鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

王建暉，張立

（1.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣州市土地房產(chǎn)管理學(xué)校，廣州 510006）

鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

王建暉1，張立2

（1.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣州市土地房產(chǎn)管理學(xué)校，廣州 510006）

介紹了一種基于現(xiàn)場總線的過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場總線的鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案，以培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

控制技術(shù)；實(shí)驗(yàn)室；創(chuàng)新；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；現(xiàn)場總線

從人才培養(yǎng)體系整體出發(fā)，建立分層次、多模塊、相互銜接的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)既有機(jī)結(jié)合又相對(duì)獨(dú)立，與科研、工程、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐密切聯(lián)系，鼓勵(lì)學(xué)生探索，推進(jìn)學(xué)生自主合作、研究性學(xué)習(xí)的培養(yǎng)模式是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的有效途徑[1]。為適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)人才培養(yǎng)的發(fā)展要求,我院購買了一套現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)（FCS）實(shí)驗(yàn)裝置。本文在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場總線的鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科研和創(chuàng)新能力，并可一定程度上解決學(xué)校大型實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)量不足的問題。

一、鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。上層為工業(yè)以太網(wǎng)，中間層為PROFIBUS DP總線，下層為PROFIBUS PA總線。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本實(shí)驗(yàn)主要有三路信號(hào)，其中兩路為現(xiàn)場測量信號(hào)，它們分別是鍋爐內(nèi)膽溫度和變頻器支路的管道流量，另外一路是控制移項(xiàng)調(diào)壓模塊輸出的控制信號(hào)。

鍋爐內(nèi)膽溫度的檢測裝置為PT100熱電阻，PT100熱電阻檢測到的信號(hào)傳送給溫度變送器，本系統(tǒng)采用帶PROFIBUS-PA通訊接口的溫度變送器，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過LINK和COUPLER與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線通過CPU315-2 DP傳送現(xiàn)場測量信號(hào)到CPU。

二、鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)

（一）下位機(jī)軟件平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)下位機(jī)編程軟件采用SIEMENS公司的下位編程軟件STEP7，是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表。它是SIEMENS SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分[2]。一般來說，要在STEP7中完成一個(gè)完整自動(dòng)控制項(xiàng)目的下位機(jī)程序設(shè)計(jì)，需經(jīng)過設(shè)計(jì)自動(dòng)化任務(wù)解決方案、生成項(xiàng)目、組態(tài)硬件，生成程序、傳送程序到CPU并調(diào)試等步驟，其結(jié)構(gòu)流程圖如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)流程圖

（二）上位機(jī)軟件平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用SIEMENS公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件SIMATIC W INCC（W indows Control Center），是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實(shí)用性[3]。

WINCC是基于Windows NT 32位操作系統(tǒng)的，具有以下性能特點(diǎn)：

1.基本系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)歸檔；

2.對(duì)IT功能和商務(wù)集成優(yōu)化；

3.可連續(xù)擴(kuò)展；

4.新支持的開放性標(biāo)準(zhǔn)；

5.增強(qiáng)的WEB功能；

6.具有WINCC數(shù)據(jù)庫等多種選件；

7.具有更強(qiáng)靈活性和開放性的報(bào)表系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)在讓學(xué)生了解上述兩種軟件平臺(tái)后，團(tuán)體討論設(shè)計(jì)方案，最終設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互界面圖

三、實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)以鍋爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本實(shí)驗(yàn)要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻TT1檢測到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)與給定量比較后的差值反饋給調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)此反饋信號(hào)控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。在鍋爐內(nèi)膽水溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)的整定方法與其他單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過程容量時(shí)延較大，所以其控制過渡時(shí)間也較長，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇PD或PID控制。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖4所示。

圖4 鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)

四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本實(shí)驗(yàn)選擇鍋爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F2-1、F2-6、F1-13全部打開，將鍋爐出水閥門F2-12關(guān)閉，其余閥門也關(guān)閉。將變頻器輸出A、B、C三端連接到三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V），打開變頻器電源并手動(dòng)調(diào)節(jié)其頻率，給鍋爐內(nèi)膽貯一定的水量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，我們利用ASP.NET技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[4],在原有的一臺(tái)操作站基礎(chǔ)上,擴(kuò)展多操作站，原有操作站做服務(wù)器（Server），其余做瀏覽器（Browser），即采用B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多用戶控制效果。在做實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生在任一臺(tái)非原操作站的聯(lián)網(wǎng)PC上打開相應(yīng)的瀏覽器軟件，登陸相關(guān)網(wǎng)站，通過用戶權(quán)限管理確認(rèn)后即可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組態(tài)界面中可以進(jìn)行與權(quán)限相符的參數(shù)設(shè)置、觀察并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)曲線。

本實(shí)驗(yàn)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程采用循序漸進(jìn)分階段的方法，具體有以下幾個(gè)階段：

第一階段：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)研究。該階段的主要工作是讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)軟件和軟件開發(fā)方案流程，以及系統(tǒng)運(yùn)作的工作原理等。

第二階段：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固與系統(tǒng)相關(guān)的課程知識(shí)，在教師的指導(dǎo)下根據(jù)自己所學(xué)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理，提出獨(dú)立可行的設(shè)計(jì)方案。

第三階段：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件搭建。搭建過程主要是在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以小組形式展開，學(xué)生應(yīng)定期展開研討，在討論中解決問題，從而提高團(tuán)隊(duì)合作能力。

第四階段：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體調(diào)試。學(xué)生因參與了系統(tǒng)相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)與搭建開發(fā)，對(duì)系統(tǒng)已經(jīng)有較深入的了解，整體調(diào)試過程可由學(xué)生自行負(fù)責(zé)，鍛煉提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5中，直線為給定量設(shè)定值，曲線為根據(jù)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案控制的鍋爐內(nèi)膽水溫實(shí)驗(yàn)曲線，其中增益（P）=1.5，積分時(shí)間（I）=200，微分時(shí)間（D）=21，實(shí)驗(yàn)結(jié)果超調(diào)量為12.4%，響應(yīng)時(shí)間為28s。最終可以比較好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和平衡，誤差小于5%。可以看出本實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案具有很好的快速跟蹤控制效果，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)趨向無窮，直線和曲線基本重合，誤差極小。

六、結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高了專業(yè)水平，為畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技競賽等團(tuán)隊(duì)合作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并且本實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案中提及的B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制技術(shù)可有效地解決實(shí)驗(yàn)室的開放、學(xué)生創(chuàng)新性培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與學(xué)生人數(shù)的矛盾等問題，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

圖5 鍋爐內(nèi)膽水溫實(shí)驗(yàn)曲線

［1］梁慧軍.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)［J］.南陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（12）．

［2］劉鍇.深入淺出西門子S7-300PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［3］蘇昆哲.深入淺出西門子W inCCV 6［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［4］李展飛.基于.net&B/S架構(gòu)的NET-OA研究與開發(fā)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2010(09)．

The Design of Boiler Tank'sW ater Tem perature Feed forward-Feedback Con trol System s

WANG Jian-hui1,ZHANG Li2
（1.College of Mechanic and Electric Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006; 2.Guangzhou Real Estate Management Vocational School,Guangzhou 510006,China）

Experimental teaching is the important part of innovation personnel training process.This paper describes a field bus-based process control system test equipment.For limited number of large-scale experimental apparatus schools and the concept of higher education reform and innovation,this paper established a system of training students to a research and innovation,and Designed test program of boiler tank's water temperature feed forward-feedback control systems based on fieldbus.

control technology;laboratory;innovation;experimental teaching;fieldbus

G482

A

1008-2794（2011）06-0106-04

2011-03-17

王建暉（1984—），男，廣東省廣州市人，廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c信息處理技術(shù)。