基于YB2000過程控制實驗裝置的流量比值控制系統設計及研究

李新華 陸 琦 張艷麗

（1.大連理工大學盤錦產業技術研究院；2.沈陽工業大學化工過程自動化學院）

在現代工業生產過程中，經常需要將兩種或兩種以上的物料流量按一定比例混合后再參與反應。 若比例失調，則會影響生產的正常運行，影響產品的產量與質量，從而浪費原材料，造成環境污染，甚至發生生產事故［1］。 因此，進行流量比值控制系統的設計與研究至關重要。

筆者采用單閉環結構設計流量比值PID控制結構，使用響應曲線法對YB2000高級過程控制實驗裝置中的主副管路進行數學建模。 結合增量式PID控制算法，利用Matlab/Simulink軟件設計系統仿真模型， 通過仿真對PID參數進行整定。 將YB2000高級過程控制實驗裝置與MCGS監控軟件靈活組建，用以驗證流量比值控制系統的可行性與可靠性。

1 工藝與控制系統設計

流量比值控制系統中，需要保持生產中主要流體物料的流量或不可控流體物料流量處于主導地位，即主流量，用q1表示，其他流體物料流量為副流量，用q2表示，要求副流量和主流量成一定比例關系，即滿足q2/q1=K［2］。筆者搭建的流量比值控制系統是基于YB2000高級過程控制實驗裝置的，系統工藝原理如圖1所示。 流量比值控制系統主回路由電機P101、電磁流量計FT101、電動調節閥FV101和閥門組成， 副回路由變頻器、 電機P103、渦輪流量計FE102和閥門組成。

圖1 流量比值控制系統工藝原理

單閉環比值控制系統不僅能確保主、副流量的比值不變，還能使主流量具有抗干擾能力，而且控制系統結構簡單，在工業生產過程中應用廣泛。 基于單閉環比值控制系統和YB2000高級過程控制實驗裝置設計的流量比值控制系統框圖如圖2所示。主回路在水泵P101通電的情況下，通過調節電動調節閥FV101來調節流量輸出；副回路由變頻器直接調節水泵P103從而調節流量輸出。

圖2 流量比值控制系統框圖

2 數學建模

2.1 主副管路特性實驗

利用實驗設備，將測量主管路流量的電磁流量計電流信號接入C3000過程控制器的模擬量輸入通道1，將模擬量輸出通道1信號傳送至電動調節閥；將測量副管路流量的渦輪流量計電流信號接入C3000過程控制器的模擬量輸入通道2，將模擬量輸出通道2信號傳送至變頻器。

按上述說明，具體現場儀表柜的接線情況如圖3所示。

通過手動操作C3000過程控制器， 控制電動調節閥開度，初始閥門開度為30%，當管道內流量處于平衡后，改變調節閥開度到40%，使管道內流量發生階躍變化。 經過一段時間后，管道內流量重新達到平衡狀態。 同時，利用C3000過程控制器控制變頻器輸出頻率，變頻器初始輸出為50%，當管道內流量達到平衡狀態后，增大變頻器的輸出到60%，當管道內流量重新達到平衡狀態時，記錄數據。

2.2 數據分析及建模

根據主副管路特性實驗數據，利用EXCEL繪制時間-流量階躍響應曲線，如圖4所示。

3 系統仿真與參數整定

3.1 仿真模型

C3000過程控制器采用的是數字增量式PID控制算式：

式中 ek——控制器偏差；

k——控制運算次數；

Kp——比例增益；

Td——微分時間；

Ti——積分時間；

Ts——控制周期；

ΔMVK——控制器輸出。

依據控制理論與系統框圖， 搭建增量式PID流量比值控制系統的仿真模型如圖5所示。

圖5 增量式PID流量比值控制系統的仿真模型

3.2 參數整定

根據工程經驗，設輸入值為50，整定前主管路PID參數為Kp=1.0、Ti=10 s、Td=1、Ts=1，由圖6a可以看出，主管路輸出跟蹤效果良好，但有輕微超調。 經過多次PID參數調節，當參數為Kp=0.8、Ti=20 s、Td=1、Ts=1時，輸出控制效果理想（圖6b）。

圖6 仿真結果

4 過程實驗

本系統使用YB2000高級過程控制實驗裝置進行實驗。YB2000高級過程控制實驗平臺由電控箱、流量控制系統本體、現場儀表柜、C3000過程控制器和計算機組成， 整個系統通過計算機MCGS軟件實現監控，由C3000過程控制器實現整體系統工藝過程控制，用于近似模擬工廠生產過程中的多地監控與控制。

為了提高信號傳輸的抗干擾性，整個過程控制系統選用工業標準4～20 mA電流信號實現信號傳輸。 在實驗過程中需要對C3000過程控制器進行組態，組態過程為：用戶登錄-輸入量設置-輸出量設置-PID回路設置 （PID03的SV是VA01；VA01=AI02×CONF01）-啟用組態。 C3000過程控制器與計算機通過RS485進行通信。利用MCGS軟件搭建比值液位控制系統監控界面，如圖7所示。

圖7 比值液位控制系統監控界面

在實際操作中， 系統會因外界擾動產生偏差。 為此，控制監控界面設定變頻輸出50%，PID控制器參數：比例度100%，積分時間10 s，微分時間1 s。 把副回路的手動狀態調到自動狀態，得到的主副回路流量實時曲線如圖8所示。

根據圖8可知， 在副回路流量輸出平穩的情況下，主回路流量雖然有兩個周期的振蕩，有超調，到達穩態的時間稍長，但整體控制效果良好，穩定性能良好，達到了預期控制目標。

圖8 主副回路流量實時控制曲線

5 結束語

筆者設計了一種基于YB2000過程控制實驗裝置的流量比值控制系統。 研究結果表明，該系統對工業生產過程中保持兩種流體物料一定比例具有良好的控制效果。 MCGS軟件與YB2000過程控制實驗裝置通信完成對控制系統的遠程監控與控制器的參數調節，為實現儀表的工業現代化提供了基礎。 由于該系統具有通用性，可以應用于工業生產過程中其他被控量的控制和調節，為其他量的比值控制提供了理論與實踐依據。