为对本技术方案进一步限定，所述地脚，在实训装置重力支持点安装了地脚，使实训装置即使在不平的地面上也可保持一定的水平度。而且可防止实验过程中实训装置受外力，导致突然移动或抖动，防止了实训实验设备意外掉落损坏的危险。地脚安装于过程控制单元和控制柜的底部承重处。
[0011]作为对本技术方案进一步限定，所述电脑桌，通过控制柜独立的电源供电，其它设备短路或发生故障，不会影响计算机的正常供电。独特的木板结构可防静电。
[0012]与现有技术相比，本使用新型的优点和积极效果为:控制柜和过程控制单元分开，切实到达了水电隔离的目的；本实训装置上的所有设备引至设备转接盒，通过航空插头与控制柜上的设备转接模块相连；本实训装置控制柜内的模块可以任意的拆装和更换，方便安装不同厂家类型各异的PLC、变频器、控制仪表和DCS采集设备；本实训装置通过脚轮可以方便移动位置；本实训装置的电脑桌是台式机和笔记本两用型，通过脚轮可以方便移动位置。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的结构示意图。
[0014]图2为控制柜结构示意图。
[0015]图3为过程控制单元结构示意图。
[0016]图4为地脚和脚轮结构示意图。
[0017]图5为电脑桌结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和优选实施例对本实用新型作更进一步的详细描述。
[0019]图中，1、过程控制单元，2、控制柜，3、网孔板，4温度传感器，5、锅炉，6、管路，7、电动调节阀，8、水泵，9、流量传感器，10、地脚，11、脚轮，12、上水箱，13、液位压力传感器，14下水箱，15、过程控制工作台，16、压力表，17、压力传感器，18、手阀，19、储水箱，20、主控电源模块，21、直流电源模块，22、加热控制模块，23、智能仪表控制模块，24、PLC控制模块，25、模拟量输入模块，26、模拟量输出模块，27、变频器模块，28、设备转接模块，30、显示器放置区域，31、键盘鼠标放置区域，32、主机或工具放置区域。
[0020]下面结合附图和优选实施对本实用新型作更进一步的详细描述。
[0021]参见图1，本实用新型包括过程控制单元I用于安装实训实验加热器、水泵、电动调节阀；控制柜2用于安装控制系统。
[0022]参见图2，控制柜部分包含主控电源模块20用于控制设备整体电源，并有过载、短路和漏电的保护，六孔插座用于为电脑提供电源；直流电源模块21用于为传感器或执行部件提供直流24V电源，并有短路和过载保护；加热控制模块22通过固态继电器控制加热管，给锅炉内的水进行加热控制，温度传感器用于检测温度，电压表显示加热电压；智能仪表模块23根据采集的模拟量信号经过PID运算控制相应的加热器、水泵、电动调节阀，与计算机连接构成仪表控制系统；PLC控制模块24采集的数字量信号经过设定程序运算后控制相应设备，也可根据采集的模拟量信号经过PID运算控制相应的设备，与计算机连接构成PLC控制系统；模拟量输入模块25采集模拟量信号，通过RS485网络传送给DCS系统或组态软件系统；模拟量输出模块26DCS或组态软件产生的数字量信号通过此模块转换为模拟量控制相应的设备；变频器模块27采集开关量信号或模拟量信号通过预设定参数控制水泵，使水泵安预期的目标进行运行；设备转接模块28把过程控制单元上的电动调节阀、温度传感器、压力传感器、流量传感器、水泵和加热器的接线端子通过K3或K4端子布置于模块上，方便与其他模块连接，构成多种控制系统或网络。[0023]参见图3，网孔板3网孔板固定在左右两侧的蓝立柱上，其上部有楣板，下端有过程控制工作台，主要用于安装锅炉、上水箱、下水箱、压力传感器、阀门、接头和管路以及固定电源线、信号线和通讯线；温度传感器4用于测量锅炉内的水温；锅炉5用于承载水，供加热或滞后实验用；管路6用于连接储水箱、上水箱、下水箱、锅炉、水泵、压力表、流量阀、电动调节阀；电动调节阀7可以手动或自动控制阀门开度和测量阀门当前位置；水泵8给上水箱、下水箱、锅炉供水；流量传感器9用于测量管路内的实时流量并通过显示器显示出来；上水箱12为水的存储提供空间，并有进水口、排水口和溢流口 ；液位压力传感器13用于测量水箱液位高度；下水箱14为水的存储提供空间，并有进水口、排水口和溢流口 ；过程控制单元工作台15用于实训实验放置实验相关测量仪器和操作相关配件；压力表16用于测量并显示管路上的压力；压力传感器17用于测量管路内的水压；手阀18用于手动开启或关闭管路；储水箱19为装置的连续运行提供水源，并将上水箱、下水箱、锅炉内的水通过排水管路，形成一个全封闭的循环回路。
[0024]参见图4，脚轮和地脚部分，脚轮11采用高强度承重材料制作，可承受过程控制单元、控制柜多倍的重力，而且方便移动，单人即可移动实训设备，无需多人抬动设备。地脚10采用特殊螺钉加橡胶垫制作，螺钉可支撑整体设备的重力，在地面不平的地方，通过调整四角螺钉的高度，可使过程控制单元保持一定的水平度；橡胶垫可保持地面的干净，使螺钉不损坏地面。
[0025]参见图5，电脑桌部分，显示器放置区域30采用钢结构与防火木板的有机结合，钢结构置于下层起到承重作用，防火木板置于上层起到美化隔火的作用，用于放置电脑显示器或笔记本电脑；键盘鼠标放置区域31采用抽屉式结构，用时拉出来，不用时推进去，节省空间，用于放置键盘和鼠标；主机或工具放置区域33用于放置主机或放置实训实验暂时不用的设备或仪表；脚轮11用于承载电脑桌的重量，方便移动电脑桌。
【权利要求】
1.一种过程控制实训装置，其特征是:所述实训装置包括控制柜、过程控制单元、电脑桌、控制系统，控制柜和过程控制单元底部都安装有脚轮和地脚，电脑桌底部安装有脚轮，电脑桌放置于过程控制单元和控制柜之间，方便操作控制柜和观察控制状态，过程控制实训装置主要完成对温度、压力、流量和液位等信号的采集，通过采集模块转换为CPU、上位机能识别的数字量信号，通过控制系统计算和处理，完成不同的实验内容，其中模拟量输出模块控制相应的加热器、水泵、调节阀，随着流量输出的大小不同而温度也随时发生变化，这时液位的下降或上升都会改变压力的降低或升高，这就形成了比例微分积分的PID调节，控制系统包括PLC系统、仪表系统、组态软件系统和DCS系统，PLC系统包括CPU主控单元、PLC开关量输入模块、PLC开关量输出模块、PLC模拟量输入模块、PLC模拟量输出模块、PLC下载线和编程软件，上位机系统包括组态软件、采集模块和通讯线，DCS系统包括DCS模拟量输入模块、模拟量输出模块、通讯软件和相应的通讯线。
2.根据权利要求1所述的实训装置，其特征是:所述控制柜，包括主控电源模块、直流电源模块、加热控制模块、智能仪表控制模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、设备转接模块和变频器模块，主控电源模块可实现对过程控制单元的电源供应的操作与保护、通用的电气元件和独特的电路设计 可实现电源相序保护、电源缺相保护、电源过压和失压保护、急停开关保护、断电误上电保护、漏电自动跳闸保护、过载与短路保护、计算机独立供电保护，直流电源模块主要用于提供直流24V电源，加热控制模块主要用于加热控制及信号采集，智能仪表模块主要用于仪表控制及信号采集，模拟量输入模块主要用于模拟量信号的采集，模拟量输出模块主要用于模拟量信号的输出，变频器模块主要用于控制水泵，设备转接模块主要是把过程控制单元上的所有电器元件的接线端子引出来方便接线，各模块的出线全部采用标准的K3或K4端子，另外各模块之间的连接采用香蕉插头进行连接，控制柜前门采用钢化玻璃制作，方便观察内部元器件；控制柜左右两侧均采用开启式的门机构，方便观察元器件和接线，控制柜后门采用上下推拉式结构，方便开启和关闭还方便设备整体线路的布置及以后的维修。
3.根据权利要求1所述的实训装置，其特征是:所述过程控制单元，包括铝型材、桌面、网孔板、锅炉、上水箱、下水箱、储水箱、温度传感器、压力变送器、流量计、电动调节阀、阀门、接头和管路等组成，过程控制单元的骨架采用阳极氧化的铝型材搭建，桌面采用不锈钢钢板加工而成，网孔板通过安装支架及螺钉安装在左右两侧的铝型材上，锅炉、上水箱、下水箱安装在网孔板上，储水箱和电动调节阀安装在过程控制单元的底板上，温度传感器安装在锅炉上用于测量锅炉内的水温，压力传感器安装在管道或水箱上用于测量水压，电动调节阀安装在管路上用于调节管道阀门的开度从而控制管道内水的压力或流量，储水箱是整个装置的供水系统，它是由左右两侧分支管路及一条回水管路组成，我们先设计右侧支路:右侧管路经一个手阀开关a，然后接到右侧水泵入口端，水泵的输出端又分为两条支路:第一支路经压力显示表，再经手阀b和另一支路经手阀C，再经电动调节阀，再经手阀山然后与第一支路汇合构成并联回路，这两支路统一接到流量传感器的输入端，其输出端接到压力变送器的进端，这时压力变送器的输出端又分为两条支路，一条支路接到锅炉的外桶上，外桶的水给内桶冷却，另一路接到锅炉的内桶，当外桶的水位经上端液位传感器检测到后，开始排水通过回水管直接回到储水箱中，同时内桶装有加热器、温度传感器、液位传感器，它们三者共同控制内桶的水温、液面情况，当内桶的温度达到设定值后，内桶的放水阀自动打开，将内桶的水回流到储水箱中，这样就保证了放水和进水是同步的，就形成一个全封闭的自动循环回路，右侧支路设计完成后，我们再设计左侧支路:左侧管路经一个手阀开关e，然后接到左侧水泵入口端，水泵的输出端又分为三条支路，第一支路经手阀开关f直接进入下水箱的左侧底端，第二支路经手阀开关g直接进入上水箱的左侧底部，第三支路经手阀开关h接入到锅炉的内桶中，同样左侧管路也形成一个全封闭的自动循环回路。
4.根据权利要求3所述的实训装置，其特征是:所述网孔板，包括网孔板、安装支架，网孔板上开有均匀的矩形安装孔，通过安装支架及螺钉安装在左右两侧的蓝立柱上，其上部有楣板，下端有过程控制工作台，主要用于安装锅炉、上水箱、下水箱、压力传感器、阀门、接头和管路以及固定 电源线、信号线和通讯线。
【文档编号】G05B19/418GK203773846SQ201420078986
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年2月22日 优先权日:2014年2月22日
【发明者】蒋作栋 申请人:山东栋梁科技设备有限公司