分散控制系統實驗室的改進與創新

盧亞平，任 曉，秦擁軍

（蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325）

2006年，蘇州大學應用技術學院組建了分散控制系統（distributed control system，DCS）實驗室，迄今已為蘇南地區培養了一大批DCS專業人才，服務了地方企業，滿足了一定量的企業需求。但隨著時間的延長和學院招生規模的擴展，該實驗室還是逐漸顯露出一些缺陷，需要對現有的DCS進行改進和創新，以便能更好地提高教學質量。

主要改進和創新的DCS產品為浙江中控自動化系列的品牌產品 WebField JX－300XP，通過該平臺，指出該實驗室建設的不足和DCS系統存的缺陷，而后提出 WebField JX－300XP DCS控制系統改進方案，最終完成對DCS控制系統的改進［1］。

1 現有JX－300XP DCS教學中的缺陷

1.1 控制對象數量不足

DCS實驗室現有3個控制站機柜，6個控制對象［2］。隨著學院招生規模的擴大，這些實驗設備已不能滿足實驗教學的需要。以一個基準班60人為例，實驗分上、下午2批進行，每個控制對象為一組，每批分為6個組（A—F），每組5人。這種安排對學生來說缺乏足夠的鍛煉時間，一個小組往往是組長做實驗、組員圍觀，使一些學生表現出松懈和不認真的態度［3］。

圖1是原有的DCS控制系統分配情況。A組學生所涉及的對象由6臺工控機、控制站機籠1、控制對象、控制臺4部分組成。在6臺工控機中，只有1臺為工程站，能完成實驗參數的修改，而其余5臺是只能監控的操作站，即在任何時候該組只有1位學生在做實驗。B組學生所涉及的對象與A組相似，有6臺工控機、控制站機籠2、控制對象、控制臺4部分。

1.2 實驗項目繁多

目前存在的實驗項目是6年前浙江中控用JX－300XP組態軟件做的工程，包括：

實驗一：上水箱特性測試實驗；

實驗二：二階雙容對象特性測試實驗；

實驗三：鍋爐內膽溫度位式控制實驗；

實驗四：上水箱液位PID整定實驗；

實驗五：串接雙容下水箱液位PID控制實驗；

圖1 現有DCS控制系統分配

實驗六：鍋爐內膽水溫PID控制實驗；

實驗七：鍋爐夾套水溫PID控制實驗；

實驗八：渦輪流量計流量控制實驗；

實驗九：上下水箱液位串級控制實驗；

實驗十：鍋爐夾套和鍋爐內膽溫度串級控制實驗；

實驗十一：渦輪與電磁流量比值實驗；

實驗十二：純滯后控制實驗；

實驗十三：電磁流量計流量控制實驗。

在已有的組態工程中，可以做的實驗項目較多，但實驗教學一般只有18學時，也就是最多可安排6次實驗課。由于第一次實驗需要安排學生了解設備、掌握基本操作，實際上只有5個實驗可以安排。并且，有些實驗項目耗時太長（例如純滯后控制實驗）或過程復雜（例如內外溫度串級實驗），對于一次僅有3學時的實驗課，學生往往不能完成實驗［4］。

1.3 溫度控制傳感器缺陷

目前可控硅調壓裝置有移相觸發、周期過零（PWM）觸發和周波過零（CYC）觸發。

可控硅移相觸發調壓控制會在電網中產生高次諧波，對電源有污染；CYC觸發可最大限度地利用交流電的周期特性，對溫度控制系統有較高的控制精度，只有較少的干擾和電源污染［5］。舊系統的可控硅調壓裝置采用斬波（移相）觸發，是由全隔離三相交流調壓模塊STY—380D75G和三相同步變壓器模塊TB－3組成。由于使用時間已久，模塊陸續出現問題，特別是在MCGS－DDC控制過程中出現干擾導致信號丟失（見圖2），嚴重時會出現電源跳閘現象［6］。

圖2 溫度控制信號丟失波形

2 JX－300XP DCS改進措施

2.1 控制站整體結構分配改進措施

實際上，一個控制站機柜最多可配置5只機籠，其中1個為電源機籠，4個為IO機籠，每個IO機籠對應安裝1個IO單元。因此，可在現有的3個控制站機柜各添加2個IO機籠，共添加6個機籠，將學生分組數進一步增加，每批學生就可以分12個組（A—M），每組成員可減至2～3人（見表1）［7］。

表1 改進后基準班分組情況

由于每個組是獨立的，所以每組的項目實驗互不影響，但每組（即機籠）都需要一個主控卡和一對互為冗余的數據轉發卡。每個控制站可帶4個小組，每組涉及3臺工控機（1個工程站，2個操作站）、控制站機籠和控制對象（控制臺）（見圖3），這樣就能大大提高設備使用效率，使得學生鍛煉時間增多，大多數學生都能參與進來，提高教學質量［8］。

2.2 JX－300XP DCS組態改進措施

項目組態以4個組為一個工程，4個小組合用一個機柜（控制站），每個小組在機柜里各分配到一個機籠（主控卡），如圖4所示。在控制站一欄中，分配了4個地址分別為2、4、6、8的主控卡，操作站一欄中A組有3臺電腦，B組有3臺電腦，而CD兩組各有2臺電腦，操作小組一欄中有 A、B、C、D共4個小組［9］。

2.3 JX－300XP DCS組態流程圖改進措施

流程圖的改進遵循適合實驗課時數、選擇效果較好的實驗、涉及重點知識內容、包括典型控制回路的原則，保留了8個實驗題目：

圖3 DCS控制系統新分配方案

圖4 JX－300XP DCS組態改進一覽

實驗一：上水箱特性測試實驗；

實驗二：鍋爐內膽溫度位式控制實驗；

實驗三：上水箱液位PID整定實驗；

實驗四：鍋爐內膽水溫PID控制實驗；

實驗五：渦輪與電磁流量比值實驗；

實驗六：上下水箱液位串級控制實驗；

實驗七：渦輪流量計流量控制實驗（備用）；

實驗八：電磁流量計流量控制實驗（備用）。

其中，實驗一的目的是使學生對設備初步了解；實驗二為二位式溫度控制；實驗三、四為單回路控制；實驗五為比值控制；實驗六為雙回路控制。實驗內容安排由簡單到復雜，控制回路由陳舊到經典。實驗七、八為備用實驗，以防其他實驗出現不可預知的故障［10］。

2.4 溫度控制器件分析及改進措施

可控硅調壓器是半導體交流功率控制器的一種，常用移相觸發、周期過零觸發和周波過零觸發的方式［11］（見圖5），原有的DCS設備就采用移相觸發方式。

圖5 移相觸發、周期過零觸發和周波過零觸發

移相觸發即在交流電的半個周期（正半周期或負半周期）內，通過控制（移動）觸發脈沖的相位調整導通時間和關斷時間的比例，以達到改變輸出電壓平均值的目的。這種觸發能夠限制瞬時電流，但是輸出電壓含有高次諧波，對電網和其他設備會造成一定的危害。

周期過零（PWM）觸發是在一個較長的固定周期內通過觸發電路控制導通周波的個數和關斷周波的個數的比值（又稱為占空比）來控制負載功率的平均值。由于采用在固定周期內通斷時間比例來控制輸出電壓，因而在低功率輸出時關斷時間必然大于開通時間，造成電表指針的擺動，這是它的不足之處。

周波過零（CYC）觸發方式是從周期過零觸發方式演變而來的，它利用交流電的周期特性，使負載電流的通斷按正弦波均勻分布，達到最佳控制精度。由于電壓過零時通斷，因而對電網無干擾。此種方式可有效減小電表指針的抖動，實現對電流的限流控制。

據此，將舊系統的移相觸發可控硅調壓器更換為周波過零觸發可控硅調壓器，該調壓器由三相交流固態繼電器（SSR－3H380D35）和固態繼電器周波控制模塊（SSR－CYC）組成。更換后，彌補了移相觸發可控硅調壓器給系統帶來的信號丟失、電源跳閘和干擾等問題，實驗得到的PID控制波形效果較好（見圖6）［12］。

圖6 改進后的溫度控制PID波形

3 結束語

對蘇州大學應用技術學院使用的浙江中控DCS控制系統進行了改進和創新，并進行實驗記錄與測試。改進方案涉及工程的重新組態、DCS系統的再擴展分配問題和處理溫度實驗效果不佳等問題。通過整合現有的可行實驗項目方案，添加其他一些可行的實驗方案，完善了實驗內容，最終實現了提高教學質量、滿足教學要求、提高自身專業知識和能力等目的。

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