基于工业过程模拟的教学科研平台装备

摘要

一种基于工业过程模拟的教学科研平台装备，由一个或多个并联的给水支路，一个或多个光伏扬水支路，一个主管路，多个并联的用户支路、引水支路、锅炉、一个或多个水塔、一个或多个温室组成，给水支路的输出端接在主管路上，主管路对应两个相邻给水支路的管段上和相邻的用户支路分别设有给水段模拟量电动阀和用户段模拟量电动阀，连接在主管路首端的给水支路通过补水管与锅炉的补水端相连，锅炉的供水端与主管路的中间管段连通、并与温室给水管路连接，温室给水管路与温室入口相连接，温室的出口与锅炉回水端连接，水塔设有二个给水管。该装备与典型工业过程紧密结合，用于高级过程控制的教学科研验证,有利于科研成果转化。

说明书

技术领域

本申请涉及工业过程模拟的教学科研平台装备，更具体地说，该平台装置可以模拟常规的过程控制系统，如单回路（温度、压力、流量、液位等）过程参数控制系统、多回路串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制系统等，也可以模拟典型工业应用系统，如动力源分散的给排水系统、带有水塔的多水源供水系统、带有水仓的矿井排水系统、1号锅炉供暖系统、长距离管道输送系统、离心式水泵起动控制系统、光伏扬水储能系统等。

背景技术

自动化技术作为国家高科技的重要组成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力和各个行业现代化水平的重要标志。过程控制是自动化技术的重要分支，在石化、电力、冶金、轻工等连续生产过程中有着广泛的应用。近年来，过程控制技术本身及其应用领域得到了迅速发展。无论是在现代复杂工业生产过程中，还是在传统生产过程的技术改造中，过程控制技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面都起着非常重要的作用。并且随着工业生产向着大型化、连续化、网络化和自动化方向迅速发展，对控制系统的品质也提出了更高的要求，除了简单过程控制系统外，各种复杂的、多变量、时变、非线性、随机等过程控制系统的研究变得尤为重要，因此出现了许多新的控制理论，并且这些理论还在继续发展，它已跨越学科界限，正向以控制论、信息论、放生学为基础的智能控制理论深入。因此，这些理论进行研究和验证是非常必要的。

另外，尽管工科院校信息学科大都开设了过程控制类课程，然而相应的过程控制实验装置大都模拟过程工业常规过程参数（如温度、流量、压力、液位等）的单回路、多回路控制及实现特殊工艺要求的控制，如单回路PID控制、串级控制、前馈反馈控制、比值控制、均匀控制、分程控制、选择控制等。模拟的工业对象与实际结合较困难，在现有理论和新理论的验证和研究方面缺乏较好的实验设施，严重影响教学质量、人才培养质量及科研成果转化等。因此，设计一种工业过程实验装置与典型工业过程结合高级实验装置是非常必要的。

发明内容

本发明针对现有过程控制实验装备存在的不足和缺陷，提供一种基于工业过程模拟的教学科研平台装备，该装备与典型工业过程紧密结合，用于高级过程控制的教学科研验证,有利于科研成果转化。

本发明的技术解决方案是：

基于工业过程模拟的教学科研平台装备，其特殊之处是:由一个或多个并联的给水支路，一个或多个光伏扬水支路，一个主管路，多个并联的用户支路、引水支路、锅炉、一个或多个水塔、一个或多个温室组成，给水支路的输出端接在主管路上，主管路对应两个相邻给水支路的管段上和相邻的用户支路分别设有给水段模拟量电动阀和用户段模拟量电动阀，主管路位于给水支路和用户支路之间的中间管段上设有模拟量调节阀、3号三通阀和流量计，连接在主管路首端的给水支路设置1号三通阀，1号三通阀的另一个出口通过补水管、设在补水管末端的2号三通阀与锅炉的补水端相连，锅炉的供水端通过1号循环泵、3号三通阀与主管路的中间管段连通、并通过主管路、接在主管路末端的4号三通阀与温室给水管路连接，温室给水管路上的2号循环泵、温室模拟量电动阀与温室入口相连接，温室的出口与锅炉回水端连接，温室给水管路末端通过1号电磁阀与1号回水管连通，4号三通阀的另一个出口与2号回水管相通，水塔设有二个给水管，其中一条给水管的进口与所述光伏扬水支路通过6号三通阀连接，另一条给水管与2号三通阀的另一个出口相通，水塔的出口通过2号电磁阀与主管路对应给水支路和用户支路之间的中间管段连通，所述给水支路是由给水管路、串接在给水管路上的真空度传感器Ⅰ、水泵、压力传感器Ⅰ、流量计Ⅰ、止回阀Ⅰ、给水电动阀构成，所述光伏扬水支路是由通过管路串接的真空度传感器Ⅱ、光伏泵压力传感器Ⅱ、流量计Ⅱ、止回阀Ⅱ、扬水电动阀构成，所述引水支路是由接在结点且分别与对应的给水支路位于水泵和止回阀之间的管段连接和光伏扬水支路中位于光伏泵和止回阀之间的管段连接的3号电磁阀和串接的4号电磁阀和1号真空泵以及串接的4号电磁阀和2号真空泵构成； 3号电磁阀的出口并接、4号电磁阀的入口并接，3号电磁阀的并接端和4号电磁阀的并接端连接并通过管路、5号电磁阀与温室给水管路末端连通，用户支路是由上至下通过管路连接的用户电动阀、流量计Ⅲ、变频泵构成，用户支路末端通过5号三通阀与2号回水管连接。

本发明的有益效果是：

本发明建立了 “基于工业过程模拟的教学科研平台装备”，并将其始终贯穿于本科生和研究生的教学之中，为培养高水平科学研究及培养学生科研实践能力提供了宽阔的技术平台，同时为科研人员提供工业应用的验证及科研平台，有利于科研成果转化。其有益效果具体内容是：

（1）该装备包含了大部分的一般工业过程控制对象，结构更加紧凑

该装备通过多个水塔的级联可以模拟工业过程的串级控制对象；锅炉的液位及温度可以模拟工业过程的解耦控制对象；不同管道的流量可以模拟工业过程的比值控制；不同管道的调节阀可以模拟工业过程的分程控制对象；锅炉与温室可以模拟大延迟大滞后对象等。该装备涵盖了几乎全部的一般工业过程的控制对象，结构更加紧凑，克服了传统教学仪器设备的不足。

（2）该装备在模拟一般工业过程控制对象的基础上，还可以模拟工业过程的典型应用系统

该装备可以模拟动力源分散的给排水系统、带有水塔的多水源供水系统、带有水仓的矿井排水系统、锅炉供暖系统、长距离管道输送系统、离心式水泵起动控制系统、光伏扬水储能系统等。该装备为对典型工业应用系统进行分析与综合研究提供了良好的平台，更有利于科研成果的转化。

（3）该装备为工业过程先进控制理论与技术的研究提供了更好的验证平台

传统的教学仪器装备提供的一般工业过程的温度、压力、流量和液位控制问题很难应用优化控制、自适应控制、鲁棒控制、预测控制及智能控制等先进控制理论与技术。该实验装备模拟的典型工业应用系统可以从节能、节省运行成本、高效率等方面进行工业过程的各种先进控制理论与技术研究。

（4）该装备可以为各种控制策略对电能质量影响进行指标评价

该装备的主电路配置电能质量分析系统，可以对电能质量的有功功率、无功功率、功率因数、谐波等进行分析，为各种控制策略对电能质量影响提供指标评价，有力于不同控制策略的比较研究。

附图说明

图1是该基于工业过程模拟的教学科研平台装备的结构图；

图2是一般工业过程的温度、压力、液位、流量控制对象的模拟 结构图；

图3是一般工业过程的大延迟、大滞后及比值控制对象结构图；

图4是动力分散的给排水系统结构图；

图5是带有水塔的多水源供水系统结构图；

图6是带有水仓的矿井排水系统结构图；

图7是锅炉供暖系统结构图；

图8是光伏扬水储能系统结构图；

图9是主电路供电及电能质量分析系统结构图。

具体实施方式

如图1所示，该基于工业过程模拟的教学科研平台装备，是由一个或多个（本实施例为n个）并联的给水支路，一个或多个光伏扬水支路（本实施例为m个），一个主管路，多个并联的用户支路（本实施例为k个）、引水支路、1号锅炉、一个或多个水塔（本实施例为q个）、一个或多个温室（本实施例为p个），给水支路的输出端接在主管路上，主管路对应两个相邻给水支路的管段上和相邻的用户支路分别设有给水段模拟量电动阀和用户段模拟量电动阀，主管路位于给水支路和用户支路之间的中间管段上设有模拟量调节阀、3号三通阀和流量计，连接在主管路首端的给水支路设置1号三通阀，1号三通阀的另一个出口通过补水管、设在补水管末端的2号三通阀与1号锅炉的补水端相连，1号锅炉的供水端通过1号循环泵、3号三通阀与主管路的中间管段连通、并通过主管路、接在主管路末端的4号三通阀与温室给水管路连接，温室给水管路上的2号循环泵、温室模拟量电动阀与温室入口相连接，温室的出口与1号锅炉回水端连接，温室给水管路末端通过1号电磁阀与1号回水管连通，4号三通阀的另一个出口与2号回水管相通，所述水塔设有二个给水管，其中一条给水管的进口与所述光伏扬水支路通过6号三通阀连接，另一条给水管与2号三通阀的另一个出口相通，水塔的出口通过2号电磁阀与主管路对应给水支路和用户支路之间的中间管段连通，所述给水支路是由给水管路、串接在给水管路上的真空度传感器Ⅰ、水泵、压力传感器Ⅰ、流量计Ⅰ、止回阀Ⅰ、给水电动阀构成，所述光伏扬水支路是由管路、通过管路串接的真空度传感器Ⅱ、光伏泵、压力传感器Ⅱ、流量计Ⅱ、止回阀Ⅱ、扬水电动阀构成，所述用户支路是由上至下通过管路连接的用户电动阀、流量计Ⅲ、变频泵构成，用户支路通过5号三通阀与2号回水管连接。所述引水支路是由接在结点A且分别与对应的给水支路中位于水泵和止回阀Ⅰ之间的管段和光伏扬水支路中位于光伏泵和止回阀Ⅱ之间的管段相连通的3号电磁阀和串接的4号电磁阀和1号真空泵以及串接的4号电磁阀和2号真空泵构成； 3号电磁阀的出口并接、4号电磁阀的入口并接，3号电磁阀的并接端和4号电磁阀的并接端连接（即结点A）并通过管路、5号电磁阀与温室给水管路末端连通。 

n，m，k，p，q为≥1的自然数；普通给水支路与光伏扬水支路的条数可根据需要来设定，其中符号n代表普通离心式水泵给水支路条数，m代表光伏扬水支路条数，n+1～n+1+m#模拟阀代表扬水支路所对应管段设置模拟阀为电动阀代表扬水支路所对应管段设置电动阀为m个；用户支路条数可根据需要来设定，用符号k来表示，用户支路间的管段都设置电动阀；温室个数可根据需要来设定，用符号p来表示；水塔串联的个数也可根据需要来设定，用符号q来表示。

安装时，将1号回水管、给水支路插入1号水槽中，将2号回水管、用户支路插入2号水槽中，两个水槽之间通过手动阀可以连通。

下面针对该装备模拟不同的工业过程，将整体结构分解来阐述。

在图2中，打开引水支路与1号给水支路连接的3号电磁阀，关闭引水支路与其它给水支路连接的电磁阀，关闭引水支路与温室给水管路末端连接的5号电磁阀；打开1号给水支路的电动阀，关闭其它给水支路的电动阀；关闭用户支路的电动阀；打开5号三通阀通向4号三通阀的端口，关闭5号三通阀通通向用户支路的端口；打开4号三通阀通向2号回水管的端口，关闭4号三通阀通向2号循环泵的端口；打开1号水槽与2号水槽之间的手阀，构成一条给水支路，由真空度传感器、水泵、压力传感器、流量计、止回阀、电动阀等设备通过管道依次连接；一条引水支路，由真空泵、电磁阀设备通过管道依次连接；1号锅炉系统，由1号锅炉、循环泵、三通阀依次通过管道连接；水塔系统，有两级水箱串联构成；主管路系统，由主管道、模拟管道特性的电动阀串联构成。引水支路连接于给水支路，与主管路连通可以模拟一般工业过程的管道压力、流量控制对象；引水支路、给水支路以及1号锅炉系统可以模拟一般工业过程的1号锅炉温度与液位控制；引水支路、给水支路以及水塔构成回路可以模拟一般工业过程单容液位、双容水箱液位、单回路以及多回路的PID控制。各电动阀编号如下：n#电动阀代表第n条普通给水支路对应管段的电动阀，n+1～n+1+m代表光伏支路对应管段的电动阀，n+m+k#电动阀代表第k条用户支路所对应管段的电动阀，q代表水塔串联个数，n+m+k+p#电动阀代表第p条温室支路对应管段的电动阀。

在图3中，打开引水支路与前两条给水支路连接的3号电磁阀，关闭引水支路与其它给水支路连接的3号电磁阀；打开引水支路与温室给水管路末端连接的5号电磁阀；打开前两条给水支路电动阀，关闭其它给水支路的电动阀；关闭用户支路的电动阀；打开5号三通阀通向4号三通阀的端口，关闭5号三通阀通向用户支路的端口；关闭1号水槽与2号水槽之间的手阀，构成两条引水支路分别连接于两条给水支路，两条给水支路的电动阀配置电子阀门定位器，连同主管路可以模拟一般工业过程的比值控制、分程控制；一条引水支路、一条给水支路通过三通阀给1号锅炉补水，1号锅炉系统与温室依次连接可以模拟大延迟、大滞后控制对象。各电动阀编号如下：n#电动阀代表第n条普通给水支路对应管段的电动阀，n+1～n+1+m代表光伏支路对应管段的电动阀，n+m+k#电动阀代表第k条用户支路所对应管段的电动阀，q代表水塔串联个数。

在图4中， 打开引水支路与给水支路连接的3号电磁阀，关闭引水支路与温室给水管路末端连接的5号电磁阀；打开1号三通阀通向主管路的端口，关闭1号三通阀通向补水管的端口；打开3号三通阀与主管路连接的入口，关闭3号三通阀与1号锅炉供水管连接的入口；打开5号三通阀与用户连接的端口，关闭5号三通阀与4号三通阀连接的端口；打开用户支路电动阀；打开1号水槽与2号水槽连接手阀，2号水槽根据用户支路设置对应的隔板，构成多条引水支路、多条给水支路、主管路、多条用户支路构成的系统，同时，用户支路的电动阀全开，流量调节采用变频泵调节，可以模拟动力源分散的给排水系统。各电动阀编号如下：n#电动阀代表第n条普通给水支路对应管段的电动阀，n+1～n+1+m代表光伏支路对应管段的电动阀，n+m+k#电动阀代表第k条用户支路所对应管段的电动阀。

在图5中，打开引水支路与给水支路连接的3号电磁阀，关闭引水支路与温室给水管路末端连接的5号电磁阀；打开1号三通阀通向补水管的端口，关闭1号三通阀通向主管路端口；打开2号三通阀通向水塔的端口，关闭2号三通阀通向1号锅炉的端口；打开3号三通阀与主管路连接的入口，关闭3号三通阀与1号锅炉供水管连接的入口；打开5号三通阀与用户连接的端口，关闭5号三通阀与4号三通阀连接的端口；打开用户支路电动阀；打开1号水槽与2号水槽连接手阀，1号水槽根据给水支路设置对应的隔板，2号水槽根据用户支路设置对应的隔板，构成多条引水支路、多条给水支路、主管路、在主管道路上设有水塔、多条用户支路可以构成带有水塔的多水源供水模拟系统。各电动阀编号如下：n#电动阀代表第n条普通给水支路对应管段的电动阀，n+1～n+1+m代表光伏支路对应管段的电动阀，n+m+k#电动阀代表第k条用户支路所对应管段的电动阀，q代表水塔串联个数。

    在图6中，打开引水支路与给水支路连接的3号电磁阀，打开引水支路与温室给水管路末端连接的5号电磁阀；打开1号三通阀通向主管路的端口，关闭1号三通阀通向补水管路端口；打开3号三通阀与主管路连接的入口，关闭3号三通阀与1号锅炉供水管连接的入口；打开5号三通阀与用户连接的端口，关闭5号三通阀与4号三通阀连接的端口；打开与5号三通阀连接的用户支路电动阀，关闭其它用户支路的电动阀；打开4号三通阀与2号回水管连接的端口，关闭4号三通阀与5号三通阀连接的端口；关闭1号水槽与2号水槽连接手阀；打开1号电磁阀，构成多条排水、一条回水支路，1号水槽不设置隔板可以模拟矿井水仓，2号循环泵、4号三通阀、引水支路及相应管路可以模拟矿井水仓进水，多条给水支路、多条引水支路及主管路可以模拟矿井水仓排水系统。各电动阀编号如下：n#电动阀代表第n条普通给水支路对应管段的电动阀，n+1～n+1+m代表光伏支路对应管段的电动阀，n+m+k#电动阀代表第k条用户支路所对应管段的电动阀。

在主管道的管路上设有多台电动阀来模拟管路特性，构成长距离管道输送模拟系统。

在给水支路上水泵采用离心式水泵，出口管路上设有真空泵引水系统，构成离心式水泵起动控制系统。

在图7中，打开引水支路与1号条给水支路连接的3号电磁阀，关闭引水支路与其它给水支路连接的电磁阀，关闭引水支路与温室给水管路末端连接的5号电磁阀；打开1号三通阀通向补水管路的端口，关闭1号三通阀通向主管路端口；打开3号三通阀与1号锅炉给水管连接的入口，关闭3号三通阀与主管路连接的入口；打开5号三通阀与4号三通阀连接的端口，关闭5号三通阀与用户连接的端口；关闭用户支路的电动阀；打开4号三通阀与5号三通阀连接的端口，关闭4号三通阀与2号回水管连接的端口；关闭1号水槽与2号水槽连接手阀；打开与温室连接的电动阀，打开1号电磁阀，构成一条引水支路、一条给水支路通过三通阀给1号锅炉补水，1号锅炉系统与温室通过部分主管路依次连接可以模拟1号锅炉供暖系统。各电动阀编号如下：n#电动阀代表第n条普通给水支路对应管段的电动阀，n+1～n+1+m代表光伏支路对应管段的电动阀，n+m+k#电动阀代表第k条用户支路所对应管段的电动阀，n+m+k+p#电动阀代表第p条温室支路对应管段的电动阀。

在图8中，打开引水支路与给水支路连接的3号电磁阀，关闭引水支路与给水管路末端连接的5号电磁阀；打开1号三通阀通向主管路端口，关闭1号三通阀通向补水管路的端口；打开3号三通阀与主管路连接的入口，关闭3号三通阀与1号锅炉给水管连接的入口；打开5号三通阀与用户连接的端口，关闭5号三通阀与4号三通阀连接的端口；打开用户支路的电动阀；打开6号三通阀通向水塔的端口，关闭6号三通阀通向主管路的端口；关闭1号水槽与2号水槽连接手阀，构成多条引水支路、多条给水支路，其中一条给水支路采用光伏水泵及光伏供电系统，光伏给水支路通过三通阀给水塔供水，再结合主管路及多条用户支路可以模拟光伏扬水储能控制系统。各电动阀编号如下 ：n#电动阀代表第n条普通给水支路对应管段的电动阀，n+1～n+1+m代表光伏支路对应管段的电动阀，n+m+k#电动阀代表第k条用户支路所对应管段的电动阀，q代表水塔串联个数。

在图9中，本系统的主电路供电是由接在交流电源端分为二路，一路连接具有电压、电流监测功能的电能质量分析系统，电能质量分析系统输出端直接给1号锅炉、水泵、真空泵、电动阀、电磁阀供电；另一路由光伏光源、光伏电池板、变流设备、交换接触器触点K1接光伏水泵电源输入端，光伏水泵电源输入端还通过交流接触器触点K2与电能质量分析系统输出端连接，通过控制交流接触器两个触点分别导通，实现光伏供电和交流供电的转换。该系统可以实现光伏水泵电源的切换，同时，供电主电路配置电能质量分析系统可以模拟控制策略经济指标评价系统，便于不同控制策略性能指标评价。