基于DCS的雙容水箱液位串級控制

靳瑩瑞，陳玉國

（1．鄭州大學 物理工程學院，鄭州450001；2．中原工學院，鄭州450007）

基于DCS的雙容水箱液位串級控制

靳瑩瑞1，2，陳玉國2

（1．鄭州大學 物理工程學院，鄭州450001；2．中原工學院，鄭州450007）

利用HOLLIAS公司的先進集散控制MACS系統的硬件和軟件對雙容水箱對象構建了串級控制系統．通過MACS系統硬件中的FM148模擬輸入單元現場采集2組檢測數據，由FM151模擬輸出單元輸出控制信號．利用MACS組態軟件實現系統的數據庫組態、設備組態、算法組態及上位機圖形組態，較好地完成了對液位的控制指標要求．

DCS；雙容水箱；串級；MACS

DCS（Distributed Control System，集散控制系統）自問世以來，其可靠性、實用性不斷提高，功能亦日益增強，得到了迅猛發展，已廣泛應用于電力、石油、化工、制藥、冶金、建材等行業［1－3］．HOLLi AS MACS作為國產DCS產品的優秀代表，能夠真正做到“危險分散，控制分散，集中監控”．它應用了工業以太網核心技術，保證了通信的實時性和確定性、網絡的安全性；其I／O模塊可以隨用戶現場需要集中安裝或分散安裝，節省大量的電纜費用；其總線采用目前世界上先進的Profibus－DP現場總線技術．因此，HOLLi AS MACS可方便地和不同廠商、不同品牌的智能儀表進行通訊及數據交換，適合不同的應用場合，系統擴展靈活．雙容水箱是工業生產過程中常見的控制對象，一般表現出二階特性，通常要求對其下面一個水箱液位進行定值控制，利用串級控制可以有效克服其容量滯后［4］．本文利用MACS系統對雙容水箱對象構建DCS串級控制系統，并完成系統的數據庫組態、設備組態、算法組態以及調試和運行，較好地實現了控制指標的要求．

1 硬件結構

圖1 系統硬件結構簡圖

MACS系統硬件由工程師站、操作站、系統服務器、現場控制站（包括主控單元設備和I／O單元設備）及被控對象組成．其結構如圖1所示．MACS系統的網絡由上到下分為監控網絡、系統網絡和控制網絡3個層次．監控網絡實現工程師站、操作員站、高級計算站與系統服務器的互連；系統網絡實現現場控制站與系統服務器的互連；控制網絡實現現場控制站與過程I／O單元的通訊．在由雙容水箱為被控對象構成的MACS串級控制系統中，服務器運行相應的管理程序，對整個系統的實時數據和歷史數據進行管理；工程師站運行相應的組態管理程序，對整個系統進行集中控制和管理；操作員站運行相應的實時監控程序，對整個系統進行監視和控制．現場控制站由主控單元、智能I／O單元、電源單元、現場總線和專用機柜等部分組成．其中主控單元為FM801型，它是MACS系統現場控制站的核心設備，實現對本站I／O模塊數據的采集及運算，接受服務器的組態命令及數據交換；FM148模塊是8路模擬信號輸入單元，用于采集現場檢測數據；FM151模塊是8路模擬信號輸出單元，用于向執行機構輸出控制信號．主控單元與輸入輸出模塊通過現場總線（ProfiBus－DP）相連．

2 軟件設計

MACS組態軟件包括數據庫組態、設備組態、算法組態和上位機圖形組態等．數據庫組態要求工程師及操作員級將用戶提供的原始數據填入相應類的表格中；設備組態用于在工程師站上定義應用系統的硬件配置；算法組態用來規劃控制方案的組織和基本構成；上位機圖形組態則是利用MACS系統生成應用系統所需的各種總貌圖、流程圖和工況圖．

2．1 數據庫組態

根據系統總體的控制要求和硬件結構，需要分別采用2個液位變送器檢測上水箱液位和中水箱液位，并由主控單元作為主副控制器組成串級控制回路，因此，系統數據庫需要對2個模擬量輸入和1個模擬量輸出檢測點獲取的3個數據分別進行組態．具體情況如表1和表2所示．

表1 模擬量輸入AI

表2 模擬量輸出AO

2．2 設備組態

在圖1所示的系統結構圖中，系統主要由工程師站、操作員站、服務器站、現場控制站等組成．在設備組態中，服務站的站號為0，現場控制站的站號為10，操作員站的站號為50．I／O設備中模擬量輸入模塊FM148的設備地址為2，模擬量輸出模塊FM151的設備地址為4．

2．3 算法組態

在構建的MACS串級控制系統中，控制算法需要2個控制器，都由主控單元來承擔．在算法方案中需要1個主功能模塊PID1、1個副功能模塊PID2、2個輸入端子和1個輸出端子，如圖2所示．圖2中的PID模塊有手動、自動、串級和跟蹤等多種工作狀態，本系統設置為串級方式，可以接收其他運算模塊的外給定進行PID運算，采用的PID算法如式（1）．

圖2 串級控制方案

式中：TD為微分時間；KD為微分增益；BD為比例帶；TI為積分時間；Si表示是否要采取積分分離措施，以消除殘差 ．

當｜E（n）｜＞SV時，Si＝0，為PD控制；當｜E（n）｜＜＝SV時，Si＝1，為PID控制．

2．4 上位機圖形組態

上位機圖形組態是利用MACS系統生成的應用系統所需的各種總貌圖、流程圖和工況圖．采用MACS的繪圖工具和多種動態顯示方式構建的圖形組態使操作員可以對現場運行情況一目了然，從而方便地監控現場運行．在本系統中，根據控制系統硬件和控制操作要求，設計了如圖3所示的監控操作畫面．

3 調試與分析

對系統的設備、數據庫、算法和圖形組態完畢后，即可進行聯機調試．在工程師站將要運行的系統分別成功下裝到服務器和操作員站，并重啟服務器．在操作員站打開要調試的工程，運行如圖3所示的監控系統，按照控制要求，點擊PID1和PID2模塊，在彈出的整定畫面中分別對主副控制器的P、I、D參數進行整定．調試的結果如圖4所示，其中圖4（a）為水箱液位控制曲線，圖4（b）為主控制器參數．

從圖4可以看出，液位最終穩定在40 mm，系統超調為5%，調節時間控制在幾分鐘之內．系統輸入輸出通道工作正常，較好地實現了對液位的控制．

圖3 串級控制圖形監控系統

4 結 語

利用MACS系統能夠方便、有效地對雙容水箱對象構建串級控制系統，而且各系統結構之間的數據傳輸通暢，算法功能正常實現，運行良好．如果進一步合理整定控制器參數，控制效果會更佳．

圖4 控制效果圖

［1］戴航丹，吳賽婷，童科慰．DCS控制吹灰系統在超臨界機組中的應用［J］．儀器儀表用戶，2009，16（4）：59－60．

［2］吳秋芳，王致杰．基于 DCS控制的發電廠監控系統［J］．電氣自動化，2008，30（5）：38－40．

［3］楊松柏，曾廣勝，蒲濤．化肥廠生產裝置DCS控制系統升級擴容改造［J］．自動化與儀器儀表，2009（5）：135－137．

［4］邵裕森．過程控制工程［M］．北京：機械工業出版社，2003．

The Cascade Control of Two－tank Level Based on DCS

JIN Ying－rui1，2，CHEN Yu－guo2
（1．Zhengzhou University，Zhengzhou 450001；2．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In the paper，a cascade control system of two－tank level based on advanced distributed control system MACS developeb by HOLLIAS CO．is built．The AI unit FM148 of MACS acquisitions two field data and the A0 unit FM151 outputs control signal．The hardware configuration，data base configuration，algorithm configuration and figure configuration of the system’s configuration software are realized to achieve the control requirements well．

DCS；two－tank level；cascade control；MACS

TP3，TP2

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．016

1671－6906（2011）02－0059－03

2011－03－22

靳瑩瑞（1982－），女，河南洛陽人，講師，碩士生．