摘要：过程控制实验是工业自动化领域中一项重要的实践活动，它涉及对工业生产过程中常见的物理量（如温度、压力、流量、液位等）进行测量、控制和分析。以下是对过程控制实验的详细介绍：

过程控制实验是工业自动化领域中一项重要的实践活动，它涉及对工业生产过程中常见的物理量（如温度、压力、流量、液位等）进行测量、控制和分析。以下是对过程控制实验的详细介绍：

一、实验目的

过程控制实验的主要目的是帮助学生和技术人员深入了解过程控制系统的结构、工作原理和调试方法。通过实验，可以掌握各种控制仪表的使用、控制系统的组态和调试技巧，以及PID控制等先进控制策略的应用。同时，实验还有助于提高学生对工业自动化系统的认识和理解，为将来从事相关工作打下坚实的基础。

二、实验设备

过程控制实验通常需要使用到一系列专业的实验设备，这些设备包括：

过程控制实验装置：这是实验的核心设备，它模拟了工业生产过程中的各种物理量，并提供了相应的控制手段。实验装置通常由被控对象（如水箱、锅炉等）、检测装置（如传感器、变送器等）、执行机构（如调节阀、加热器等）和控制器（如智能调节仪、PLC等）组成。

计算机及监控软件：用于对实验过程进行实时监测、数据记录和分析。常用的监控软件包括MCGS、组态王等，它们能够实时显示实验过程中的各种参数变化，并生成相应的报表和曲线图。

其他辅助设备：如电源、连接线、接线板等，用于保证实验的顺利进行。

三、实验内容

过程控制实验的内容通常包括以下几个方面：

了解控制系统的组成和原理：通过实验，了解过程控制系统的基本组成、工作原理和信号流向。掌握各种控制仪表的功能和使用方法，以及控制系统的组态和调试步骤。

掌握PID控制策略：PID控制是过程控制中常用的一种控制策略，通过实验，掌握PID控制器的参数整定方法和调试技巧。了解PID参数对控制系统性能的影响，并能够根据实验需求进行相应的调整。

进行实际控制实验：利用实验装置和监控软件，进行实际控制实验。通过调节控制器的参数，观察被控对象的变化情况，并记录相关数据。分析实验数据，了解控制系统的性能特点和稳定性。

故障排查与排除：在实验过程中，可能会遇到各种故障和问题。通过实验，学会如何排查和排除故障，提高解决实际问题的能力。

四、实验步骤

过程控制实验的具体步骤可能因实验设备和实验内容的不同而有所差异，但通常包括以下几个环节：

设备检查与组装：在实验开始前，对实验设备进行检查和组装。确保所有设备正常工作，并正确连接各个部件。

系统组态与调试：根据实验需求，对控制系统进行组态和调试。设置控制器的参数，连接传感器和执行机构，确保系统能够正常运行。

启动实验：在实验开始前，确保所有设备已经正确连接和设置。然后启动实验，观察被控对象的变化情况，并记录相关数据。

数据分析与总结：在实验结束后，对实验数据进行分析和总结。了解控制系统的性能特点和稳定性，并根据实验结果进行相应的调整和优化。

五、实验注意事项

在进行过程控制实验时，需要注意以下几个方面：

安全第一：在实验过程中，要严格遵守安全操作规程，确保人身和设备的安全。

认真记录数据：在实验过程中，要认真记录相关数据，包括实验时间、实验条件、实验结果等。这些数据对于后续的数据分析和总结非常重要。

注意实验环境：实验环境应该保持整洁、安静和有序，避免干扰实验结果。

及时解决问题：在实验过程中，如果遇到问题或故障，要及时解决和处理。不要拖延或忽视问题，以免影响实验进度和结果。

六、实验应用与展望

过程控制实验在工业自动化领域具有广泛的应用前景。通过实验，可以培养出更多具有专业技能和实践经验的技术人才，为工业自动化的发展提供有力的人才保障。同时，随着计算机技术和控制理论的不断发展，过程控制系统也在不断更新和升级。未来，过程控制实验将更加注重与实际工业生产的结合，更加注重培养学生的创新意识和实践能力。

综上所述，过程控制实验是一项非常重要的实践活动，它有助于深入了解过程控制系统的结构、工作原理和调试方法。通过实验，可以掌握各种控制仪表的使用、控制系统的组态和调试技巧，以及PID控制等先进控制策略的应用。

一、概述
1、过程控制实验实训装置（Process Control System，简称PCS），是模仿现代工业生产过程中常见的物理量，诸如温度、压力、流量、液位等参数，对其进行测量、控制，分析过程参数变化特性，研究过程控制规律(如PID控制)的教学实验设备，过程控制综合实验装置选用智能化的工业用仪器仪表，接近工业实际，使用安全，运行稳定，维护简单，性价比优越。本装置集合多种控制方式，再现实际工业现场使用的控制手段，采用声光报警系统，并提供用户更友好的二次开发接口。
2、过程控制实验实训装置可满足“自动调节原理”，“过程控制”，“控制仪表”，“自动检测技术与传感器”,“计算机”及相关课程的教学实验需求；
3、过程控制实验实训装置可作为有关企业技术人员、仪表操作人员、系统运行监控人员的实习、培训实验设备。
二、性能指标及要求：
1、输入电源:三相四线制或三相五线制 380V±10％ 50Hz；
2、工作环境: 温度–10℃－+40℃相对湿度＜85％（25℃）；
3、装置容量：＜5kVA；外形尺寸小于：1800mm×800mm×1800mm，全不锈钢焊接而成。
三、具体系统配置要求
1、不锈钢框架：主体框架采用镜面不锈钢方管焊接而成，对象模型安装架采用镜面不锈钢方管焊接而成，安装底板采用不锈钢工业板制成，造型美观，结实耐用，开放性好。

2、控制系统实验平台：控制对象接口箱分电源箱和信号接口箱。电源箱主要包含各种电源装置及电源分配开关，变频器、三相移相调压装置等强电装置；信号接口箱主要为各种弱电信号与DCS宽展接口。
面板材质采用铝材，面板标识采用凹字烂板工艺进行加工制作，针对各种信号接口均配有文字及符号说明，信号区分一目了然，方便实验接线。所有信号采用国际标准的IEC信号。执行机构接口有三相可控硅移相调压装置、电动调节阀、三相不锈钢磁力泵、电磁阀、三菱变频器及三相电加热管组成，另外电加热锅炉带有防干烧保护设备。并将对象系统各传感器检测及执行器控制信号同面板上的插座相连，便于学生自己连线组成不同的控制系统。

3、亚克力有机玻璃水箱： 包括2个平行上水箱、和下水箱和储水箱。采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。

4、管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成（不采用铝塑管），所有的手动阀门均采用优质球阀，避免管道系统生锈的可能性。其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

5、液位变送器：二个液位变送器分别用来对二个水箱和锅炉的液位进行检测，其量程为0～3KPa，用于测量水箱液位高度，为直流24V供电、标准两线制接线4～20mA变送输出、精度0.5级，采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

6、涡轮流量计：分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、采用标准二线制传输方式，工作时需提供DC24V直流电源。流量范围：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mA。2只
7、水泵：采用磁力驱动泵，流量为30升/分，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。三相磁力驱动泵，噪音低，寿命长，扬程达12米
数量：2只。
8、电磁阀：电动调节阀支路和变频支路的连通阀，具有接通和关断两条支的作用。另外六只作为各液位水箱两条支路的进水阀门。工作压力：最小压力为10Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：－5～80℃；工作电压：24VDC。

9、交流变频控制 ：采用的变频调速模块为多功能、紧凑型产品，具备V/F控制、通用磁通矢量控制、最佳励磁控制等，运行特性：多段速15速、PID控制、输出电流检测、异常时再试功能、零电流检测；输出频率范围：0.2～400Hz；频率设定分辨率：0.06Hz/60HZ；频率精度：最大输出频率的±0.1%以内；控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。
10、智能电动调节阀：电动调节阀是新一代超小型电子式一体化直行程电动调节阀。采用精小型电动执行器伺服放大器，它以220V交流电源为驱动电源，输入标准的4～20mADC控制信号，经伺服放大器控制，使电机带动减速器运行而产生轴向推力，使阀芯移动，改变阀门的开度，达到对液位，流量等工艺参数的调节，从而实现自动控制的目的。超小型直行程单座电动调节阀。广泛应用于电力、暖通中央空调、冶金、轻工等行业的自动化控制系统，更适用于高校教学和科研设备。 阀体为铸铁材质，阀芯为不锈钢材质，国标法兰安装，DC4～20mA电流信号控制，工称通径DN15。该调节阀为直行程气动控制调节阀，具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由控制器直接发送模拟信号控制阀门定位器，阀门定位器驱动执行机构动作，使用和校正都非常方便；进口阀门定位器带HART通信功能，可与HART手持操作器进行通讯。电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。
11、加热常温锅炉：不锈钢温控实验箱1只 由加热箱、加热环、Pt100、温度变送器组成，加热箱内无水断电保护装置，也防止温度干烧。
12、控制系统一，智能数字调节器：具有2路模拟量输入、1路模拟量输出、2路报警输出，支持电流输入，电压输入，热电阻及热电偶信号输入，可保存历史数据。2只
13、控制系统二，计算机直接控制网络模块：要求用于计算机控制，设有通讯端口，完全模拟工业现场环境，装有一块远程数据采集模块和一块远程数据采集模块。要求为8通道模拟量输入模块，输入量为1－5V；为4通道模拟量输出模块，输出信号为4－20mA；上位机要求采用MCGS组态软件进行监控。安装有远程数据采集模块，可进行计算机直接数字控制（DDC）。
▲云服务平台:每套过程控制实验设备通过数据采集每个实验课内容与学生手机进行绑定，实现过程控制参数的在线采集与云服务平台的数据上传，完成实验后可自动生成WORD文档、自动生成实验数据记录表格、自动生成实验曲线；教师机通过云服务平台检查实验内容，并具有批改作业功能以及PPT共享等功能。
提供学生登录界面，提供老师管理界面，提供学校院系界面。

14、控制系统三，PLC控制系统，采用西门子S7-200 SMART主机CPU SR20(自带以太网通讯口)，配置一个4入/2出模拟量模块EM AM06，可完成所有单通道输出、多通道输入控制实验。

15、▲控制系统四， python数据采集卡：投标时提供python数据采集卡软件的著作权证书复印件（原件备查）同时支持labview二次开发，数据采集卡采用工业级的解决方案，，接口采用USB接口，具体核心功能指标要求：
1.1.具有8路模拟量输入：8路电压输入。ADC分辨率：14位，最大采样速率：100K/S。
1.2. 2路模拟量输出：12位，0-10V，100Ksa/s
1.3. 2路1MHz计数、PWM测量输入，2路1MHzPWM、脉冲发生器。
1.4.具有多种采样方式：定时采样，定长采样，单步采样，实时采样。
1.5.具有输入低通滤波，过压保护功能。
1.6.具有12路数字量输入输出：6路输入，6路输出。
1.7.支持波形输出：正弦波，方波，三角波，锯齿波任意波形,上位机软件可采集可调节。
1.8.波形频率可调：范围0-10000HZ，上位机软件显示控制。

16、▲控制系统五，物联网控制系统：开标现场视频演示，本批设备一套3节点1个汇节点.
物联网无线通讯传感网（本批设备一套，一个主机，3个从机，） 配备两种及以上无线传输能力的模块（或电路，例如WIFI、ZigBee），可同时完成不少于4AD/4DA（ADC分辨率12位或以上）、4DI/4DO传输，能够组建实验室无线传感网络，同时提供手机端和PC端的测量和控制软件（投标文件中提供手机APP与无线模块间、4个无线模块间的联机测试功能的截图，不提供以上截图视为不响应此项技术参数，ZIGBEE组网实验（提供触摸屏的组网图），WiFi通讯实验与电脑通信（录制视频寻址过程），PID参数调节与控制（提供4个站点的曲线图），触摸屏显示功能（提供软件界面），手机APP显示与控制（提供软件界面）开关量控制实验）提供实验视频。

17、MATLAB/RTW过程控制仿真软件：（1）仿真系统模拟工业生产过程的四大热工参数，包括液位对象，温度对象，流量对象，压力对象，无缝对接“过程控制实验装置”的控制系统，能够完成基本对象特性测试、单闭环控制、串级控制、前馈反馈控制、流量比值控制等实验，可以替代被控对象。
（2）仿真软件要求在软件设计有原理结构图，具有可开发性。同时要求可开放源代码给学校，供学生自己研究和设计，既满足基本教学同时也可作为研究创新平台使用。
▲（3）要求提供流量和液位单回路、比值控制、串级控制系统 3 种实验的Simulink 控制软件建模界面，仿真曲线效果图，实际控制效果图。

18、▲主机监测单元：机监测单元，整个实验室配1套，电路部分采用超薄可折叠导电材 料 技术，实时检测主机多路运行状况（4路以上），并且带液晶显示和报警显示，主机检测单元可反复折叠不损坏电路，支持手机无线采集数据，并且可以用手机APP读写数据为比较实验效果。须提供4路液晶显示和报警显示软件界截图，提供手机APP软件截图。

四、系统能完成的实验项目
（一）特性实验
1、水箱单容特性实验
2、水箱双容特性实验
3、上下水箱双容特性实验
4、电动阀流量特性实验
5、变频器流量特性实验
6、温度特性实验
7、锅炉内胆水温测试
（二）单回路控制实验
1、单容液位定制控制实验
2、变频器支路单容液位控制实验
3、上下水箱双容液位定制控制实验
4、锅炉内胆压力定值控制实验
5、电动调节阀支路单闭环流量控制实验
6、变频器支路单闭环流量控制实验
7、锅炉内胆温度控制实验
（三）串级控制实验
1、水箱液位串级控制实验
（四）变频恒压实验
1、变频恒压供水实验
（五）物联网无线通讯传感网
1、ZIGBEE通讯实验
2、ZIGBEE组网实验
3、WiFi通讯实验与电脑通信
4、PID参数调节与控制
5、触摸屏显示功能
6、手机APP显示与控制
教师机内容
1、主机监测单元测试
2、手机app控制
3、手机微信端报警设置
过程控制的仿真和基于MATLAB/RTW实时控制实验
1、过程控制的仿真实验
1）对象特性测试实验
① 上水箱特性测试实验
② 下水箱特性测试实验
③ 二阶液位特性测试实验
④ 温度锅炉对象特性测试实验
⑤ 调节阀流量特性测试实验
2）单回路控制系统实验
① 压力单闭环控制系统实验
② 温度单闭环控制系统实验
③ 液位单闭环控制系统实验
④ 流量单闭环控制系统实验
⑤ 双容液位控制系统实验
3）串级控制系统实验
① 上水箱液位和流量的串级控制系统实验
② 上、下水箱液位串级控制系统实验
4）流量比值控制系统实验

来源：科技深观察