一、系统组成、功能及技术参数

    THJDS-1型过程自动化控制系统实训平台由不锈钢框架、水箱、锅炉、盘管、板式换热器、磁力驱动泵、现场仪表、阀门及管路等组成。可以组成温度、压力、流量、液位等控制回路，实现四大热工参量的测量与控制，可进行现场仪表的安装调校、对象特性测试、单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、比值控制、解耦控制等控制内容。

水箱

    包括上、中、下3个液位水箱和1个储水箱。液位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。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。同时，结合实际生产过程的对象特征，在上水箱和中水箱的出水口均增加了电动球阀和流量计，可以实现水箱出水流量的自动控制。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52cm×43cm，容量为152L，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

锅炉

    有3kW三相电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，主要完成相关的温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。内胆尺寸:直径Φ=19cm，高度h=50cm，容积=14.2L；锅炉夹套尺寸:直径Φ=27cm，高度h=42cm，容积=9.8L。

盘管

    模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37m（43圈），管径15mm，在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。盘管的出水通过手动阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。

管道压力变送器

    采用扩散硅压力变送器对动力系统作用下产生的管道压力进行检测，其量程为0～200kP，精度为0.5级。采用工业扩散硅压力变送器，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。

液位变送器

    四个液位变送器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，上、中水箱水位检测各采用工业用的扩散硅压力变送器1个，量程为0～5kP，精度为0.5级。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。下水箱采用工业用的扩散硅压力变送器和SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的压力传感器各1个。扩散硅压力变送器量程为0～5kP，精度为0.5级；SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的压力传感器通过总线供电，不需要另外接工作电源。

温度传感器

    装置中采用了9只Pt100铂电阻温度传感器和1只K分度热电偶温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）、上水箱出口的水温以及板式换热器进出水的温度。Pt100测温范围：-200～+650℃。经过温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好，可用于做标准校验用热电阻。K分度热电偶温度传感器通过K分度温度变送器变送输出4～20mA直流电流信号，然后送入二次仪表进行温度的测量。

流量传感器、变送器

    采用1台电磁流量计与4台涡轮流量计。电磁流量计为标准的四线制接线，电源输入AC220V，量程0～1.5m³/h，精度0.5级，输出信号DC4～20mA电流输出，流体温度-40～+180℃，用来对电动调节阀支路流量进行检测。涡轮流量计的传感器部分为涡轮结构，是一种速度式检测仪表，用于检测水流量的大小，当流量很小时其精度也不会降低。变送器为直流24V供电、4～20mA变送输出、标准两线制接线、精度1.0级，是高精度型传感器、变送器一体式结构的流量检测装置，用来对变频泵支路流量、盘管出口流量及上、中液位水箱出口进行检测。

执行器

    两条动力支路分别采用两种执行装置，一条支路采用电动调节阀，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。另一条支路采用日本三菱变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V，控制信号为4～20mADC。

电动调节球阀

    设备中采用两台电动调节球阀分别对上水箱、中水箱出水口的出水流量进行控制，球阀采用三片式结构，电源为单相220V，控制信号为DC4～20mA。

工业板式换热器

    本装置采用不锈钢工业板式换热器，通过对冷水流量和热水流量的控制，实现温度的定值控制和串级控制等实训操作。

水泵

    本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，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,一台为三相380V恒压驱动，另一台为三相变频220V输出驱动。

电磁阀

    电磁阀安装在电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀工作压力：最小压力为0kg/ cm²，最大压力为10kg/cm²；工作温度:－5～60℃。

电加热管

    由三根1kW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。

管道及阀门

    整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了装置的使用年限。其中储水箱底部装有出水阀，当水箱需要更换水时，把出水阀打开将水直接排出。

二、系统主要特点

1. 被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数
2. 执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器
3. 系统除了能改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动
4. 一个被调参数可用不同的动力源、不同的执行器和不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣
5. 能进行多变量控制系统及特定的过程控制系统实验

三、“THJDS-1型 过程自动化控制对象系统实训平台”系统总貌图(见图3)

图3 THJDS-1型 过程自动化

制对象系统总貌图