過程控制-上水箱液位與進水流量串級控制系統(tǒng)

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1過程控制系統(tǒng)簡介

1.1系統(tǒng)組成

本試驗裝置由被控對象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動泵、氣動調(diào)理閥、直流電磁閥、PA電磁流量計及手動調(diào)理閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻）、渦輪番量計及手動調(diào)理閥組成。1、被控對象

水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。儲水箱內(nèi)部有兩個橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動力支路進水時有雜物進入泵中。

模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度試驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。

盤管：長37米（43圈），可做溫度純滯后試驗，在盤管上有兩個不同的溫度檢測點，因而有兩個不同的滯后時間。

管道：整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，完全避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。2、檢測裝置

壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。

溫度傳感器：本裝置采用六個Pt100傳感器，分別用來檢測上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。六個Pt100傳感器的檢測信號中檢測鍋爐內(nèi)膽溫度的一路到SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的溫度變送器，直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；另外五路經(jīng)過常規(guī)溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4～20mADC電流信號。

流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對調(diào)理閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量，調(diào)理閥支路的流量檢測采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口

的檢測和變送一體的電磁式流量計。3、執(zhí)行機構(gòu)

調(diào)理閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動調(diào)理閥，用來進行控制回路流量的調(diào)理。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作便利等優(yōu)點。

變頻器：本裝置采用SIEMENS帶PROFIBUS-DP通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC220V，輸出為三相AC220V。

水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ-8P，流量為32升/分，揚程為8米，功率為180W。

可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為4～20mA標準電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。

電磁閥：在本裝置中作為氣動調(diào)理閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25；工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝2，最大壓力為7Kg/㎝2；工作溫度：－5～80℃。4、控制器

控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，型號為315-2DP，本CPU既具有能進行多點通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口。5、空氣壓縮機

1.2電源控制臺

電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護，帶有漏電保護空氣開關(guān)、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。

儀表綜合控制臺包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預留了升級接口，因此它在總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號。

1.3總線控制柜

總線控制柜有以下幾部分構(gòu)成：

(1)控制系統(tǒng)供電板：該板的主要作用是把工頻AC220V轉(zhuǎn)換為DC24V，給主控單元和DP從站供電。

(2)控制站：控制站主要包含CPU、以太網(wǎng)通訊模塊、DP鏈路、分布式I/ODP從站和

變頻器DP從站構(gòu)成。

(3)溫度變送器：PA溫度變送器把PT100的檢測信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳送給DP鏈路。

2串級控制系統(tǒng)簡介

2.1串級控制系統(tǒng)的概述

圖2.1是串級控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個控制回路，主、副調(diào)理器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)理器有自己獨立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)理器的給定值，副調(diào)理器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。

圖2.1串級控制系統(tǒng)方框圖

2.2串級控制系統(tǒng)的特點

(1)改善了過程的動態(tài)特性；

(2)能及時戰(zhàn)勝進入副回路的各種二次擾動，提高了系統(tǒng)抗擾動能力；(3)提高了系統(tǒng)的魯棒性；(4)具有一定的自適應能力。

2.3主、副調(diào)理器控制規(guī)律的選擇

在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)理器所起的作用是不同的。主調(diào)理器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)理器。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、確鑿地復現(xiàn)主調(diào)理器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特別的要求，因而副調(diào)理器可采用P或PI調(diào)理器。

2.4串級控制系統(tǒng)的整定方法

在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：

1、逐步迫近法：在主回路斷開的狀況下，依照單回路的整定方法求取副調(diào)理器的整定參數(shù)，把副調(diào)理器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，然后使主回路閉合，仍按單回路整定方法求取主調(diào)理器的整定參數(shù)。今后，將主調(diào)理器參數(shù)設(shè)置在所求得的數(shù)值上，再進行整定，求取其次次副調(diào)理器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)理器。依此類推，逐步迫近，直至滿足動態(tài)品質(zhì)指標要求為止。

2、兩步整定法：兩步整定法就是第一步整定副調(diào)理器參數(shù)，其次步整定主調(diào)理器參數(shù)。整定的具體步驟為：

(1)在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)理器都在純比例作用條件下，主調(diào)理器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記錄下來相應的比例度δ2S和振蕩周期T2S。

(2)將副調(diào)理器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振蕩周期T1S。

(3)根據(jù)求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式，計算主、副調(diào)理器的比例度δ、積分時間TI和微分時間Td的數(shù)值。

(4)按“先副后主〞，“先比例后積分最終微分〞的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)理器的參數(shù)，再觀測過渡過程曲線，必要時進行適當?shù)卣{(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達到滿意為止。3、一步整定法：一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)理器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)理器的參數(shù)。具體的整定步驟為：

(1)在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的狀況下，根據(jù)K02/δ2＝0.5這一關(guān)系式，通過副回路的放大系數(shù)K02，求取副調(diào)理器的比例放大系數(shù)δ2或按經(jīng)驗選取，并將其設(shè)置在副調(diào)理器上。

(2)依照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)理器的參數(shù)。

(3)改變給定值，觀測被控制量的響應曲線。根據(jù)主調(diào)理器放大系數(shù)K1和副調(diào)理器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當調(diào)整調(diào)理器的參數(shù)，使主參數(shù)的動態(tài)品質(zhì)指標最正確。(4)假使出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)理器的比例度δ或增大積分時間常數(shù)TI，即可得到改善。

3上水箱液位與進水流量串級控制系統(tǒng)

3.1試驗設(shè)備：

1.THJ-FCS型高級過程控制系統(tǒng)試驗裝置。2.計算機及相關(guān)軟件。

3.2液位-流量串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

一次干擾二次干擾給定值Q1主調(diào)理器+-+-流量變送器副調(diào)理器氣動閥管道h（液位）上水箱液位變送器圖3.1液位-流量串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3.3系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的主控量為上水箱的液位高度H，副控量為氣動調(diào)理閥支路流量Q，它是一個輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個回路所組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的主控制量H等于給定值，因而系統(tǒng)的主調(diào)理器應為PI或PID控制。副回路是一個隨動系統(tǒng)，要求副回路的輸出能正確、快速地復現(xiàn)主調(diào)理器輸出的變化規(guī)律，以達到對主控制量H的控制目的，因而副調(diào)理器可采用P控制。但選擇流量作副控參數(shù)時，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例度必需選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用PI控制規(guī)律。引入積分作用的目的不是消除靜差，而是加強控制作用。顯然，

由于副對象管道的時間常數(shù)小于主對象上水箱的時間常數(shù)，因而當主擾動（二次擾動）作用于副回路時，通過副回路快速的調(diào)理作用消除了擾動的影響。

3.4控制系統(tǒng)流程圖

控制系統(tǒng)流程圖如圖3.2所示。

圖3.2控制系統(tǒng)流程圖

本試驗主要涉及三路信號，其中兩路是現(xiàn)場測量信號上水箱液位和管道流量，另外一路是控制閥門定位器的控制信號。

本試驗中的上水箱液位信號是標準的模擬信號，與SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331相連，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場測量信號向控制器CPU315-2DP的傳送。

本試驗中的流量檢測裝置（電磁流量計）和執(zhí)行機構(gòu)（閥門定位器）均為帶PROFIBUS-PA通訊接口的部件，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP。由于PROFIBUS-PA總線和PROFIBUS-DP總線中

信號傳輸是雙向的，這樣既完成了現(xiàn)場檢測信號向CPU的傳送，又使得控制器CPU315-2DP發(fā)出的控制信號經(jīng)PROFIBUS-DP總線到達PROFIBUS-PA總線，以控制執(zhí)行機構(gòu)閥門定位器。

3.5試驗過程

本試驗選擇上水箱和氣動調(diào)理閥支路組成串級控制系統(tǒng)（也可采用變頻器支路）。試驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當開度，其余閥門均關(guān)閉。

1、接通控制系統(tǒng)電源，開啟用作上位監(jiān)控的的PC機，進入的試驗主界面。

2、在試驗主界面中選擇本試驗項即“上水箱液位與進水口流量串級控制試驗〞，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，浮現(xiàn)的試驗界面如圖3.3所示。

圖3.3試驗界面

3、在上位機監(jiān)控界面中，將副調(diào)理器設(shè)置為“手動〞，并將輸出值設(shè)置為一個適合的值。4、合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當增加/減少副調(diào)理器的輸出量，使上水箱的液位穩(wěn)定于設(shè)定值。

5、整定調(diào)理器的參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)對調(diào)理器進行設(shè)定。

6、待上水箱進水流量相對穩(wěn)定，且其液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)理器切換到“自動〞狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：

(1)突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；(2)將氣動調(diào)理閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當開度；(3)將閥F1-5、F1-13開至適當開度；

以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出。參與干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)理時間后，水箱液位穩(wěn)定于新的設(shè)定值（后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值）。通過試驗界面下邊的切換按鈕，觀測計算機記錄的設(shè)定值、輸出值和參數(shù)，上水箱液位的響應過程曲線將如圖3.4所示。

圖3.4上水箱液位階躍響應曲線

7、適量改變調(diào)理器的PID參數(shù)，重復步驟6，觀測計算機記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應曲線。

3.6試驗結(jié)果分析

3.6.1整定過程分析

3.5主調(diào)理器設(shè)定

(1)如圖3.5所示，在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)理器都在純比例作用條件下，

主調(diào)理器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。置副調(diào)理時間為最大值，微分時間為0，比例帶為較大值，將系統(tǒng)投入運行。待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，做設(shè)定值階躍擾動，觀測響應，若系統(tǒng)衰減太快，則減小比例帶；若過慢，則增大比例帶。如此反復直到系統(tǒng)出現(xiàn)4：1衰減震蕩過程。記錄下來相應的比例度δ2S和振蕩周期T2S。

(2)將副調(diào)理器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振蕩周期T1S。

(3)根據(jù)求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按單回