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SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司1最新一代高级多功能过程控制实训系统SMPT-1000介绍(西门子杯全国大学生控制仿真挑战赛指定比赛设备)北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心(教育部化工安全工程中心,原仿真中心)西门子(中国)A&D有限公司联合推出一、产品背景与理念过程工业包括石油、化工、电力、核能、水处理、食品、生物、制药、水泥、冶金等诸多行业,过程控制是自动化专业中一个重要的组成部分,过程控制技能也是控制工程师所应具备的重要技能之一。近年来,教育部强调教育人才要与市场相结合,突出工程能力的培养,并对实验环节提出了设计型、综合型、创新型和探索型等更高的教学目标。这就要求我们过程控制专业的学生在校期间能够尽可能多地进行动手训练,从实践中获得工程技能。然而,由于过程工业具有流程复杂、规模庞大等特点,生产过程常常伴有高温、高压等环节,因此很难在实验室中构建与工业装置相近的实验对象。缺乏理想的过程控制实验装置是目前国内高校、职校等在过程控制工程型人才培养方面面临的最重要的问题之一。该问题直接导致了学生工程实践能力较弱,无法很好地满足行业对人才的需求。过去,许多学校采用以水槽液位为主要被控对象的过程控制实验装置。这类实物仿真装置具有外形直观的优点,学生可以看到变送器、控制器、执行机构的实物,在入门阶段对于认识控制系统组成具有相当好的教学意义。但是,其表现的对象特性、系统复杂程度与工业真实装置相差太远,仅仅能够满足认知型实验的要求。这类实验装置的突出不足在于:实验对象过于简单,与真实生产装置差别太大。实验装置在相当小的尺寸范围内采用水作为介质进行模拟生产装置。实验系统过于简单,时间常数过小,动态特性与实际装置相比差异很大。非线性环节、大滞后、高阶等过程工业常见的被控对象特性都无法在实验装置中体现。除了流体流动与传热实验外,化学反应、物料混合、组分变化、气体压缩、复杂的传质过程等过程工业的精髓内容都无法实现。许多在这类实验装置上进行训练的学生都误以为过程控制就是流量与液位的控制。教学内容单一。被控环节类型简单,数量少,只有进行比较基础的数量有限的过程控制实验,无法进行复杂控制、先进控制和优化控制等内容。对目前国家急需的节能、减排和安全控制等新兴方向,无法展开相应的实验教学。SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司2实验教学效果不佳。由于对象过于简单,检测点与执行机构数量和种类的限制,导致学生仅按照厂商的规定路线进行简单的重复步骤。教学效果上看,学生往往去记忆步骤,而缺乏思考,达不到教育部提出的设计型、综合型和创新性实验。安全性差,可靠性差。实验装置普遍需要220V或380V交流电源,高温加热和泵等设备对实验学生都将构成一定的危险性。传感器与执行机构由于频繁启停,导致性能急剧恶化和损坏,维护成本大,系统可靠性不高,管道尺寸过小,安装过于紧凑,导致流体实验重复性差。有鉴于此,北京化工大学于2003年开发成功MPCE-1000多功能过程与控制半实物仿真实验装置,并在三十多所院校的过程控制专业进行了教学应用。MPCE-1000提供了化工行业常见的离心泵液位、列管式换热器、气体压缩、CSTR连续反应器、间歇反应器等环节,首次将全数字仿真技术与半实物实验装置结合,集多种教学和实验功能于一身,具有真实感强的特点。在该实验装置上,既可以进行初级与中等复杂程度的过程与控制实验、也可以进行高级复杂的过程与控制实验,满足了节能、安全、环保等实验系统的要求,并克服了传统水槽实验系统以上提及的不足,是过程控制实验装置的一次重大飞跃,同时也成为今后过程控制实验装置的发展方向。在MPCE-1000多年成功教学实践的基础上,我们广泛听取了高校、职校等一线任课教师的建议,尤其是采纳了来自西门子杯全国大学生控制与仿真挑战赛反馈的意见,经过多方总结归纳后,我们进一步凝炼了理想的过程控制实验装置应具备以下特点:工程化背景要强,同时具备良好的通用性,行业覆盖面广实验对象的工艺流程要取材于实际生产装置,设备与工艺参数、稳态和动态特性,甚至包括异常工况下的动态响应等都应与实际装置的数据吻合。实验装置中所体现的设备、操作和工艺三方面都应满足过程控制工程化背景的要求。同时,由于过程控制涉及石油、化工、能源、生物、冶金、食品、制药等众多行业,过程控制人才培养不应局限于某一行业,所以要求实验装置应该具备良好的行业通用性,尽可能解决多过程控制中的共性问题,不宜引入冷门的对象。被控对象要有一定的难度,但对象机理要易于理解被控对象的难度体现在:流程要有一定的系统复杂度被控对象特性要有一定的难度流程和对象特性过于简单,则无法进行复杂控制、先进控制等高层次的实验。过程控制人才培养中,虽然要求学生要掌握一定的过程对象知识。但是,实验的主要目的仍以掌握过程控制技能为主。因此,对绝大部分院校在实际日常教学中,不宜引入机理过于复杂的被控对象。被控对象灵活多变,教学内容丰富,能应对多种层次的教学或科研应用实验装置的灵活性体现在:被控对象特性种类要丰富、检测点的种类与数量多、执行机构种类和数量多、信号与网络的种类与数量多、设备尺寸与工艺参数可变、SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司3流程可变。具备这些特征后,使得实验教学的内容大大丰富,才能在装置上进行设计型、综合型与创新型实验。此外,实验装置应具备由浅入深的特点,以及灵活的用户自定义和二次开发的能力,允许根据教学需求进行内容、规模和复杂度上的选择,以能够适应各层次院校的教学需求。同时,除满足职校和高校本科的教学应用外,对研究生教育和科研也能够提供高质量的被控对象实验环境。完整的配套教学解决方案完整的教学解决方案包括培养目标、能力需求模型、专业知识与技能培养方案、实验教学大纲、配套教学资源(教材、视频等)等内容。简单易用被控对象实验装置使用应尽可能简单,不需要复杂培训即可上手使用。这样,才能将有限的实验时间用在过程控制技能的训练上。安全可靠,免维护实验装置应无安全隐患,允许无人值守情况下进行学生自主实验。由于实验过程应鼓励学生进行各类探索与尝试,装置操作频繁,因此对装置的可靠性提出了甚至比工业装置还要高的要求。SMPT-1000高级多功能过程控制实训系统遵循以上标准进行设计,充分吸收和结合了水槽过程实验装置与MPCE-1000双方的优点,首次运用真实的立体管路和空间分布的设备外观设计。突出的特点:一、流程直观,传感器、变送器、调节阀、泵等部件可直接观察,演示作用明显。二、易于理解。对象流程的复杂度适度,对象特性种类全面,知识点全面。同时,对象的机理更容易被学生所理解。三、通用性强。被控对象工艺过程取材于过程工业通用装置,因此覆盖了更多过程行业对控制技能的培养需求。四、灵活性得到质的飞跃。所有设备尺寸和特性、物性参数、工艺均可自定义,甚至可以多台设备组合形成厂级流程。五、工程化教学理念。SMPT-1000突出工程化教学理念,完全针对市场对过程工程师提出的能力模型基础上进行设计与开发,并辅以完整的教材等资源,因此在人才培养上,更加贴近工程化和市场化的需求。SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司4西门子过程控制工程师能力模型二、SMPT-1000高级多功能过程控制实训系统构成SMPT-1000高级高级多功能过程控制实训系统由立体流程设备盘台、高精度工业仿真引擎及实验监测软件、IO接口与辅助操作台及工业控制系统四部分组成。1.立体流程设备盘台见下图所示,在钢制的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。图1SMPT-1000立体管道及三维设备空间分布示意图SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司5SMPT-1000外形视图图:符合工业现场安装方式的气动调节阀、前后阀、旁路阀组SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司6主设备包括:卧式除氧器、列管式换热器、盘管式省煤器、上汽包、加热炉本体、蒸发器。执行机构包括两台离心泵、一台风机、十二个特性可变调节阀、五个开关阀。检测部分包括:三台液位指示仪、九台数字变送器、若干传感器外形和若干管路系统。本盘台是学生直接操作和运行过程系统的环境。本环境给学生以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。关键的流量、温度、液位、压力与组份现场数字或光柱显示,检测点在设备和管路上均设有传感器外观。2.高精度工业仿真引擎及实验监测软件运用工业级高精度定量动态数学模型,模拟全工况下真实工艺流程。具体分为以下流程的动态仿真模型:(1)非线性离心泵液位系统(2)蒸汽除氧压力系统(3)高阶列管式换热系统(4)蒸发器系统(5)再沸器系统*(6)加热炉系统(7)工业锅炉系统(8)水汽热能全流程系统(9)制氢气体反应炉系统**内容为选配件针对教学要求,模型的设计由浅入深,由局部设备到全流程。这样,学生在逐渐掌握了各类设备的控制方案后,再进行更大难度、更复杂的全流程控制训练。同时,为方便实验教学,开发相应的实验监测软件,提供以下功能:设备快速与完整自检教学方案设计实验数据纪录及评分实验工程开始、暂停、恢复原有工况、切换和实施扰动出题及考试功能施加各类自定义干扰实验装置内部组态等功能此外,SMPT-1000创新地采用分布式实时仿真技术,可以将多台SMPT-1000及后续型号的实验装置组合、拼装成更大的厂级流程。如下图所示:SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司7图基于分布式实时仿真技术的(DRS)的厂级流程适合于生产实习3.信号I/O接口及辅助操作台SMPT-1000在对外接口功能上进行了进一步提升,除MPCE-1000提供的4-20mA模拟量信号外,还提供DI/DO、ProfibusDP、OPC等接口。扩展包还将包括与VB、MATLAB的软件接口以及Profinet工业以太网等。SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司8图SMPT-1000接口丰富,可与各种控制系统相连每一路信号的输入、输出均可由用户自定义,并可以设置信号故障,用于排错教学实验。此外,辅助操作台提供泵及点火等手动按钮、关键变量报警蜂鸣、联锁保护及紧急停车按钮。4.工业控制系统SMPT-1000采用西门子最新型PLC或DCS工业控制系统,包括:控制器:300PLC/PCS7BOX/PCS7STEP7或PCS7软件:符合IEC61131-3标准的控制器组态远程I/O:AI/AO、DI/DO、PROFIBUSDP端口HMI:WINCC组态软件三层网络:基于PROFIBUS或PROFINET构建现场总线、工业网络系统逻辑图如下所示:图SMPT-1000完全体现工业现场网络概念可以基于西门子工业控制系统实施各类信号、控制、网络及诊断等内容的实验教学。三、工艺对象说明及教学内容设计SMPT-1000高级多功能过程与控制通用实验装置全系统的工艺流程图见下图所示。工艺过程可拆分或组合成设备级、单元级和流程级。突出了质量平衡、能量平衡与转换、SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司9燃烧、蒸发、气相反应等,基本覆盖三传一反等常见过程。工艺机理易懂,流程结构相对复杂。由于SMPT-1000提供了9个实验流程,允许和鼓励对每台设备参数、工艺参数、执行机构、检测点自由定义,因此所能进行的实验数量相当多。下面只是就不同对象可进行的实验作了了简要描述,教师完全可以在该实验装置上进行二次开发,按照自己的教学要求设计全新的实验内容。SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司10SMCT-1000详细说明保密北京化工大学西门子(中国)有限公司11实验装置可拆分、组合成以下工艺对象(*为选配件)。1.离心泵液位设备包括:卧式储罐、入口管线、出口管线、离心泵、调节阀组。检测点:入口流量、出口流量、液位、泵吸入压力、泵出口压力、泵电机功率、离心泵效率、扬程等参数执行机构:离心泵、入口
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