新一代多功能过程及控制仿真实验系统

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1、新一代多功能过程与控制仿真实验系统北京化工大学计算机模拟与安全工程研究室一、背景多年来过程控制专业的教师一直期待着有一种理想的实验系统，该系统能够任意组合多种控制方法和控制方案，并针对多种不同动态特性的工艺对象进行控制实验。然而，在新一代多功能过程与控制仿真实验系统研制成功之前，这一理想只能部分得以实现。因为，传统的过程控制实验系统存在着如下无法克服的弱点：1．装置的尺寸过小，导致系统时间常数比真实系统小得多，因此，动态特性与实际系统差异很大。2．由于尺寸过小的原因，流动特性受管壁边界层的影响大，流动非线性强

2、无法稳定，导致测试结果偏差大、没有重复性。例如，小尺寸储槽的液位当入口流量较大时，相对波动很大，稳定性差；小尺寸控制阀无法达到要求的特性（线性、等百分比、抛物特性等）；小尺寸的离心泵特性多变，和工业级离心泵特性相差悬殊，正因为如此，国家标准（包括国际标准）规定，只有管径大于50毫米，流动达到一定的流速才有标准可言。3．工艺介质一般用水，物理性质单一，表达不了实际工艺物料复杂多样的物理化学特性，因此，除了流体流动与传热实验外，化学反应、气体压缩、组分变化、酸碱度变化、物料混合、复杂的传质过程等都无法实现。因此，

3、实验内容单调、知识点少。4．由于实验过程简单、实验介质单一，因此，只能进行比较简单的数量有限的过程与控制实验，无法进行多种多样的复杂控制和先进控制实验。5．无法进行高危险性、超极限性过程的安全保护控制实验。因为，传统的过程实验系统本身十分简单，一般没有高危险性、超极限性过程（如反应超温、超压、爆炸等），即使包含有高危险性、超极限性过程，基于安全要求也不允许进行破坏性实验。6．难于对实验流程、实验项目、实验内容进行重组和变化。因为，实验装置部件有限重组和变化的内容有限，重组和变化需要附加管路和阀门，实验内容变化

4、初始化时间长（例如，等待系统降温时间很长），而且全面的重组和变化必须对设备进行重新机电组装，这对参与实验的师生几乎没有可行性。7．水泵、电机运行时机械振动较大（如果设计不当，机械振动非常大），有些实验装置需要380伏交流电源，能耗大，安全性低。8．难于对全部变量和操作进行实时监测，因此无法实现高完备性和高分辨率故障诊断，因此也无法实现智能化实验。以上弱点，在新一代多功能过程与控制仿真实验系统中几乎都得到解决。多功能过程与控制仿真实验系统，通过将小型半实物过程系统、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了集多种

5、教学和实验功能于一身、真实感强、一机多用、既可以进行初级与中等复杂程度的过程与控制实验、也可以进行高级复杂的过程与控制实验、维修简单、节能、安全、环保等理想实验系统的要求，是高等教学实验技术的一个新的飞跃。二、实验系统构成多功能过程与控制仿真实验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件及过程模型软件四部分组成。四部分通过实时数字通信协调运行，完成复杂的半实物模拟实验。1．小型流程设备盘台见图1所示，在钢制的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。主设备包括：一台卧式储罐（D-101

6、）、两台高位计量罐（D-102、D-103）、一台带搅拌器的釜式反应器（T-104）、一台列管式热交换器（E-105）、三台离心泵（P-106、P-107、P-108）、十个手动/自动双效阀门和若干管路系统。在垂直的仪表盘面上分布有压力（P）、流量（F）、温度（T）、物位（L）、功率（N）、组成（A）和阀位（VL）等数字式软仪表。本盘台是学生直接操作和运行过程系统的环境。本环境给学生以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无

7、法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系统和真实系统的观测界面完全一致。图1多功能过程与控制仿真实验系统外观由于采用了半实物模拟新技术，在同一个实验盘台上可以通过计算机软件控制，自动组合成多种工艺过程实验项目。实验内容可以全面重组和变化，重组和变化不需要附加管路和阀门、不必对设备进行重新机电组装，只需通过软件初始化，一秒钟即可实现，易如反掌。盘台上的所有操作和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，我们称其为状态“全恢复”功能。本功能是实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故障状态或某一特

8、定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。全系统的工艺流程图见图2所示。主要工艺过程实验项目如下：图2小型流程设备盘台工艺流程图（1）离心泵及特性实验系统本系统在图2中的部位是：卧式储罐（D-101），其上游的双效阀V1，入口流量F1，储罐压力P1，储罐液位L1，储罐下部出口快开阀S1（开关），离心泵（P-106），离心泵入口压力P2，离心泵出口压力P3，离心泵出口流量F2，离心泵高点排气