水溫——循環(huán)水流量串級控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

摘 要：論述了模擬鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)的研究過程。本次設(shè)計以THSA-1型過程綜合自動化控制系統(tǒng)實驗臺及其實驗裝置為平臺，采用AI808P智能儀表對溫度——流量串級控制系統(tǒng)進行控制，并通過MCGS組態(tài)軟件進行上位機監(jiān)控，說明了主副調(diào)節(jié)器參數(shù)改變對系統(tǒng)性能的影響、階躍擾動作用于副對象和主對象時對系統(tǒng)的影響。

關(guān)鍵詞：水溫；循環(huán)水流量；串級控制；智能儀表控制；MCGS 

中圖分類號：TB文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3198（2008）12-0381-02

在一些工業(yè)過程控制如冶煉、鋼鐵、化工等工業(yè)生產(chǎn)中，水溫與水流量是非常重要的控制因素，而溫度因滯后性比較強，所以控制起來比較困難。

本文是以實驗室的THSA-1型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置為平臺，以模擬鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)為研究對象。建立一個基本的計算機控制軟硬件平臺，采用智能儀表對鍋爐水溫與循環(huán)水流量構(gòu)成的串級系統(tǒng)進行控制，并用MCGS組態(tài)軟件建立組態(tài)界面在計算機上運行實現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)組成

采用PLC為控制器，在進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換和LED顯示時存在較多難題，內(nèi)部編程較為復(fù)雜，價格昂貴等；采用智能儀表控制則不同，AI808P智能儀表作為控制器它包括報警，顯示及控制功能，使用較方便，價格適中，可根據(jù)現(xiàn)場情況實時改變內(nèi)部參數(shù)對系統(tǒng)進行控制。采用智能儀表對鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量串級控制系統(tǒng)進行控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 智能儀表機AI808P智能調(diào)節(jié)器

對系統(tǒng)所需的硬件進行選擇要根據(jù)系統(tǒng)控制框圖結(jié)合THSA綜合自動化過程控制平臺提供的硬件模塊來進行。智能儀表選擇THSA-1型實驗平臺提供的AI808P智能儀表。AI808P智能調(diào)節(jié)器具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的先進控制算法。在誤差大時，運用模糊法進行調(diào)節(jié)，以消除PID飽和積分現(xiàn)象；當(dāng)誤差減小時，采用改進后的PID算法進行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果最優(yōu)化。其具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單，對復(fù)雜對象也能獲得較好控制效果等特點。其整體調(diào)節(jié)效果比一般的PID算法更明顯。

本文設(shè)計應(yīng)用3塊AI-808P型智能儀表，與THSA-1型過程控制自動化控制系統(tǒng)實驗平臺上的三相SCR移相調(diào)壓裝置、流量變送器（FT1）、鉑電阻（TT1鍋爐）、三相磁力泵（380V）、三相/單相電源輸出、電動調(diào)節(jié)閥模塊連接組成鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量串級控制系統(tǒng)。

2.2 智能儀表RS485通信

智能儀表RS485通信要考慮到（1）共模干擾問題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差來檢測信號。但收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足這個條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。（2）EMI問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，若沒有一個低阻的返回通道（信號地），則以輻射的形式返回源端。

2.3 數(shù)據(jù)通信

本文計算機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制信號輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)通信線，AI調(diào)節(jié)器與PC機的通信是系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)。AI調(diào)節(jié)器與PC機的通信是通過設(shè)備窗口的組態(tài)實現(xiàn)的。本文具體做法是：在設(shè)備窗口中添加串口通信父設(shè)備，在串口通信父設(shè)備下掛一個AI-808儀表設(shè)備構(gòu)件；然后，根據(jù)實際應(yīng)用情況分別進行基本屬性和通道連接的組態(tài)。基本屬性中各參數(shù)的正確設(shè)置，能保證儀表和計算機通信的正常進行。設(shè)置通道連接是為了向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提供從AI調(diào)節(jié)器等外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)。

2.4 儀表數(shù)據(jù)的讀寫?yīng)?/p>

計算機要獲得AI調(diào)節(jié)器采集到的數(shù)據(jù)，一部分可以通過設(shè)置通道連接直接獲得，其余的則需要執(zhí)行讀操作設(shè)備命令Read（Cmd，PV，SV，OP，Dat）。該命令讀取儀表的測量值、給定值、輸出值和Dat值。其中，Cmd為參數(shù)代號，變量PV存儲讀取到的儀表的測量值，變量SV存儲讀取到的儀表的給定值，變量OP存儲讀取到的儀表的輸出值，變量Dat存儲參數(shù)代號Cmd代表的儀表參數(shù)值。經(jīng)計算機中的控制算法計算得到的控制信號要發(fā)送給AI調(diào)節(jié)器，需要執(zhí)行寫操作設(shè)備命令Write（Cmd，Dat）。Cmd為儀表參數(shù)代號，Dat為保存寫入的數(shù)據(jù)的變量，該命令把Dat變量中的數(shù)據(jù)寫入到Cmd所代表的儀表參數(shù)中。

2.5 Pt100鉑電阻溫度變送器

溫度是非常重要的物理參數(shù)，熱電偶和熱敏電阻適合大多數(shù)高溫測量，模擬補償方式可有效降低PT100的誤差。必須選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎捎媚M方法實現(xiàn)PT100的非線性補償很容易與±200mV面板表連接，無額外的軟件開銷。

2.6 三相移相SCR調(diào)壓裝置、位式控制接觸器

采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器端的端電壓，從而實現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制。

位式控制接觸器和AI-708儀表一起使用，通過它儀表輸出繼電器觸點的通斷來控制交流接觸器的通斷，完成鍋爐水溫位式控制試驗。

2.7 電動調(diào)節(jié)閥 

采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調(diào)節(jié)。控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便，電源為單相220V，控制信號為 4~20mADC或1~5 V DC，輸出為4~20mADC的閥位信號。

2.8 水泵

本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵，一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和工作過程

被控對象為過程控制裝置，主要應(yīng)用該裝置中兩容水箱，配備有磁力泵、水槽、電動閥、閥門組。AI調(diào)節(jié)器通過RS-485通信接口，經(jīng)RS232/485轉(zhuǎn)換器與計算機相連。計算機采用PC機，用于運行監(jiān)控軟件，執(zhí)行控制算法，完成控制功能。輸入輸出通道由AI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)。

系統(tǒng)的工作過程是：AI調(diào)節(jié)器直接與各種傳感器或變送器相連，來自這些檢測裝置的各種測量信號在AI調(diào)節(jié)器內(nèi)部經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，得到的數(shù)據(jù)由RS-485總線經(jīng)RS232/485轉(zhuǎn)換器發(fā)送給計算機。計算機根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)、用戶給定值等要求對數(shù)據(jù)進行顯示、計算和保存等處理，對被控參數(shù)根據(jù)相應(yīng)的控制算法計算出控制輸出量，并通過RS-485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給AI調(diào)節(jié)器。在AI調(diào)節(jié)器中經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出4-20mA電流信號給電動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進行控制。

4 爐內(nèi)膽溫度與循環(huán)水流量串級控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中，控制算法用MCGS提供的編程語言編寫，作為循環(huán)策略中的腳本程序，而循環(huán)時間正好可設(shè)為控制周期。以增量式數(shù)字PID控制算法的嵌入為例。其中，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果可用設(shè)備命令Read（），而控制信號的輸出用設(shè)備命令Write（）。在循環(huán)策略中，按虛框內(nèi)所示的流程編好腳本程序，粘貼到循環(huán)策略行中即可。

循環(huán)功能的實現(xiàn)由循環(huán)策略本身的循環(huán)機制自動控制。設(shè)循環(huán)時間為采樣周期，則軟件會自動計算下一個采樣時刻的到來，并執(zhí)行虛框所示的腳本程序，從而完成PID等控制運算并輸出控制信號。余略。

5 上位機組態(tài)監(jiān)控畫面

水溫與循環(huán)水流量串級控制系統(tǒng)組態(tài)界界面圖如圖1所示。

6 系統(tǒng)調(diào)試與分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)一系列計算，將得到的參數(shù)置入智能調(diào)節(jié)器，調(diào)試運行，結(jié)果如圖2。從圖中可以看到系統(tǒng)有很大波動，積分時間越大系統(tǒng)波就大，微分時間大系統(tǒng)不穩(wěn)定。改變系統(tǒng)參數(shù) Kp、Ti 、Td，再次運行可以觀察到系統(tǒng)比圖2波動減小，很快達到穩(wěn)定。充分顯示了串級自衡系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。系統(tǒng)溫度在51℃時，加階躍使系統(tǒng)穩(wěn)定在66℃，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，加擾動信號，響應(yīng)曲線如圖3可以看到系統(tǒng)出現(xiàn)波動但很快恢復(fù)平衡。系統(tǒng)在受到干擾后能很快達到平衡。

7 結(jié)語

本文的研究對象是控制鍋爐內(nèi)膽的溫度和內(nèi)膽的循環(huán)水流量。溫度作為主控量，流量作為輔助變量來調(diào)節(jié)溫度的平衡，實驗表明：用智能儀表控制這樣的系統(tǒng)很合適，控制思想具有一定的先進性。

參考文獻

［1］邵裕森. 過程控制及儀表 ［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

［2］吳勤勤. 電動控制儀表及裝置 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990.

［3］李俊，劉小寧. 智能控制中模糊控制的應(yīng)用與發(fā)展［J］. 自動化與儀表，2000，15（1）: 2-3.