基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備制造方法
【專利摘要】一種基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備，包括一個或多個并聯的給水支路，一個或多個光伏揚水支路，一個主管路，多個并聯的用戶支路、引水支路、鍋爐、一個或多個水塔、一個或多個溫室，給水支路的輸出端接在主管路上，主管路對應兩個相鄰給水支路的管段上和相鄰的用戶支路分別設有給水段模擬量電動閥和用戶段模擬量電動閥，連接在主管路首端的給水支路通過補水管與鍋爐的補水端相連，鍋爐的供水端與主管路的中間管段連通、并與溫室給水管路連接，溫室給水管路與溫室入口相連接，溫室的出口與鍋爐回水端連接，水塔設有二個給水管。該裝備與典型工業過程緊密結合，用于高級過程控制的教學科研驗證，有利于科研成果轉化。
【專利說明】基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及工業過程模擬的教學科研平臺裝備，更具體地說，該平臺裝置可以模擬常規的過程控制系統，如單回路(溫度、壓力、流量、液位等)過程參數控制系統、多回路串級控制、前饋控制、比值控制、均勻控制系統等，也可以模擬典型工業應用系統，如動力源分散的給排水系統、帶有水塔的多水源供水系統、帶有水倉的礦井排水系統、I號鍋爐供暖系統、長距離管道輸送系統、離心式水泵起動控制系統、光伏揚水儲能系統等。
【背景技術】
[0002]自動化技術作為國家高科技的重要組成部分，其水平高低已成為衡量國家科技實力和各個行業現代化水平的重要標志。過程控制是自動化技術的重要分支，在石化、電力、冶金、輕工等連續生產過程中有著廣泛的應用。近年來，過程控制技術本身及其應用領域得到了迅速發展。無論是在現代復雜工業生產過程中，還是在傳統生產過程的技術改造中，過程控制技術對于提高勞動生產率、保證產品質量、改善勞動條件以及保護生態環境、優化技術經濟指標等方面都起著非常重要的作用。并且隨著工業生產向著大型化、連續化、網絡化和自動化方向迅速發展，對控制系統的品質也提出了更高的要求，除了簡單過程控制系統夕卜，各種復雜的、多變量、時變、非線性、隨機等過程控制系統的研究變得尤為重要，因此出現了許多新的控制理論，并且這些理論還在繼續發展，它已跨越學科界限，正向以控制論、信息論、放生學為基礎的智能控制理論深入。因此，這些理論進行研究和驗證是非常必要的。
[0003]另外，盡管工科院校信息學科大都開設了過程控制類課程，然而相應的過程控制實驗裝置大都模擬過程工業常規過程參數(如溫度、流量、壓力、液位等)的單回路、多回路控制及實現特殊工藝要求的控制，如單回路PID控制、串級控制、前饋反饋控制、比值控制、均勻控制、分程控制、選擇控制等。模擬的工業對象與實際結合較困難，在現有理論和新理論的驗證和研究方面缺乏較好的實驗設施，嚴重影響教學質量、人才培養質量及科研成果轉化等。因此，設計一種工業過程實驗裝置與典型工業過程結合高級實驗裝置是非常必要的。

【發明內容】

[0004]本實用新型針對現有過程控制實驗裝備存在的不足和缺陷，提供一種基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備，該裝備與典型工業過程緊密結合，用于高級過程控制的教學科研驗證，有利于科研成果轉化。
[0005]本實用新型的技術解決方案是:
[0006]基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備，是由一個或多個并聯的給水支路，一個或多個光伏揚水支路，一個主管路，多個并聯的用戶支路、引水支路、鍋爐、一個或多個水塔、一個或多個溫室構成，給水支路的輸出端接在主管路上，主管路對應兩個相鄰給水支路的管段上和相鄰的用戶支路分別設有給水段模擬量電動閥和用戶段模擬量電動閥，主管路位于給水支路和用戶支路之間的中間管段上設有模擬量調節閥、3號三通閥和流量計，連接在主管路首端的給水支路設置1號三通閥，1號三通閥的另一個出口通過補水管、設在補水管末端的2號三通閥與鍋爐的補水端相連，鍋爐的供水端通過1號循環泵、3號三通閥與主管路的中間管段連通、并通過主管路、接在主管路末端的4號三通閥與溫室給水管路連接，溫室給水管路上的2號循環泵、溫室模擬量電動閥與溫室入口相連接，溫室的出口與鍋爐回水端連接，溫室給水管路末端通過1號電磁閥與1號回水管連通，4號三通閥的另一個出口與2號回水管相通，水塔設有二個給水管，其中一條給水管的進口與所述光伏揚水支路通過6號三通閥連接，另一條給水管與2號三通閥的另一個出口相通，水塔的出口通過2號電磁閥與主管路對應給水支路和用戶支路之間的中間管段連通，所述給水支路是由給水管路、串接在給水管路上的真空度傳感器1、水泵、壓力傳感器1、流量計1、止回閥1、給水電動閥構成，所述光伏揚水支路是由通過管路串接的真空度傳感器I1、光伏泵壓力傳感器I1、流量計I1、止回閥I1、揚水電動閥構成，所述引水支路是由接在結點且分別與對應的給水支路位于水泵和止回閥之間的管段連接和光伏揚水支路中位于光伏泵和止回閥之間的管段連接的3號電磁閥和串接的4號電磁閥和1號真空泵以及串接的4號電磁閥和2號真空泵構成；3號電磁閥的出口并接、4號電磁閥的入口并接，3號電磁閥的并接端和4號電磁閥的并接端連接并通過管路、5號電磁閥與溫室給水管路末端連通，用戶支路是由上至下通過管路連接的用戶電動閥、流量計II1、變頻泵構成，用戶支路末端通過5號三通閥與2號回水管連接。
[0007]本實用新型的有益效果是:
[0008]本實用新型建立了 “基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備”，并將其始終貫穿于本科生和研究生的教學之中，為培養高水平科學研究及培養學生科研實踐能力提供了寬闊的技術平臺，同時為科研人員提供工業應用的驗證及科研平臺，有利于科研成果轉化。其有益效果具體內容是:
[0009](1)該裝備包含了大部分的一般工業過程控制對象，結構更加緊湊
[0010]該裝備通過多個水塔的級聯可以模擬工業過程的串級控制對象；鍋爐的液位及溫度可以模擬工業過程的解耦控制對象；不同管道的流量可以模擬工業過程的比值控制；不同管道的調節閥可以模擬工業過程的分程控制對象；鍋爐與溫室可以模擬大延遲大滯后對象等。該裝備涵蓋了幾乎全部的一般工業過程的控制對象，結構更加緊湊，克服了傳統教學儀器設備的不足。
[0011](2)該裝備在模擬一般工業過程控制對象的基礎上，還可以模擬工業過程的典型應用系統
[0012]該裝備可以模擬動力源分散的給排水系統、帶有水塔的多水源供水系統、帶有水倉的礦井排水系統、鍋爐供暖系統、長距離管道輸送系統、離心式水泵起動控制系統、光伏揚水儲能系統等。該裝備為對典型工業應用系統進行分析與綜合研究提供了良好的平臺，更有利于科研成果的轉化。
[0013](3)該裝備為工業過程先進控制理論與技術的研究提供了更好的驗證平臺
[0014]傳統的教學儀器裝備提供的一般工業過程的溫度、壓力、流量和液位控制問題很難應用優化控制、自適應控制、魯棒控制、預測控制及智能控制等先進控制理論與技術。該實驗裝備模擬的典型工業應用系統可以從節能、節省運行成本、高效率等方面進行工業過程的各種先進控制理論與技術研究。
[0015](4)該裝備可以為各種控制策略對電能質量影響進行指標評價
[0016]該裝備的主電路配置電能質量分析系統，可以對電能質量的有功功率、無功功率、功率因數、諧波等進行分析，為各種控制策略對電能質量影響提供指標評價，有力于不同控制策略的比較研究。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是該基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備的結構圖；
[0018]圖2是一般工業過程的溫度、壓力、液位、流量控制對象的模擬結構圖；
[0019]圖3是一般工業過程的大延遲、大滯后及比值控制對象結構圖；
[0020]圖4是動力分散的給排水系統結構圖；
[0021]圖5是帶有水塔的多水源供水系統結構圖；
[0022]圖6是帶有水倉的礦井排水系統結構圖；
[0023]圖7是鍋爐供暖系統結構圖；
[0024]圖8是光伏揚水儲能系統結構圖；
[0025]圖9是主電路供電及電能質量分析系統結構圖。
【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，該基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備，包括一個或多個(本實施例為II個)并聯的給水支路，一個或多個光伏揚水支路(本實施例為III個),一個主管路，多個并聯的用戶支路(本實施例為&個?、引水支路、1號鍋爐、一個或多個水塔(本實施例為9個?、一個或多個溫室(本實施例為？個),給水支路的輸出端接在主管路上，主管路對應兩個相鄰給水支路的管段上和相鄰的用戶支路分別設有給水段模擬量電動閥和用戶段模擬量電動閥，主管路位于給水支路和用戶支路之間的中間管段上設有模擬量調節閥、3號三通閥和流量計，連接在主管路首端的給水支路設置1號三通閥，1號三通閥的另一個出口通過補水管、設在補水管末端的2號三通閥與1號鍋爐的補水端相連，1號鍋爐的供水端通過1號循環泵、3號三通閥與主管路的中間管段連通、并通過主管路、接在主管路末端的4號三通閥與溫室給水管路連接，溫室給水管路上的2號循環泵、溫室模擬量電動閥與溫室入口相連接，溫室的出口與1號鍋爐回水端連接，溫室給水管路末端通過1號電磁閥與1號回水管連通，4號三通閥的另一個出口與2號回水管相通，所述水塔設有二個給水管，其中一條給水管的進口與所述光伏揚水支路通過6號三通閥連接，另一條給水管與2號三通閥的另一個出口相通，水塔的出口通過2號電磁閥與主管路對應給水支路和用戶支路之間的中間管段連通，所述給水支路是由給水管路、串接在給水管路上的真空度傳感器1、水泵、壓力傳感器1、流量計1、止回閥1、給水電動閥構成，所述光伏揚水支路是由管路、通過管路串接的真空度傳感器I1、光伏泵、壓力傳感器I1、流量計I1、止回閥I1、揚水電動閥構成，所述用戶支路是由上至下通過管路連接的用戶電動閥、流量計II1、變頻泵構成，用戶支路通過5號三通閥與2號回水管連接。所述引水支路是由接在結點八且分別與對應的給水支路中位于水泵和止回閥I之間的管段和光伏揚水支路中位于光伏泵和止回閥II之間的管段相連通的3號電磁閥和串接的4號電磁閥和1號真空泵以及串接的4號電磁閥和2號真空泵構成；3號電磁閥的出口并接、4號電磁閥的入口并接，3號電磁閥的并接端和4號電磁閥的并接端連接(即結點A)并通過管路、5號電磁閥與溫室給水管路末端連通。
[0027]n，m，k，p，q為> I的自然數；普通給水支路與光伏揚水支路的條數可根據需要來設定，其中符號η代表普通離心式水泵給水支路條數，m代表光伏揚水支路條數，n+1?n+l+m#模擬閥代表揚水支路所對應管段設置模擬閥為電動閥代表揚水支路所對應管段設置電動閥為m個；用戶支路條數可根據需要來設定，用符號k來表示，用戶支路間的管段都設置電動閥；溫室個數可根據需要來設定，用符號P來表示；水塔串聯的個數也可根據需要來設定，用符號q來表不。
[0028]安裝時，將I號回水管、給水支路插入I號水槽中，將2號回水管、用戶支路插入2號水槽中，兩個水槽之間通過手動閥可以連通。
[0029]下面針對該裝備模擬不同的工業過程，將整體結構分解來闡述。
[0030]在圖2中，打開引水支路與I號給水支路連接的3號電磁閥，關閉引水支路與其它給水支路連接的電磁閥，關閉引水支路與溫室給水管路末端連接的5號電磁閥；打開I號給水支路的電動閥，關閉其它給水支路的電動閥；關閉用戶支路的電動閥；打開5號三通閥通向4號三通閥的端口，關閉5號三通閥通通向用戶支路的端口 ；打開4號三通閥通向2號回水管的端口，關閉4號三通閥通向2號循環泵的端口；打開I號水槽與2號水槽之間的手閥，構成一條給水支路，由真空度傳感器、水泵、壓力傳感器、流量計、止回閥、電動閥等設備通過管道依次連接；一條引水支路，由真空泵、電磁閥設備通過管道依次連接；1號鍋爐系統，由I號鍋爐、循環泵、三通閥依次通過管道連接；水塔系統，有兩級水箱串聯構成；主管路系統，由主管道、模擬管道特性的電動閥串聯構成。引水支路連接于給水支路，與主管路連通可以模擬一般工業過程的管道壓力、流量控制對象；引水支路、給水支路以及I號鍋爐系統可以模擬一般工業過程的I號鍋爐溫度與液位控制；引水支路、給水支路以及水塔構成回路可以模擬一般工業過程單容液位、雙容水箱液位、單回路以及多回路的PID控制。各電動閥編號如下:n#電動閥代表第η條普通給水支路對應管段的電動閥,n+1?n+1+m代表光伏支路對應管段的電動閥，n+m+k#電動閥代表第k條用戶支路所對應管段的電動閥，q代表水塔串聯個數，n+m+k+p#電動閥代表第P條溫室支路對應管段的電動閥。
[0031]在圖3中，打開引水支路與前兩條給水支路連接的3號電磁閥，關閉引水支路與其它給水支路連接的3號電磁閥；打開引水支路與溫室給水管路末端連接的5號電磁閥；打開前兩條給水支路電動閥，關閉其它給水支路的電動閥；關閉用戶支路的電動閥；打開5號三通閥通向4號三通閥的端口，關閉5號三通閥通向用戶支路的端口 ；關閉I號水槽與2號水槽之間的手閥，構成兩條引水支路分別連接于兩條給水支路，兩條給水支路的電動閥配置電子閥門定位器，連同主管路可以模擬一般工業過程的比值控制、分程控制；一條引水支路、一條給水支路通過三通閥給I號鍋爐補水，I號鍋爐系統與溫室依次連接可以模擬大延遲、大滯后控制對象。各電動閥編號如下:n#電動閥代表第η條普通給水支路對應管段的電動閥，η+1?n+1+m代表光伏支路對應管段的電動閥，n+m+k#電動閥代表第k條用戶支路所對應管段的電動閥，q代表水塔串聯個數。
[0032]在圖4中，打開引水支路與給水支路連接的3號電磁閥，關閉引水支路與溫室給水管路末端連接的5號電磁閥；打開I號三通閥通向主管路的端口，關閉I號三通閥通向補水管的端口；打開3號三通閥與主管路連接的入口，關閉3號三通閥與I號鍋爐供水管連接的入口 ；打開5號三通閥與用戶連接的端口，關閉5號三通閥與4號三通閥連接的端口 ；打開用戶支路電動閥；打開I號水槽與2號水槽連接手閥，2號水槽根據用戶支路設置對應的隔板，構成多條引水支路、多條給水支路、主管路、多條用戶支路構成的系統，同時，用戶支路的電動閥全開，流量調節采用變頻泵調節，可以模擬動力源分散的給排水系統。各電動閥編號如下:n#電動閥代表第η條普通給水支路對應管段的電動閥,n+1?n+1+m代表光伏支路對應管段的電動閥，n+m+k#電動閥代表第k條用戶支路所對應管段的電動閥。
[0033]在圖5中，打開引水支路與給水支路連接的3號電磁閥，關閉引水支路與溫室給水管路末端連接的5號電磁閥；打開I號三通閥通向補水管的端口，關閉I號三通閥通向主管路端口 ；打開2號三通閥通向水塔的端口，關閉2號三通閥通向I號鍋爐的端口 ；打開3號三通閥與主管路連接的入口，關閉3號三通閥與I號鍋爐供水管連接的入口；打開5號三通閥與用戶連接的端口，關閉5號三通閥與4號三通閥連接的端口 ；打開用戶支路電動閥；打開I號水槽與2號水槽連接手閥，I號水槽根據給水支路設置對應的隔板，2號水槽根據用戶支路設置對應的隔板，構成多條引水支路、多條給水支路、主管路、在主管道路上設有水塔、多條用戶支路可以構成帶有水塔的多水源供水模擬系統。各電動閥編號如下:n#電動閥代表第η條普通給水支路對應管段的電動閥，n+1?n+1+m代表光伏支路對應管段的電動閥，n+m+k#電動閥代表第k條用戶支路所對應管段的電動閥，q代表水塔串聯個數。
[0034]在圖6中，打開引水支路與給水支路連接的3號電磁閥，打開引水支路與溫室給水管路末端連接的5號電磁閥；打開I號三通閥通向主管路的端口，關閉I號三通閥通向補水管路端口 ；打開3號三通閥與主管路連接的入口，關閉3號三通閥與I號鍋爐供水管連接的入口 ；打開5號三通閥與用戶連接的端口，關閉5號三通閥與4號三通閥連接的端口 ；打開與5號三通閥連接的用戶支路電動閥，關閉其它用戶支路的電動閥；打開4號三通閥與2號回水管連接的端口，關閉4號三通閥與5號三通閥連接的端口；關閉I號水槽與2號水槽連接手閥；打開I號電磁閥，構成多條排水、一條回水支路，I號水槽不設置隔板可以模擬礦井水倉，2號循環泵、4號三通閥、引水支路及相應管路可以模擬礦井水倉進水，多條給水支路、多條引水支路及主管路可以模擬礦井水倉排水系統。各電動閥編號如下:n#電動閥代表第η條普通給水支路對應管段的電動閥，n+1?n+1+m代表光伏支路對應管段的電動閥，n+m+k#電動閥代表第k條用戶支路所對應管段的電動閥。
[0035]在主管道的管路上設有多臺電動閥來模擬管路特性，構成長距離管道輸送模擬系統。
[0036]在給水支路上水泵采用離心式水泵，出口管路上設有真空泵引水系統，構成離心式水栗起動控制系統。
[0037]在圖7中，打開引水支路與I號條給水支路連接的3號電磁閥，關閉引水支路與其它給水支路連接的電磁閥，關閉引水支路與溫室給水管路末端連接的5號電磁閥；打開I號三通閥通向補水管路的端口，關閉I號三通閥通向主管路端口 ；打開3號三通閥與I號鍋爐給水管連接的入口，關閉3號三通閥與主管路連接的入口；打開5號三通閥與4號三通閥連接的端口，關閉5號三通閥與用戶連接的端口 ；關閉用戶支路的電動閥；打開4號三通閥與5號三通閥連接的端口，關閉4號三通閥與2號回水管連接的端口 ；關閉I號水槽與2號水槽連接手閥；打開與溫室連接的電動閥，打開I號電磁閥，構成一條引水支路、一條給水支路通過三通閥給I號鍋爐補水，I號鍋爐系統與溫室通過部分主管路依次連接可以模擬I號鍋爐供暖系統。各電動閥編號如下：n#電動閥代表第η條普通給水支路對應管段的電動閥，η+1~n+1+m代表光伏支路對應管段的電動閥，n+m+k#電動閥代表第k條用戶支路所對應管段的電動閥，n+m+k+p#電動閥代表第P條溫室支路對應管段的電動閥。
[0038]在圖8中，打開引水支路與給水支路連接的3號電磁閥，關閉引水支路與給水管路末端連接的5號電磁閥；打開I號三通閥通向主管路端口，關閉I號三通閥通向補水管路的端口 ；打開3號三通閥與主管路連接的入口，關閉3號三通閥與I號鍋爐給水管連接的入口；打開5號三通閥與用戶連接的端口，關閉5號三通閥與4號三通閥連接的端口 ；打開用戶支路的電動閥；打開6號三通閥通向水塔的端口，關閉6號三通閥通向主管路的端口 ；關閉I號水槽與2號水槽連接手閥，構成多條引水支路、多條給水支路，其中一條給水支路采用光伏水泵及光伏供電系統，光伏給水支路通過三通閥給水塔供水，再結合主管路及多條用戶支路可以模擬光伏揚水儲能控制系統。各電動閥編號如下：n#電動閥代表第η條普通給水支路對應管段的電動閥，η+1~n+1+m代表光伏支路對應管段的電動閥，n+m+k#電動閥代表第k條用戶支路所對應管段的電動閥，q代表水塔串聯個數。
[0039]在圖9中，本系統的主電路供電是由接在交流電源端分為二路，一路連接具有電壓、電流監測功能的電能質量分析系統，電能質量分析系統輸出端直接給I號鍋爐、水泵、真空泵、電動閥、電磁閥供電；另一路由光伏光源、光伏電池板、變流設備、交換接觸器觸點Kl接光伏水泵電源輸入端，光伏水泵電源輸入端還通過交流接觸器觸點K2與電能質量分析系統輸出端連接，通過控制交流接觸器兩個觸點分別導通，實現光伏供電和交流供電的轉換。該系統可以實現光伏水泵電源的切換，同時，供電主電路配置電能質量分析系統可以模擬控制策略經濟指 標評價系統，便于不同控制策略性能指標評價。
【權利要求】
1.基于工業過程模擬的教學科研平臺裝備，其特征是:由一個或多個并聯的給水支路，一個或多個光伏揚水支路，一個主管路，多個并聯的用戶支路、引水支路、鍋爐、一個或多個水塔、一個或多個溫室構成，給水支路的輸出端接在主管路上，主管路對應兩個相鄰給水支路的管段上和相鄰的用戶支路分別設有給水段模擬量電動閥和用戶段模擬量電動閥，主管路位于給水支路和用戶支路之間的中間管段上設有模擬量調節閥、3號三通閥和流量計，連接在主管路首端的給水支路設置1號三通閥，1號三通閥的另一個出口通過補水管、設在補水管末端的2號三通閥與鍋爐的補水端相連，鍋爐的供水端通過1號循環泵、3號三通閥與主管路的中間管段連通、并通過主管路、接在主管路末端的4號三通閥與溫室給水管路連接，溫室給水管路上的2號循環泵、溫室模擬量電動閥與溫室入口相連接，溫室的出口與鍋爐回水端連接，溫室給水管路末端通過1號電磁閥與1號回水管連通，4號三通閥的另一個出口與2號回水管相通，水塔設有二個給水管，其中一條給水管的進口與所述光伏揚水支路通過6號三通閥連接，另一條給水管與2號三通閥的另一個出口相通，水塔的出口通過2號電磁閥與主管路對應給水支路和用戶支路之間的中間管段連通，所述給水支路是由給水管路、串接在給水管路上的真空度傳感器1、水泵、壓力傳感器1、流量計1、止回閥1、給水電動閥構成，所述光伏揚水支路是由通過管路串接的真空度傳感器I1、光伏泵壓力傳感器I1、流量計I1、止回閥I1、揚水電動閥構成，所述引水支路是由接在結點且分別與對應的給水支路位于水泵和止回閥之間的管段連接和光伏揚水支路中位于光伏泵和止回閥之間的管段連接的3號電磁閥和串接的4號電磁閥和1號真空泵以及串接的4號電磁閥和2號真空泵構成；3號電磁閥的出口并接、4號電磁閥的入口并接，3號電磁閥的并接端和4號電磁閥的并接端連接并通過管路、5號電磁閥與溫室給水管路末端連通，用戶支路是由上至下通過管路連接的用戶電動閥、流量計II1、變頻泵構成，用戶支路末端通過5號三通閥與2號回水管連接。
【文檔編號】G09B25/00GK203631048SQ201320791280
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】丁碩, 巫慶輝, 王長忠, 于忠黨, 楊友林, 楊禎山, 韓建群, 張博, 劉闖 申請人:渤海大學