基于PCS7 的過程仿真及控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

向 欣， 王 卓， 禹萬泓

（華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430074）

0 引 言

“過程控制系統(tǒng)”和“集散控制系統(tǒng)”是自動(dòng)化專業(yè)本科的必修課。過程控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的過程檢測控制儀表正逐步往集成化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，集散控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為工業(yè)過程生產(chǎn)自動(dòng)控制裝置的主流技術(shù)裝備。為加深學(xué)生對過程控制理論知識的了解，將廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場的集散控制系統(tǒng)引入過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際接軌，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，為培養(yǎng)卓越工程師奠定基礎(chǔ)［1］。為鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生將書本上的控制方法應(yīng)用到實(shí)際工程方案中，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方案，必須要給學(xué)生提供復(fù)雜的被控對象和較高的控制要求。因安全和經(jīng)費(fèi)等因素，包含溫度、組分和壓力等被控參數(shù)的真實(shí)復(fù)雜過程對象很難在實(shí)驗(yàn)室中搭建起來。本文基于復(fù)雜實(shí)驗(yàn)對象建立數(shù)學(xué)模型［2］，并在PCS7 系統(tǒng)上采用連續(xù)功能圖（Continuous Function Chart，CFC）搭建實(shí)驗(yàn)仿真模型對象［3］。不僅讓學(xué)生充分了解復(fù)雜過程對象數(shù)學(xué)建模的方法，并通過控制方案的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，讓學(xué)生掌握PCS7 硬件組態(tài)、控制回路的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的調(diào)整；針對復(fù)雜過程對象，不僅能實(shí)現(xiàn)簡單回路的控制，也能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制。

該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在培養(yǎng)計(jì)劃中安排為“過程控制綜合實(shí)驗(yàn)（II）”，24 學(xué)時(shí)，是為本學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)的一門獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)效果良好。實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)與教學(xué)方法鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提高了過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

（1）學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書提供的對象介紹充分了解被控對象的工藝過程，了解對象模型的實(shí)現(xiàn)原理和方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出的控制要求，制定總體控制方案［4-5］。

（2）用SIMATIC MANAGER 軟件創(chuàng)建工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化站AS和工程師站ES與操作員站OS構(gòu)成的最小系統(tǒng)，完成硬件組態(tài)與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。

（3）在CFC 編輯器中完成針對對象模塊的控制設(shè)計(jì)任務(wù)，啟用PLCSIM 仿真AS 站，將設(shè)計(jì)好的程序編譯下載到AS站。

（4）編譯、設(shè)計(jì)OS站及圖形界面。

（5）設(shè)計(jì)SFC，實(shí)現(xiàn)順序控制功能的開車和停車。

（6）在OS 站啟動(dòng)運(yùn)行程序檢驗(yàn)控制功能與效果。

2 仿真對象設(shè)計(jì)

2.1 加熱箱對象介紹

2.1.1 被控對象描述

構(gòu)建帶攪拌器的加熱箱系統(tǒng)［6-7］結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 加熱箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

冷物料由進(jìn)料調(diào)節(jié)閥V01 進(jìn)入加熱箱，當(dāng)液位h達(dá)到一定高度時(shí)，打開蒸汽加熱閥V03，將溫度加熱到一定溫度，打開出水閥調(diào)節(jié)閥V02，保持生產(chǎn)負(fù)荷Fout恒定，使加熱箱液位、流量和溫度自動(dòng)控制在生產(chǎn)要求的穩(wěn)定范圍。

2.1.2 數(shù)學(xué)模型

本文構(gòu)建的加熱箱模型基于連續(xù)反應(yīng)釜（Continuously Stirred Tank Reactor，CSTR）模型，其數(shù)學(xué)模型［6］為：

式中：ρ為物料的比重系數(shù)；A為反應(yīng)釜底面積；h為物料的液面高度；Fin為流入物料的質(zhì)量流量；Fout為流出物料的質(zhì)量流量，

式中：β為紊流狀態(tài)下的節(jié)流系數(shù)。

式中：cp為物料的比熱系數(shù)；Tin為流入物料的溫度；T為反應(yīng)釜物料的溫度；Tst為蒸汽管壁的溫度系數(shù)；UA為蒸氣管壁的傳熱系數(shù)；hmax為物料液位的最大高度；

式中：k為比例系數(shù)。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］可以得到數(shù)學(xué)模型式（1）～（3），本文假定換熱箱中的蒸汽管壁的溫度Tst與蒸汽流量Fst成正比，因此得到數(shù)學(xué)模型式（4）。

2.1.3 工程化描述

為了便于模型能在PCS7 中進(jìn)行CFC［8］建模實(shí)現(xiàn)，將上述模型的對應(yīng)變量進(jìn)行了工程化描述，見表1。

表1 變量工程化描述

2.2 CFC仿真被控對象

2.2.1 建立CFC模型

（1）開關(guān)閥仿真。考慮到工藝操作的需要，模型中的進(jìn)、出水管道，以及蒸汽管道都有相應(yīng)的開關(guān)閥，開關(guān)閥XV01、XV02、XV03 的實(shí)現(xiàn)方式是一樣的。以開關(guān)閥XV01 為例，其功能為：當(dāng)XV＿01＿CTRL ＝1 時(shí)，XV01＿FB＿CLS ＝0，延時(shí)一段時(shí)間后，開關(guān)量輸出信號XV01＿FB＿OPEN ＝1。當(dāng)XV＿01＿CTRL ＝0 時(shí)，XV01＿FB＿CLS ＝1，延時(shí)一段時(shí)間后，開關(guān)量輸出信號XV01＿FB＿OPEN ＝0。其CFC仿真實(shí)現(xiàn)如圖2 所示。

圖2 開關(guān)閥仿真實(shí)現(xiàn)

（2）調(diào)節(jié)閥仿真。考慮前后壓差、前置開關(guān)閥狀態(tài)和放大系數(shù)的影響，3 個(gè)調(diào)節(jié)閥V01、V02 和V03 根據(jù)閥門控制信號實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥流量的調(diào)節(jié)，閥門信號的輸入范圍為0 ～100%。流量Q與壓力P的關(guān)系為：考慮到慣性特征，加入一階慣性環(huán)節(jié)，其CFC仿真實(shí)現(xiàn)如圖3 所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥仿真實(shí)現(xiàn)

（3）加熱箱過程仿真。表1 中有5 個(gè)輸出信號：L01、T01、Q01、Q02 和Q03 是對象模塊根據(jù)輸入信號得到的5 個(gè)輸出信號，模塊的輸出、輸入信號的關(guān)系由加熱箱本身的數(shù)學(xué)模型決定。其中，系統(tǒng)的被控變量為L01、T01 和Q02，其中部分參數(shù)已被設(shè)為相應(yīng)常數(shù)。建模步驟如下：

步驟1流量過程模型。模型中TM＿LAG（時(shí)間常數(shù)）、PRESS（壓力）和RATIO（放大系數(shù)）為設(shè)定的常數(shù)，IN 為調(diào)節(jié)閥輸入信號，Q01 和Q03 通過數(shù)學(xué)模型（2）與V01 和V03 建立聯(lián)系。Q02 的實(shí)現(xiàn)稍有不同，將PRESS參數(shù)連接到L01，即考慮了出水流量與液位高度的如式（2）所示的關(guān)系。其CFC 實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 流量模型實(shí)現(xiàn)

步驟2液位過程模型。模型中容積系數(shù)LAREA（加熱箱面積）為設(shè)定的常數(shù)。液位高度由進(jìn)水流量Q01 和出水流量Q02 通過相應(yīng)數(shù)學(xué)模型（1）確定。其CFC實(shí)現(xiàn)如圖5 所示。

圖5 液位模型實(shí)現(xiàn)

步驟3溫度過程模型。模型中TEMP＿ENV、TK＿ENV、Q01＿KT、Q1101＿T0 和TEMP＿K 均為設(shè)定的常數(shù)。溫度與整個(gè)系統(tǒng)的熱量輸入、輸出相關(guān)，通過數(shù)學(xué)模型（3）和（4）確定，并且受液位和流量的影響。其CFC實(shí)現(xiàn)如圖6 所示。

圖6 溫度模型實(shí)現(xiàn)

2.2.2 模型仿真PROCESS模塊

基于CFC設(shè)計(jì)了上述加熱箱對象的模型［9］。將其封裝成為一個(gè)獨(dú)立的功能塊（FB）。如圖7 所示。

圖7 加熱箱功能塊

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制回路的設(shè)計(jì)

將各被控變量的控制回路設(shè)計(jì)成單回路控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，分別為溫度、液位、流量和溫度串級等控制回路。為了進(jìn)行復(fù)雜回路的實(shí)驗(yàn)，將Q03 引起的波動(dòng)引入溫度控制回路的串級控制系統(tǒng)［10］。其方框圖如圖8 所示。

圖8 溫度串級回路方框圖

該控制回路采用串級控制，由內(nèi)環(huán)控制器克服由Q03 波動(dòng)對溫度造成的影響，由外環(huán)回路對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)［11］。

3.2 控制方案的CFC實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)之前，教師引導(dǎo)學(xué)生充分了解了仿真模型的原理。讓學(xué)生自主建模，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制回路。如果時(shí)間有限，教師可以事先將部分模型建立好，讓學(xué)生使用。

3.2.1 單回路多變量控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

CFC控制回路的建立。在已經(jīng)建立的被控對象模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建被控對象的功能模塊。使用CTRL＿PID模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如報(bào)警值、變量單位等。通過塊與塊，以及變量與塊的互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)控制回路的搭建［12］。得到如圖9 所示的CFC 控制連接圖（圖中加入了各個(gè)被控變量的控制效果評分模塊，控制效果評分模塊是采用PCS7 的SCL語言，根據(jù)超調(diào)量和偏差絕對值積分撰寫的自動(dòng)評分模塊，提供給學(xué)生直接使用，因篇幅原因，此模塊的設(shè)計(jì)介紹在此省略）。

圖9 CFC控制連接圖

3.2.2 溫度串級控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

（1）CFC控制回路的建立。考慮到溫度易受輸入蒸汽流量波動(dòng)的影響。將串級控制引入到溫度控制回路，克服蒸汽流量波動(dòng)對系統(tǒng)溫度造成的影響［13］。副回路模型與單回路控制系統(tǒng)相同，是串級系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，在此封裝成子系統(tǒng)。其CFC連接圖如圖10 所示。

圖10 溫度串級控制回路CFC連接圖

（2）串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定。在主、副控制器參數(shù)整定過程中，由于系統(tǒng)中主、副回路是互相影響的，常常采用逐次逼近法。使主回路開環(huán)，按單回路方法整定副控制器；讓主回路閉環(huán)，在已整定過的副控制器下，整定主控制器參數(shù)；在主回路閉環(huán)的條件下，重新整定副控制器參數(shù)，至此完成了一個(gè)逼近循環(huán)。如果已經(jīng)滿足控制要求，則上述所求即為控制器參數(shù)，否則，重復(fù)上述過程，直到獲得滿意的調(diào)節(jié)參數(shù)［14］。由于第1 步（整定副控制器參數(shù)）的工作已經(jīng)在單回路液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中完成，所以只需再進(jìn)行后續(xù)整定主控制器參數(shù)和反復(fù)調(diào)整。這里，只需要關(guān)注溫度的曲線即可。

（3）控制系統(tǒng)的SFC 順序控制。通過控制回路的設(shè)計(jì)以及控制器參數(shù)的整定，得到了良好的實(shí)驗(yàn)效果。還需編寫SFC 以保證控制器自動(dòng)運(yùn)行控制［15］。開車SFC圖和停車SFC圖如圖11 所示。

3.3 控制效果評價(jià)

圖11 開車與停車SFC圖

在實(shí)驗(yàn)效果檢驗(yàn)這一部分，學(xué)生在CFC中加入自動(dòng)評分模塊的使用，可根據(jù)控制效果來自動(dòng)進(jìn)行評分，在OS界面上根據(jù)不同控制參數(shù)與控制策略的控制效果，自動(dòng)得出不同的評價(jià)分?jǐn)?shù)。（評分模塊的使用是作為擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，若學(xué)時(shí)有限，也可以不使用。）

當(dāng)采用單回路控制流量，并且PID 參數(shù)Kp＝2，Ti＝10，Td＝0 時(shí)可以得到如圖12（a）箭頭所示分?jǐn)?shù)（77.15）。PID參數(shù)Tp＝3，Ti＝5，Td＝0 時(shí)可以得到如圖12（b）箭頭所示分?jǐn)?shù)（80.93）。可以看出，當(dāng)參數(shù)調(diào)節(jié)得更加合適時(shí)，分?jǐn)?shù)可以得到提高。

圖12 實(shí)驗(yàn)效果圖

同時(shí)，在OS 界面我們可以獲得許多信息并能進(jìn)行很多簡單操作［16］。

4 教學(xué)效果

由實(shí)驗(yàn)實(shí)例看出，以多變量復(fù)雜控制系統(tǒng)溫度串級控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主線，將實(shí)物對象建模和多變量單回路控制實(shí)驗(yàn)作為其先行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，自下而上的課程知識融會貫通，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)性更好。實(shí)驗(yàn)手段上加入PCS7 仿真后，不僅讓實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)了與工業(yè)現(xiàn)場的聯(lián)系，而且提高了學(xué)生對過程控制系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)相關(guān)性的認(rèn)識，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)效率與效果。比較使用軟件仿真前后，在相同的實(shí)驗(yàn)下，原來學(xué)生們只會單回路的變量控制，而現(xiàn)在學(xué)會了多變量的控制，并且學(xué)會了集散控制系統(tǒng)的控制流程。在相同的時(shí)間下，學(xué)生學(xué)會的知識更加豐富。通過軟件仿真，學(xué)生將動(dòng)手操作與理論學(xué)習(xí)相結(jié)合，深入理解控制參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響，提高了學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的綜合能力。

5 結(jié) 語

本文以實(shí)際的教學(xué)案例分析基于PCS7 的過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的過程控制綜合性實(shí)驗(yàn)，將仿真與實(shí)際控制相結(jié)合，將過程控制系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)聯(lián)系，不僅能提高實(shí)驗(yàn)的效率，還可以引導(dǎo)學(xué)生對控制系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究，是提高控制工程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)效果的有效途徑。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的有機(jī)綜合，提高了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的質(zhì)量，增進(jìn)了學(xué)生對知識的消化與認(rèn)識。