專利名稱：一種化工換熱流程過程控制實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工換熱流程控制領(lǐng)域，具體涉及一種化工換熱流程過程控制實驗裝置。
背景技術(shù)：
化工流程控制及過程分析是化學工程與工藝專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點和方法來研究化工過程系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計、控制與最優(yōu)操作。針對化工流程控制的實驗，國內(nèi)外通常以計算機仿真實驗或單元裝置對象過程控制裝置為主要手段，如德國某教儀公司研制的過程控制培訓系統(tǒng)，通過計算機仿真軟件模擬實際工業(yè)生產(chǎn)和加工過程，可以進行溫度、流量、壓力和液位的簡單控制實驗，以及對系·統(tǒng)進行閉環(huán)控制和總線控制；國內(nèi)某教儀公司研制的高級過程控制系統(tǒng)，其實驗對象裝置選用單一鍋爐控制，開展儀器儀表檢測實驗及過程控制實驗；國內(nèi)某高校研制的雙容水箱控制系統(tǒng)，可以進行單回路PID控制及模糊控制等實驗。申請?zhí)枮?00410053038. I的發(fā)明公開了一種化工多變量生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，由nXn維解耦控制器矩陣和多路信號混合器組成，其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)，利用系統(tǒng)設(shè)定點的n維給定值輸入信號與實際被控過程的n維輸出測量信號之間的偏差信號作為系統(tǒng)輸出響應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)信息，經(jīng)解耦控制器矩陣運算處理后，將n維控制輸出信號發(fā)送給被控過程的n維輸入調(diào)節(jié)裝置，從而實現(xiàn)漸近跟蹤系統(tǒng)給定值輸入信號以及抑制負載干擾信號的目的。申請?zhí)枮?00310107956. 3的發(fā)明公開了一種化工開環(huán)不穩(wěn)定串級過程的解耦控制系統(tǒng)，由給定值響應(yīng)控制器、鎮(zhèn)定給定值響應(yīng)的控制器、擾動觀測器、被控中間級穩(wěn)定過程和末級不穩(wěn)定過程的辨識模型以及信號混合器組成，給定值響應(yīng)采用開環(huán)控制方式，通過在前向通道上設(shè)置比例或比例微分控制器來鎮(zhèn)定不穩(wěn)定串級過程，利用中間級過程辨識模型的輸出與實際中間級過程的輸出之間的偏差量以及全局串級過程辨識模型經(jīng)鎮(zhèn)定后的輸出與實際末級過程的輸出之間的偏差量，由內(nèi)外環(huán)中的擾動觀測器調(diào)節(jié)處理，消除負載干擾信號的影響。申請?zhí)枮?00310107957. 8的發(fā)明公開了一種化工串級生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，由給定值響應(yīng)控制器、擾動觀測器、中間級過程辨識模型、末級過程辨識模型以及信號混合器組成，通過設(shè)置在中間級過程輸入和輸出之間的負載干擾抑制閉環(huán)來快速消除混入中間級過程的負載干擾信號，從而平穩(wěn)系統(tǒng)末級過程輸出，系統(tǒng)給定值響應(yīng)采用開環(huán)控制方式，使控制系統(tǒng)的給定值響應(yīng)和中間級過程負載干擾響應(yīng)能夠分別獨立地調(diào)節(jié)。由于化工換熱流程控制的復雜性，制作相應(yīng)的實驗裝置需要耗費較高成本，現(xiàn)在還沒有較完備的化工換熱流程過程控制實驗裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，可以模擬各種化工換熱流程過程，具有良好的快速跟蹤控制效果，誤差極小。一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，包括冷水槽、鍋爐以及四個換熱器，每個換熱器的管程進口通過帶閥門的管路分別與冷水槽出水口相連；每個換熱器的管程出口通過帶閥門的管路分別與冷水槽回水口相連；每個換熱器的殼程進口通過帶閥門的管路分別與 鍋爐出水口相連；每個換熱器的殼程出口通過帶閥門的管路分別與鍋爐回水口相連；各個換熱器的管程通過帶閥門的管路依次連接；各個換熱器的殼程通過帶閥門的管路依次連接；所述冷水槽及鍋爐設(shè)有液位檢測裝置；每個換熱器的管程進口和出口、殼程進口和出口以及鍋爐設(shè)有溫度檢測裝置；所述冷水槽出水口，鍋爐出水口、每個換熱器管程進口以及殼程進口均設(shè)有流量檢測裝置；所述鍋爐出水口以及冷水槽出水口設(shè)有壓力檢測裝置；所有閥門、液位檢測裝置、溫度檢測裝置、流量檢測裝置和壓力檢測裝置均接入控制系統(tǒng)。通過所述控制系統(tǒng)控制管路上各閥門的開啟及關(guān)閉，可以實現(xiàn)不同換熱器之間的串聯(lián)或并聯(lián)，通過所述控制系統(tǒng)控制管路上各閥門的開啟程度，可以控制不同換熱器管程或者殼程中水的流量。本發(fā)明所述帶閥門的管路泛指化工設(shè)備之間的連接方式，并非特指某段管路。所述冷水槽設(shè)有液位檢測裝置，液位低于系統(tǒng)設(shè)置的最低液位時，對冷水槽進行補水；所述鍋爐中設(shè)有液位檢測裝置，當鍋爐內(nèi)液位低于系統(tǒng)設(shè)置的最低液位時，鍋爐加熱器關(guān)閉，防止鍋爐干燒，并向鍋爐補水，當鍋爐內(nèi)液位高于系統(tǒng)設(shè)置的最高液位時，控制鍋爐不能注水。所述的每個換熱器的管程進口和出口、殼程進口和出口設(shè)有溫度檢測裝置，用于采集相應(yīng)位置的溫度值，計算換熱流程中各種參數(shù)，監(jiān)控換熱流程中的實時溫度，通過控制冷水循環(huán)管路或熱水循環(huán)管路中的水的流量，可以調(diào)節(jié)裝置中各處的溫度。所述鍋爐設(shè)有溫度檢測裝置，當鍋爐水溫超過系統(tǒng)設(shè)置的最高溫度時，向鍋爐內(nèi)補水。所述冷水槽出水口，鍋爐出水口、每個換熱器管程進口以及殼程進口均設(shè)有流量檢測裝置，用于檢測相應(yīng)位置的水的流量，計算換熱流程中各種參數(shù)。所述鍋爐出水口以及冷水槽出水口設(shè)有壓力檢測裝置，分別用于檢測熱水循環(huán)管路以及冷水循環(huán)管路中的壓力，當壓力不符合系統(tǒng)的預設(shè)值時，所述控制系統(tǒng)通過控制對應(yīng)的閥門，調(diào)節(jié)相應(yīng)循環(huán)管路中的水的流量。所述換熱器的管程為冷水通道，冷水溫度為5 50°C，所述換熱器的殼程為熱水通道，熱水水溫為60 80°C。所述冷水槽與鍋爐之間連接有帶閥門的補水管路。所述鍋爐的溫度檢測裝置檢測鍋爐水溫超過系統(tǒng)設(shè)置的最高溫度時，打開補水管路中的閥門，向鍋爐補水；所述鍋爐的液位檢測裝置檢測鍋爐液位低于系統(tǒng)設(shè)置的最低液位時，打開補水管路中的閥門，向鍋爐補水，防止鍋爐干燒，當鍋爐內(nèi)液位高于系統(tǒng)設(shè)置的最高液位時，關(guān)閉補水管路的閥門，控制鍋爐不能注水。
所述補水管路中的閥門關(guān)閉時，冷水循環(huán)管路和熱水循環(huán)管路可單獨實現(xiàn)循環(huán)。優(yōu)選地，所述鍋爐出口處管路并聯(lián)有兩端帶閥門的滯后盤管，滯后盤管出口處設(shè)有溫度檢測裝置。所述閥門及溫度檢測接入控制系統(tǒng)，通過閥門的開啟和關(guān)閉，該化工換熱流程過程控制實驗裝置可用于做溫度滯后實驗。作為優(yōu)選，所述冷水槽出口處管路設(shè)有向換熱器以及鍋爐輸送冷水的冷水泵，所述鍋爐出口處管路設(shè)有向換熱器輸送熱水的熱水泵。作為優(yōu)選，所述冷水槽與冷水泵之間設(shè)有中間槽，且中間槽設(shè)有液位檢測裝置，該液位檢測裝置接入所述控制系統(tǒng)。

所述中間槽設(shè)有不接入管路的入水口和排水口，所述中間槽的液位檢測裝置檢測到液位高于系統(tǒng)所設(shè)置的最高值時，通過排水口排水，中間槽的液位低于系統(tǒng)所設(shè)置的最低值時，可通過入水口注水。優(yōu)選地，所述鍋爐功率為16kW，容積為0. 12m3 ;所述滯后盤管總長為32m，純滯后時間為3min，采用敷塑不銹鋼盤管；所述換熱器的最大冷水流量為3m3/h，最大熱水流量為2. 5m3/h。本發(fā)明一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門的開啟和關(guān)閉，可以靈活模擬各種化工換熱流程控制過程，典型的連接方式為各換熱器并聯(lián)或串聯(lián)，通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種控制算法實驗，包括系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、前饋-反饋控制、滯后控制、比值控制、解耦控制和多變量預測控制等，既可作為高等院?？刂普n程的實驗裝置，也可為科研人員對復雜化工換熱流程控制系統(tǒng)的研究提供一個完善的物理模擬對象和實驗平臺。


圖I為本發(fā)明化工換熱流程過程控制實驗裝置示意圖；圖2為本發(fā)明化工換熱流程過程控制實驗裝置中各換熱器并聯(lián)時的示意圖(省略未連通管路)；圖3為本發(fā)明化工換熱流程過程控制實驗裝置中各換熱器串聯(lián)時的示意圖(省略未連通管路)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明化工換熱流程過程控制實驗裝置做詳細描述。如圖I所示，一種化工換熱流程過程控制實驗裝置包括冷水槽I、中間槽2、鍋爐3、換熱器4、換熱器5、換熱器6、換熱器7、冷水泵8、熱水泵9、滯后盤管10以及連接這些部件的管路，管路的相應(yīng)部位設(shè)有閥門11 閥門34，具體連接關(guān)系如下冷水槽I、中間槽2以及冷水泵8依次連接，鍋爐3的出水口與熱水泵9的入口依次連接，冷水泵8的出口通過帶閥門11的管路與鍋爐3的入口連接；換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7這四個換熱器的連接方式如下四個換熱器管程的進口分別與冷水泵8的出口連接，且在對應(yīng)的管路上分別設(shè)有閥門27、閥門29、閥門31和閥門33 ；
四個換熱器管程的出口分別與冷水槽I的回水口連接，且在對應(yīng)的管路上分別設(shè)有閥門13、閥門17、閥門21和閥門25 ；四個換熱器殼程的進口分別與熱水泵9的出口連接，且在對應(yīng)的管路上分別設(shè)有閥門28、閥門30、閥門32和閥門34 ；四個換熱器殼程的出口分別與鍋爐3的回水口連接，且在對應(yīng)的管路上分別設(shè)有閥門12、閥門16、閥門20和閥門24 ；四個換熱器的管程還通過管路依次連接，且在相連的換熱器間分別設(shè)有閥門14、閥門18和閥門22 ；四個換熱器的殼程還通過管路依次連接，且在相連的換熱器間分別設(shè)有閥門15、閥門19和閥門23 ；
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滯后盤管10并聯(lián)在熱水泵9的出水管路上，且滯后盤管10的入口通過帶閥門26的管路連接至熱水泵9的出口。冷水槽I及鍋爐3設(shè)有液位檢測裝置；換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7的管程進口和出口、殼程進口和出口以及鍋爐3設(shè)有溫度檢測裝置；冷水槽I的出水口，鍋爐3的出水口、換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7的管程進口以及殼程進口均設(shè)有流量檢測裝置；鍋爐3出水口以及冷水槽I出水口設(shè)有壓力檢測裝置。所有閥門、液位檢測裝置、溫度檢測裝置、流量檢測裝置和壓力檢測裝置均接入控制系統(tǒng)。其中鍋爐3為不銹鋼電加熱鍋爐,鍋爐3的功率為16kW,容積為0. 12m3 ;滯后盤管10為敷塑不銹鋼盤管，總共38圈，總長為32m，純滯后時間為3min ;換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7這四個換熱器的最大冷水流量為3m3/h，最大熱水流量為2. 5m3/h。根據(jù)與換熱器相關(guān)的閥門狀態(tài)，可以切換四個換熱器的連接關(guān)系，例如關(guān)閉閥門14、閥門18、閥門22、閥門15、閥門19、閥門23、閥門26，打開換熱器相關(guān)的其余閥門，換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7之間形成并聯(lián)(如圖2所示)，此狀態(tài)下可做多換熱器解耦控制實驗等。又例如關(guān)閉閥門13、閥門16、閥門17、閥門20、閥門21、閥門24、閥門26、閥門28、閥門29、閥門30、閥門31、閥門32、閥門33，打開換熱器相關(guān)的其余閥門，換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7之間形成串聯(lián)(如圖3所示)，此狀態(tài)下可做溫度滯后實驗等。本發(fā)明實驗裝置中冷水循環(huán)過程為冷水槽I供水，經(jīng)過中間槽2后，由冷卻泵8輸出，經(jīng)過對應(yīng)換熱器的管程，進入冷水槽1，關(guān)閉自來水及閥門11時，可以實現(xiàn)冷水循環(huán)管路單獨循環(huán)。本發(fā)明實驗裝置中冷水循環(huán)過程為鍋爐3供水，由熱水泵9輸出，經(jīng)過對應(yīng)換熱器的殼程，再次回到鍋爐3中，關(guān)閉閥門11時，可以實現(xiàn)熱水循環(huán)管路單獨循環(huán)。控制系統(tǒng)采用DCS控制系統(tǒng)，通過DCS機柜將實驗裝置與上位機連接，實現(xiàn)上位機對各個數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。本發(fā)明實驗裝置在控制系統(tǒng)中應(yīng)用多變量控制技術(shù)，從生產(chǎn)過程的全局出發(fā)，直接進行多變量系統(tǒng)的設(shè)計，不僅可以避免或減弱各個被控變量間的耦合，而且還能達到一定的優(yōu)化指標，使系統(tǒng)達到更高的控制水平。對于單回路控制系統(tǒng)進行分析或參數(shù)整定，首先要計算其開環(huán)增益，同樣在多變量系統(tǒng)中也是如此，但是更復雜些，對于具有兩個被控變量和兩個操作變量的過程，需要考慮四個開環(huán)增益，盡管從外表上看只有兩個增益閉合在回路中，但是必須就如何匹配做出選擇。下面以四個換熱器的并聯(lián)耦合流程為例，利用本發(fā)明提供的實驗裝置實現(xiàn)多變量解耦預測控制。以換熱器4、換熱器5、換熱器6、換熱器7的冷水進口流量分別作為操作變量MV1、MV2、MV3、MV4，將換熱器4、換熱器5、換熱器6、換熱器7的熱水出口溫度分別作為被控變量CV1、CV2、CV3、CV4，通過計算其相對增益來確定變量間的耦合關(guān)系。I、關(guān)閉閥門14、閥門18、閥門22、閥門15、閥門19、閥門23、閥門26，打開換熱器相關(guān)的其余閥門，換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7之間形成并聯(lián)。2、利用控制系統(tǒng)設(shè)置各調(diào)節(jié)閥初始開度如下(I)冷水槽液位控制設(shè)自動，設(shè)定值50%，
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(2)中間槽液位控制設(shè)自動，設(shè)定值50%，(3)冷水泵出水口調(diào)節(jié)閥開度設(shè)為50%，(4)熱水泵變頻器功率設(shè)為80 %，(5)熱水泵出水口調(diào)節(jié)閥開度設(shè)為50%，(6)換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7冷水進水調(diào)節(jié)閥開度均設(shè)為40%，(7)換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7熱水進水調(diào)節(jié)閥開度均設(shè)為40%。3、將鍋爐加熱器的功率設(shè)為80%，待鍋爐溫度到達60°C時，切換至自動狀態(tài)，溫度設(shè)定值為65 °C。4、打開冷水泵，熱水泵和變頻器。5、待系統(tǒng)達到平衡后，分別完成下列配對實驗(I)以換熱器4冷水進口流量作為操作變量MV1，換熱器4熱水出口溫度作為被控變量CVl，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益Kll ；(2)以換熱器4冷水進口流量作為操作變量MV1，換熱器5熱水出口溫度作為被控變量CV2，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K12 ；(3)以換熱器4冷水進口流量作為操作變量MV1，換熱器6熱水出口溫度作為被控變量CV3，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K13 ；(4)以換熱器4冷水進口流量作為操作變量MV1，換熱器7熱水出口溫度作為被控變量CV4，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K14 ；(5)以換熱器5冷水進口流量作為操作變量MV2，換熱器4熱水出口溫度作為被控變量CVl，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K21。(6)以換熱器5冷水進口流量作為操作變量MV2，換熱器5熱水出口溫度作為被控變量CV2，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K22。(7)以換熱器5冷水進口流量作為操作變量MV2，換熱器6熱水出口溫度作為被控變量CV3，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K23。(8)以換熱器5冷水進口流量作為操作變量MV2，換熱器7熱水出口溫度作為被控變量CV4，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K24。(9)以換熱器6冷水進口流量作為操作變量MV3，換熱器4熱水出口溫度作為被控變量CVl，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K31。(10)以換熱器6冷水進口流量作為操作變量MV3，換熱器5熱水出口溫度作為被控變量CV2，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K32。(11)以換熱器6冷水進口流量作為操作變量MV3，換熱器6熱水出口溫度作為被控變量CV3，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K33。(12)以換熱器6冷水進口流量作為操作變量MV3，換熱器7熱水出口溫度作為被控變量CV4，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K34。(13)以換熱器7冷水進口流量作為操作變量MV4,換熱器4熱水出口溫度作為被控變量CVl，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K41。(14)以換熱器7冷水進口流量作為操作變量MV4，換熱器5熱水出口溫度作為被控變量CV2，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K42。(15)以換熱器7冷水進口流量作為操作變量MV4，換熱器6熱水出口溫度作為被控變量CV3，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K43。(16)以換熱器7冷水進口流量作為操作變量MV4，換熱器7熱水出口溫度作為被控變量CV4，設(shè)計單回路實驗確定其靜態(tài)增益K44。6、計算控制系統(tǒng)的相對增益矩陣X，完成變量配對和模型辨識。配對方法有對角線型(表I)、半角型(表2)和全角型(表3)，分別代表無耦合、部分耦合以及全耦合。表I
權(quán)利要求
1.一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，包括冷水槽、鍋爐以及四個換熱器， 每個換熱器的管程進口通過帶閥門的管路分別與冷水槽出水口相連； 每個換熱器的管程出口通過帶閥門的管路分別與冷水槽回水口相連； 每個換熱器的殼程進口通過帶閥門的管路分別與鍋爐出水口相連； 每個換熱器的殼程出口通過帶閥門的管路分別與鍋爐回水口相連； 各個換熱器的管程通過帶閥門的管路依次連接；各個換熱器的殼程通過帶閥門的管路依次連接； 所述冷水槽及鍋爐設(shè)有液位檢測裝置；每個換熱器的管程進口和出口、殼程進口和出口以及鍋爐設(shè)有溫度檢測裝置；所述冷水槽出水口，鍋爐出水口、每個換熱器管程進口以及殼程進口均設(shè)有流量檢測裝置；所述鍋爐出水口以及冷水槽出水口設(shè)有壓力檢測裝置； 所有閥門、液位檢測裝置、溫度檢測裝置、流量檢測裝置和壓力檢測裝置均接入控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求I所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述冷水槽與鍋爐之間連接有帶閥門的補水管路。
3.如權(quán)利要求2所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述鍋爐出口處管路并聯(lián)有兩端帶閥門的滯后盤管，滯后盤管出口處設(shè)有溫度檢測裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述冷水槽出口處管路設(shè)有向換熱器以及鍋爐輸送冷水的冷水泵，所述鍋爐出口處管路設(shè)有向換熱器輸送熱水的熱水泵。
5.如權(quán)利要求4所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述冷水槽與冷水泵之間設(shè)有中間槽，且中間槽設(shè)有液位檢測裝置，該液位檢測裝置接入所述控制系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求5所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述鍋爐功率為16kW，容積為O. 12m3。
7.如權(quán)利要求6所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述滯后盤管總長為32m,純滯后時間為3min。
8.如權(quán)利要求7所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述換熱器的最大冷水流量為3m3/h，最大熱水流量為2. 5m3/h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，包括冷水槽、鍋爐以及四個換熱器，每個換熱器的管程進口通過帶閥門的管路分別與冷水槽出水口相連；每個換熱器的管程出口通過帶閥門的管路分別與冷水槽回水口相連；每個換熱器的殼程進口通過帶閥門的管路分別與鍋爐出水口相連；每個換熱器的殼程出口通過帶閥門的管路分別與鍋爐回水口相連；各個換熱器的管程通過帶閥門的管路依次連接；各個換熱器的殼程通過帶閥門的管路依次連接。本發(fā)明一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門的開啟和關(guān)閉，可以靈活模擬各種化工換熱流程控制過程，通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種控制算法實驗。
文檔編號G09B23/24GK102789731SQ20121023307
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者馮毅萍, 劉蘇, 曹崢, 榮岡, 金曉明 申請人:浙江大學