一種穩衡爐溫控制仿真教學系統的製作方法
2023-04-25 11:30:56
本實用新型屬自動化控制技術領域，具體的涉及一種穩衡爐溫控制仿真教學系統。
背景技術：
加熱爐是工業生產中比較典型的過程設備，尤其是在石油加工行業，其特點是處理量大、投資大、能耗高。出於對處理量、管壓和節能的考慮，工業上通常將產品分成幾個支路在加熱爐中加熱，要求各支路出口溫度保持平衡。常規控制很難實現，往往會造成出口溫差在5-10度之間。因此需要採用一些複雜控制策略，以使出口溫差控制在正負1度之間。
目前市面上的教學系統，工業背景不強。多是用一個單入單出的爐子進行實驗，只能進行簡單的建模、常規PID控制實驗，需要串級控制時往往要和其他系統如水箱等聯合起來實驗，實際意義不強。
本實用新型將緊緊圍繞一類工業加熱爐的溫度平衡控制，通過硬體仿真，不僅可以讓學生完成數學建模、PID控制實驗、串級控制等複雜控制實驗、監控和組態、程序設計等等。還可以讓學生了解工業控制系統的分層架構，常用的工業控制器如PLC的用法，WinCC組態軟體的使用，觸控螢幕的操作和編程，設備的組網等，可以從工藝、控制和優化的角度掌握過程控制的相關知識。具有功能強大、涉及的理論知識多、操作性強、理論聯繫實際等特點。
技術實現要素：
一種穩衡爐溫控制仿真教學系統，如圖1所示，待加熱液體入口管道1的各個爐溫加熱支路分別與恆溫加熱爐2連接，經過恆溫加熱爐2後的各個爐溫加熱支路上依次分別設有電動調節閥3、溫度和流量變送器4，電動調節閥3、溫度和流量變送器4均與微處理器連接，整體恆溫加熱參數操控面板7為微處理器的顯示調控單元；微處理器通過網絡連接線6與控制器連接；上位機數據採集以及監控系統5為控制器的顯示調控單元，上位機數據採集以及監控系統5由PLC以及觸控螢幕兩部分組成，PLC與觸控螢幕連接。整體恆溫加熱參數操控面板7上設有現場參數調節顯示屏8、幹擾係數調節旋鈕9、比例係數調節旋鈕10、積分係數調節旋鈕11、微分係數調節旋鈕12、支路管道溫度設定旋鈕13、支路選擇旋鈕14，幹擾係數調節旋鈕9、比例係數調節旋鈕10、積分係數調節旋鈕11、微分係數調節旋鈕12、支路管道溫度設定旋鈕13並列平行布置，現場參數調節顯示屏8、支路選擇旋鈕14分別設置在整體恆溫加熱參數操控面板7中。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，微處理器與控制器之間均連接的模擬調節閥、模擬溫度傳感器、模擬流量傳感器構成分流常規控制後並結合熱量守恆進行差動平衡控制。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，爐溫加熱支路通過微處理器對爐溫進行數字式仿真控制，微處理器的輸出信號經過轉換輸入至控制器。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，微處理器將其爐溫加熱成數學模型並轉化為差分方程的形式進而進行仿真。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，其模擬傳感器的作用是：採用數模轉換和電壓放大方式將微處理器計算出的數值轉化為實時現場爐溫的溫度信號和流量信號。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，模擬調節閥的作用是採用電壓線性分壓方案將控制器輸出信號轉換為可供微處理器處理的電信號輸入到微處理器的單元中。
在上述任一方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，所述控制器連接觸控螢幕構成上位機實時監控，並且對常規控制和差動平衡控制兩種方案進行選擇。
在上述任一方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，所述控制器設有網絡輸出接口，並通過網線與上位機連接構成實時監控。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，所述觸控螢幕中，用戶可以得到大量關於生產過程中的信息，具有完整簡便的選擇菜單，用戶可以通過簡單的操作便可完成目的。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，所述觸控螢幕的人機互動界面直觀操作，實時檢測生產狀況，包括溫度、流量數據，並可通過實時曲線觀察各支路流量、溫度數據，直觀形象。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統控制系統穩定性好，易於操作，可以提供友好的人機界面，自動化程度高，符合現代工業生產中提出的對加熱爐各支路出口溫度均衡控制的要求，有很好的應用前景。
在上述方案中優選的是，所述穩衡爐溫控制仿真教學系統控制只需接220V家用AC便可以工作，其電氣設備與外界隔離，具有良好的安全性。
附圖說明
圖1是按照本實用新型的穩衡爐溫控制仿真教學系統的一優選實施例的原理圖。
圖2是按照本實用新型的穩衡爐溫控制仿真教學系統的圖1所示實施例的平面圖。
圖1，1為待加熱液體總入口管道，2為恆溫加熱爐，3為電動調節閥，4為溫度和流量變送器，5為上位機監控及數據採集系統，6為網絡連接線，7為整體恆溫加熱參數操控面板，8為現場參數調節顯示屏，9為幹擾係數調節旋鈕，10為比例係數調節旋鈕，11為積分係數調節旋鈕，12為微分係數調節旋鈕，13為支路管道溫度設定旋鈕，14為支路選擇旋鈕。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本實用新型的技術方案進行詳細描述。
圖1為按照本實用新型的穩衡爐溫控制仿真教學系統的一實施例的原理圖，該穩衡爐溫控制仿真教學系統包括溫度檢測裝置，該溫度檢測裝置單向聯接著控制器，而該控制器單向聯接著電動調節閥，通過溫度檢測裝置實時檢測出口管道液體的溫度，將結果傳送到控制器，再由控制器控制對出口管道溫度進行調節。
在本實施例中，溫度檢測裝置用來實時檢測出口管道液體的溫度，四條支路管道中每條管道均有一個溫度檢測裝置，因此共有四個溫度信息傳送到控制器，信息經由控制器計算後決定驅動調節閥調節量的大小。
在本實施例中，溫度檢測裝置用來實時檢測出口管道液體的溫度，四條支路管道中每條管道均有一個溫度檢測裝置，因此共有四個溫度信息傳送到控制器，信息經由控制器計算後決定驅動調節閥調節量的大小。
在本實施例中，通過微處理器對恆溫加熱爐進行了仿真，在其內部建立四路液體恆溫加熱的傳遞函數，其傳遞函數可模擬不同情況下每條支路的實際情況，並將其模型進行離散化後便於進行計算機處理。最後經過計算後得到液體恆溫加熱仿真的數值，經過各個信號轉換調理電路輸出到控制器，再由控制器進行差動平衡控制的計算並輸出作用於電動調節閥。
如圖2所示，在本實施例中，微處理器仿真了四路液體加熱情況，並在其內部進行了數值計算輸出信號作用於流量檢測裝置及溫度檢測轉置，經過信號轉換後，輸入到上位機數據採集以及監控系統中，由上位機數據採集以及監控系統對採集到的流量數據和溫度數據進行計算，其計算過程為：根據熱量守恆定律對每條支路流量數據和溫度數據進行相乘計算，而後四條支路數據進行求和後除以四條支路的流量總和，得到一個四條支路管道溫度的平均溫度，將此平均溫度與各支路溫度進行比較做差並與一個調節係數相乘後輸出其調節量。
上述控制器中，上位機數據採集以及監控系統通過網絡連接線與控制器進行通信連接，構成上位機監控系統，並使用組態軟體對其監控系統進行組態，最終可實時監控溫度和流量變送器的數據，並且在所述觸控螢幕中設置了曲線趨勢顯示功能和數值顯示功能，可從數值、圖形兩方面觀測整個系統。
在本實施例中，微處理器與控制板相連接，在控制板中可以通過幹擾系統調節旋鈕對系統進行幹擾調節以驗證系統的抗幹擾性能，通過比例係數調節旋鈕、積分係數調節旋鈕、微分係數調節旋鈕分別進行常規控制參數的設定與調節，通過溫度設定旋鈕進行液體出口管道溫度數值的設定，通過支路選擇旋鈕進行四條支路管道的選擇。基於以上方案，設定了現場仿真參數顯示面板顯示了支路管道序號、溫度設定值、幹擾係數、比例係數、積分係數以及微分係數便於對現場仿真情況進行觀察。
工作階段：上電後，由微處理器對四條支路進行實時的單支路調節，通過單支路調節算法以及溫度加熱仿真計算後作用於該支路，進行該支路數據的輸出，輸出到支路管道後將溫度和流量變送器的信號傳遞至上位機數據採集以及監控系統；上位機數據採集以及監控系統將採的信號進行差動平衡計算，作用於模擬電動調節閥，完成所述穩衡爐溫控制仿真教學系統的平衡控制。通過幹擾係數調節旋鈕模擬現場發送變動時的情況，如發生意外事故時，可通過控制器使流量溫度仍然保持恆定。在所述穩衡爐溫控制仿真教學系統中，上位機數據採集以及監控系統實時採集現場情況，並可從中對現場情況進行監控。
需要說明的是，按照本實用新型的一種穩衡爐溫控制仿真教學系統包括上述實施例中的任何一項及其任意組合，但上面所述的實施例僅僅是對本實用新型的優選實施方式進行描述，並非對本實用新型範圍進行限定，在不脫離本實用新型設計精神前提下，本領域普通工程技術人員對本實用新型的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本實用新型的權利要求書確定的保護範圍內。