CS2000裝置二階液位PID控制研究

王 婕 姚明源

(1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州 510725；2.廣州拉斯卡工程咨詢有限公司，廣州 510305)

集散控制系統(tǒng)(DCS)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用4C技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)[1]。由浙江中控集團(tuán)教學(xué)儀器有限公司開發(fā)的CS2000化工儀表維修工競(jìng)技實(shí)訓(xùn)裝置，采用浙江中控技術(shù)股份有限公司的WebField JX-300XP DCS控制系統(tǒng),被控參數(shù)包括了工業(yè)上常用的液位、溫度、流量和壓力四大參數(shù),目前已經(jīng)成為很多大中專院校使用的實(shí)驗(yàn)裝置，并且成為全國職業(yè)技術(shù)院校技能大賽化工儀表自動(dòng)化賽項(xiàng)的指定設(shè)備，其中的二階雙容液位控制成為競(jìng)賽取勝的關(guān)鍵。如何做好該液位的PID控制，更快、更好地整定出要求的性能指標(biāo)，成為比賽的難點(diǎn)。筆者經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了二階液位控制系統(tǒng)，并找到一種較好的PID整定方法，可以快速實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)整定，使液位控制達(dá)到要求的性能指標(biāo)。

1 CS2000過程控制實(shí)訓(xùn)裝置簡介①

CS2000實(shí)訓(xùn)裝置包括控制臺(tái)供電系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)對(duì)象及現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)等幾部分，將水箱、鍋爐及換熱器等經(jīng)典控制對(duì)象集成在同一設(shè)備上，與控制站、上位機(jī)構(gòu)建成一個(gè)完整的DCS控制系統(tǒng)[2]。液位控制系統(tǒng)中包括一組有機(jī)玻璃三容水箱，每個(gè)水箱中裝有液位傳感器，可以實(shí)現(xiàn)上、中、下水箱一階控制以及上、中水箱組合的二階控制等方案。

1.1 CS2000裝置硬件構(gòu)成

1.1.1控制站

現(xiàn)場(chǎng)控制站由電源模塊、主控卡(XP243)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡(XP233)、I/O卡件、交換機(jī)及機(jī)柜等部分組成。其中主控卡是系統(tǒng)的軟/硬件核心，協(xié)調(diào)控制站內(nèi)部所有的軟/硬件關(guān)系并執(zhí)行各項(xiàng)控制任務(wù)，主要包括I/O處理、控制運(yùn)算、上/下網(wǎng)絡(luò)通信控制及診斷等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的功能是主控制卡連接I/O卡的中間環(huán)節(jié)。I/O卡用來處理現(xiàn)場(chǎng)的各種輸入/輸出信號(hào)[3]。

1.1.2操作站

實(shí)驗(yàn)室中為該實(shí)訓(xùn)裝置配置兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，其中一臺(tái)作為工程師站，安裝有SCKey組態(tài)軟件，用于工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)擴(kuò)展或維護(hù)修改[4]；一臺(tái)作為操作員站，安裝有AdvanTrol監(jiān)控軟件，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。從工程師站通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送組態(tài)給操作員站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.1.3系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)

WebField JX-300XP DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分別為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、過程控制網(wǎng)絡(luò)和控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)三層。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高層監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)與工程師站和操作員站的互連，過程控制網(wǎng)絡(luò)采用控制網(wǎng)絡(luò)SCnetII連接工程師站、操作站、控制站和通信處理單元，控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主控卡與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、I/O卡的連接與通信[5]。

1.2 系統(tǒng)軟件

WebField JX-300XP DCS系統(tǒng)軟件采用AdvanTrol-Pro 2.65軟件包，在WebField系列集散控制系統(tǒng)中完成系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)服務(wù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。AdvanTrol-Pro軟件包分為運(yùn)行監(jiān)控軟件和組態(tài)軟件兩部分。

2 液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 中水箱液位監(jiān)控主界面的設(shè)計(jì)

在流程圖制作軟件SCDrawEx中，進(jìn)行二階雙容中水箱PID控制畫面的組態(tài)。在流程圖畫面組態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)設(shè)置中導(dǎo)入I/O數(shù)據(jù)上水箱液位LT1、中水箱液位LT2和下水箱液位LT3，在LIC-02處導(dǎo)入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)閥位(常規(guī)回路中已經(jīng)完成中水箱液位單回路控制組態(tài))。在主界面中，可以通過調(diào)節(jié)電動(dòng)閥閥位開度給上水箱供水，上水箱和下水箱液位可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字和柱形圖的顯示，并在控制器中進(jìn)行液位的自動(dòng)控制。二階雙容中水箱PID控制畫面如圖1所示。

圖1 二階雙容中水箱PID控制主界面

2.2 中水箱液位的回路調(diào)整畫面

在回路調(diào)整畫面中，可以顯示當(dāng)前被控參數(shù)的相關(guān)信息，如量程上/下限及低/高報(bào)等相關(guān)報(bào)警信息，同時(shí)顯示調(diào)節(jié)器的正、反作用。在回路調(diào)整畫面中可設(shè)置回路參數(shù)，包括：手/自動(dòng)切換、調(diào)節(jié)器正/反作用設(shè)置、PID調(diào)節(jié)參數(shù)、回路給定值SV和回路閥位輸出值MV。設(shè)計(jì)好的回路調(diào)整畫面如圖2所示。

圖2 回路調(diào)整畫面

2.3 中水箱的實(shí)時(shí)曲線組態(tài)

在實(shí)時(shí)趨勢(shì)組態(tài)中將中水箱液位、中水箱PID控制設(shè)定值和閥位值導(dǎo)入，這樣就可以在歷史趨勢(shì)中監(jiān)控三者的運(yùn)行狀況，精確查看任意時(shí)刻3個(gè)變量的數(shù)值，便于計(jì)算過渡曲線的最大偏差、衰減比及過渡時(shí)間等相關(guān)性能指標(biāo)。

3 系統(tǒng)參數(shù)整定與控制效果

3.1 整定前準(zhǔn)備

通常通過工程整定方法來確定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)[6]，在實(shí)驗(yàn)中采用經(jīng)驗(yàn)湊試法。考慮到液位控制沒有太大的滯后，所以選用簡單的比例積分控制，微分時(shí)間都設(shè)置為零。在實(shí)驗(yàn)前，PID一般都會(huì)有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，在手動(dòng)狀態(tài)下，首先設(shè)置P=22%、I=3min、D=0s，給定電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為50%，然后手動(dòng)調(diào)整裝置上水箱和中水箱出口閥的位置，使中水箱液位保持在約10cm的穩(wěn)定液位上。

3.2 參數(shù)整定過程

液位穩(wěn)定后，系統(tǒng)投入自動(dòng)狀態(tài)，更改設(shè)定值，在原來液位的基礎(chǔ)上加2～5cm的階躍信號(hào)，然后觀察液位過程控制曲線。在整定參數(shù)時(shí)，必須認(rèn)真觀察系統(tǒng)響應(yīng)的情況，根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)情況決定調(diào)整哪些參數(shù)。一般技能比賽要求性能指標(biāo)只有衰減比是4∶1，這樣衰減比的調(diào)整就非常重要。如果衰減比超過4，可以適當(dāng)減小比例度；否則增加比例度，同時(shí)還可以改變積分時(shí)間，增大積分時(shí)間常數(shù)，有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定[7]，但是不要兩個(gè)參數(shù)同時(shí)改變，這樣經(jīng)過反復(fù)湊試PID參數(shù)，就可以達(dá)到滿意的控制曲線，從而完成控制任務(wù)。特別需要注意的是，在整定PID參數(shù)時(shí)，一定要在手動(dòng)狀態(tài)下，否則得到的曲線是失真的。為了節(jié)約時(shí)間，在調(diào)整PID參數(shù)時(shí)，不要等曲線的3個(gè)周期都出來再調(diào)節(jié)PID參數(shù)，只要第二個(gè)波峰出來，就可以大致計(jì)算衰減比，然后根據(jù)它的大小適當(dāng)調(diào)整PID參數(shù)，這樣可以盡快得到滿意的控制曲線。

3.3 過程控制結(jié)果

經(jīng)過幾次整定，最終設(shè)置P=20%、I=6min、D=0s,液位穩(wěn)定在8.937cm時(shí)，中水箱液位設(shè)定值加到11.001cm，可以得到過程控制曲線衰減比為4.03∶1，余差為0.012cm，準(zhǔn)確滿足曲線要求，是比較理想的過渡過程曲線，如圖3所示。

圖3 過程控制曲線

4 結(jié)束語

以CS2000實(shí)訓(xùn)裝置為研究對(duì)象，運(yùn)用AdvanTrol-Pro監(jiān)控組態(tài)軟件完成對(duì)二階雙容液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制結(jié)果表明：衰減比滿足實(shí)驗(yàn)要求，并有很高的控制精度，很好地實(shí)現(xiàn)了工業(yè)上對(duì)液位控制的要求，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。但是，如果裝置中水箱的出口閥開度改變，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度改變，相當(dāng)于生產(chǎn)的負(fù)荷改變，被控對(duì)象的特性就要改變，因此控制器的參數(shù)必

須重新整定。