基于S7-400PLC的動態矩陣預測控制在甲醇汽油在線調配過程中的應用

師亞娟

(陜西工業職業技術學院電氣工程學院，陜西 咸陽 712000)

甲醇汽油是車用燃料替代品，以其經濟、安全及環保等優點受到青睞，是新能源的重要組成部分[1]。現代工業對象結構、參數和環境的不確定性，導致按理想模型得到的最優控制往往不能保證最優[2]。如何實現高精度、高效率的配料是生產甲醇汽油的關鍵。于是，人們開始打破傳統方法的約束，試圖尋找對模型要求低、控制綜合質量好、在線計算方便的優化控制新算法[3]。目前，在工業高級過程控制中多使用集散控制系統，其核心部分是PID控制算法，但其無法較好地解決現代工業生產中的新問題[4]。因此，筆者對傳統PID控制算法進行改進，提出一種基于動態矩陣預測控制的控制策略[5]，具有適應性強、響應速度快、超調小、調節時間短及魯棒性強等優點。

1 動態矩陣預測控制①

1.1 DMC控制算法

DMC算法是一種基于對象階躍響應的預測控制算法，適用于有時滯、開環漸近的非最小相位系統，對系統的模型要求不高，而且具有在線滾動優化、反饋校正的特征，使得控制效果優于其他算法。利用預測模型來預測未來時刻被控對象的輸出變化和被控變量與其給定值的偏差，可以得到比常規控制更好的控制效果。預測控制不是用一個全局相同的優化性能指標，而是優化在每一采樣時刻點的相對優化性能。不同時刻的優化性能指標是不同的，因此優化不是一次進行，而是反復在線修正，這就是滾動優化。為了防止模型失配或者環境干擾引起控制對理想狀態的偏離，對未來的誤差預測加以補償或者根據在線辨識原理直接修改模型。因此DMC算法不僅基于模型，而且利于反饋信息，可構成閉環優化。

1.2 DMC算法的參數設定

(1)

式中M——控制時域；

P——優化時域；

qi、rj——權系數，表示對跟蹤誤差和控制量變化的抑制。

2 硬件設備和硬件組態

2.1 控制系統配置要求

DCS是計算機技術、控制技術和網絡技術高度結合的產物，適應各種過程控制的要求，工業現場DCS的控制原理如圖1所示。某石油化工有限公司甲醇汽油控制系統共有原料儲罐和調合儲罐16座、甲醇汽油配比和罐區監控管理控制系統一套(包括兩條在線調合控制系統)、汽車定量發油控制系統一套。該項目中16個罐區要求全部設置液位報警；罐區、調合區、發油區要求設置可燃氣濃度超限報警；對汽油、甲醇和添加劑3種液體實現按照比例自動調配控制。

圖1 工業現場DCS控制系統原理

2.2 硬件組態

該項目DCS控制系統采用西門子最新S7-400系列的PLC，由于S7-400的CPU處理速度較S7-300、200快，具有冗余功能存儲容量大、I/O擴展功能強、運行速度高及通信能力強等優點，其CPU資源裕量增加，內存空間變大，工作中循環周期更短，現場級通信連接性能好，選用的主控制模塊為CPU412-1(型號6ES7 412-1XJ05-0AB0)。根據系統要求和功能選擇合適的系統模塊、通信網絡及余量等，具體為：

a. 將液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濃度傳感器采集的信號作為模擬信號輸入，傳感器輸出的4～20mA標準電流信號傳送給PLC系統的模擬量輸入通道，最大阻抗為250Ω，I/O模件能直接連接二線制變送器，而不采用電壓分配器方式，選用模塊為SM331/AI8。

b. 數字量輸入為閥門開度狀態反饋，選用模塊為SM321/DI8。

c. 模擬量輸出為閥門開度控制，驅動回路阻抗大于750Ω的負載能力，選用模塊SM332/AO4。

d. 數字量輸出為控制泵的啟、停，用電隔離輸出，隔離電壓不小于250V，選用模塊SM323/DO16。

e. PLC系統的供電系統為PS407，是西門子公司設計的S7-400PLC專用24V直流電源。電源模塊的輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊、各種智能模塊的消耗功率之和，并且要留有30%左右的余量。根據這個原則，選擇系統的供電模塊為額定電流是4A的PS407模塊。

f. 采用工業以太網通信處理器CP443-1，直接將S7-400集成到100Mbit/s的工業以太網中，通過工業以太網直接調試，不需要現場PG。

g. 系統擴展，根據廠家提供的控制要求和對現場設備進行遠程操作的需要，確定整個系統所需I/O點數為156點，其中模擬量輸入為136點，模擬量輸出為4點，數字量輸入為6點，數字量輸出為10點，主要包括儀表控制點、電機控制點、調節閥和電動控制點。另外，考慮到一些未知情況，需額外預留15%的備用控制點數。控制器CPU負荷率不大于60%，操作員站服務器CPU負荷率不大于40%。

3 軟件設計

PLC編程軟件采用西門子的STEP7 V5.4 SP2版本開發平臺。在離線狀態下，可模擬與現場設備相連接進行離線仿真，得到良好的控制效果。用戶程序包括組織塊(OB)、數據塊(DB)、功能塊(FC、FB)，系統使用循環掃描的方式執行程序。根據工藝生產過程和系統控制要求，主要有模擬量采集子程序、量程標度變換子程序、電機聯鎖啟/停子程序和故障報警子程序。

采用WinCC V7.0 SP2開發平臺組態人機界面，包括控制畫面、報表打印、流量累計記錄、可燃氣體超限報警及歷史趨勢等，為整個項目DCS控制系統提供安全、可靠的生產前提。甲醇汽油調配監控管理系統(上位機)、容積式流量計、防爆電動調節閥及西門子S7-400PLC系統控制柜等設備構成甲醇汽油調配控制子系統(圖2)。

圖2 甲醇汽油調配控制子系統示意圖

FB41為連續控制的PID(圖3)，用于控制連續變化的模擬量，實現不同控制功能的數值接口和地址參數。主要包括PID控制中比例、積分、微分的控制參數接口和使能控制端口、系統設定值、外部檢測輸入端口、功能塊參數重新設置及手/自動轉換等。

圖3 FB41功能模塊

4 動態矩陣預測控制算法在DCS控制系統中的實現

DMC是一種基于對象階躍響應的預測模型，具有在線滾動優化、反饋校正的特征，使得其控制效果優于其他算法，適用于有時滯、開環漸近穩定的非最小相位系統。該項目中的控制對象是電動閥門，其階躍響應參數采樣簡單，易于獲得DMC算法的模型向量。若模型失配時，可獲得無靜差控制。在甲醇汽油調配控制系統中,汽油、甲醇、添加劑分別是獨立的流量調節系統，給定值通過計算機輸出，采用流量計監測管道流量計算瞬時流量，調節閥開度調節各管道物料的分流速度，達到比例調節控制的目的，圖4為該項目物料自動調合界面。

圖4 物料自動調合界面

PID控制系統有手動控制和自動控制兩種方式。選擇手動控制時，操作人員手動操作現場控制柜，實現變頻器手動控制，完成電機的啟動及停止等動作。選擇自動控制時，控制系統實時檢測現場設備的壓力及液位等信號，自動對電機的轉速進行調整。需要注意的是：在切換到自動前，一定要先手動調節，當實際檢測值和設定值相差不大時再切換到自動控制狀態。這樣既提高了調節速度，又減少了閥門的動作次數，延長了閥門壽命。甲醇流量的PID控制如圖5所示。

圖5 甲醇流量PID控制

5 仿真結果

在集散控制系統中，通常將OPC接口作為監控計算機、其他計算機和來自不同廠家的設備之間進行通信的方式。由于OPC技術有可移植性強、代碼可重復利用率高及開發難度小等優點，所以在DMC算法應用到本項目的DCS系統時，把WinCC和Matlab設置成OPC接口，WinCC可將現場采樣的數據樣本通過OPC送到上位機Matlab中，用DMC算法對現場數據進行分析計算，得到最優控制方案，實現對現場設備的實時控制。

被控對象傳遞函數為：

(2)

在DMC仿真中，令時域P=8，控制時域M=2，輸出設定值與參考軌跡r=1，對于小時滯過程，其余參數選取與PID同樣的值。經過仿真可得其階躍響應如圖6所示。

圖6 常規PID控制和DMC的階躍響應

由圖6可知，DMC的超調量明顯小于PID控制，調節時間比PID控制的短，而且抗干擾能力比較強。P參數越小，動態響應越快，但該系統是有慣性的，P參數變化后，實際的PV值變化需要一個過程，因此實際系統中比例作用不宜過強，過大的比例系數會使系統產生較大的超調量和振蕩，穩定性會下降。將積分調節引入對穩態誤差進行積分，使系統的PV值保持穩定，PV值逼近于SP值，達到無差調節，進而微分調節對比例和積分控制進行補償，使超調減小，穩定性增加，對系統擾動的抑制能力減弱。整個過程中的數據都是在線進行，兩種方式的仿真結果表1。可以看出，系統有很好的跟蹤性能、魯棒性和強大的抗干擾能力。

表1 仿真結果比較

6 結束語

基于S7-400PLC的動態矩陣預測控制在甲醇汽油在線調配系統憑借著預測模型、滾動優化、反饋校正，提高了控制精度，具有良好的穩定性、魯棒性和抗干擾性。并借助S7-400PLC和WinCC軟、硬件平臺將該算法在控制系統中得以實現。