CS2000裝置二階液位PID控制研究

王 婕 姚明源

(1.廣州工程技術職業學院，廣州 510725；2.廣州拉斯卡工程咨詢有限公司，廣州 510305)

集散控制系統(DCS)是以微處理器為基礎，綜合運用4C技術，對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種計算機綜合控制系統[1]。由浙江中控集團教學儀器有限公司開發的CS2000化工儀表維修工競技實訓裝置，采用浙江中控技術股份有限公司的WebField JX-300XP DCS控制系統,被控參數包括了工業上常用的液位、溫度、流量和壓力四大參數,目前已經成為很多大中專院校使用的實驗裝置，并且成為全國職業技術院校技能大賽化工儀表自動化賽項的指定設備，其中的二階雙容液位控制成為競賽取勝的關鍵。如何做好該液位的PID控制，更快、更好地整定出要求的性能指標，成為比賽的難點。筆者經過大量的實驗，設計了二階液位控制系統，并找到一種較好的PID整定方法，可以快速實現PID參數整定，使液位控制達到要求的性能指標。

1 CS2000過程控制實訓裝置簡介①

CS2000實訓裝置包括控制臺供電系統、實驗對象及現場儀表系統等幾部分，將水箱、鍋爐及換熱器等經典控制對象集成在同一設備上，與控制站、上位機構建成一個完整的DCS控制系統[2]。液位控制系統中包括一組有機玻璃三容水箱，每個水箱中裝有液位傳感器，可以實現上、中、下水箱一階控制以及上、中水箱組合的二階控制等方案。

1.1 CS2000裝置硬件構成

1.1.1控制站

現場控制站由電源模塊、主控卡(XP243)、數據轉發卡(XP233)、I/O卡件、交換機及機柜等部分組成。其中主控卡是系統的軟/硬件核心，協調控制站內部所有的軟/硬件關系并執行各項控制任務，主要包括I/O處理、控制運算、上/下網絡通信控制及診斷等。數據轉發卡的功能是主控制卡連接I/O卡的中間環節。I/O卡用來處理現場的各種輸入/輸出信號[3]。

1.1.2操作站

實驗室中為該實訓裝置配置兩臺計算機，其中一臺作為工程師站，安裝有SCKey組態軟件，用于工程設計、系統擴展或維護修改[4]；一臺作為操作員站，安裝有AdvanTrol監控軟件，能夠對整個系統進行監控。從工程師站通過網絡發送組態給操作員站，實現數據共享。

1.1.3系統中的網絡

WebField JX-300XP DCS系統的網絡由上到下分別為監控網絡、過程控制網絡和控制站內部網絡三層。監控網絡實現高層監控管理計算機與工程師站和操作員站的互連，過程控制網絡采用控制網絡SCnetII連接工程師站、操作站、控制站和通信處理單元，控制站內部網絡實現主控卡與數據轉發卡、I/O卡的連接與通信[5]。

1.2 系統軟件

WebField JX-300XP DCS系統軟件采用AdvanTrol-Pro 2.65軟件包，在WebField系列集散控制系統中完成系統組態、數據服務和實時監控功能。AdvanTrol-Pro軟件包分為運行監控軟件和組態軟件兩部分。

2 液位PID控制系統的設計

2.1 中水箱液位監控主界面的設計

在流程圖制作軟件SCDrawEx中，進行二階雙容中水箱PID控制畫面的組態。在流程圖畫面組態時，動態數據設置中導入I/O數據上水箱液位LT1、中水箱液位LT2和下水箱液位LT3，在LIC-02處導入動態數據閥位(常規回路中已經完成中水箱液位單回路控制組態)。在主界面中，可以通過調節電動閥閥位開度給上水箱供水，上水箱和下水箱液位可以實現數字和柱形圖的顯示，并在控制器中進行液位的自動控制。二階雙容中水箱PID控制畫面如圖1所示。

圖1 二階雙容中水箱PID控制主界面

2.2 中水箱液位的回路調整畫面

在回路調整畫面中，可以顯示當前被控參數的相關信息，如量程上/下限及低/高報等相關報警信息，同時顯示調節器的正、反作用。在回路調整畫面中可設置回路參數，包括：手/自動切換、調節器正/反作用設置、PID調節參數、回路給定值SV和回路閥位輸出值MV。設計好的回路調整畫面如圖2所示。

圖2 回路調整畫面

2.3 中水箱的實時曲線組態

在實時趨勢組態中將中水箱液位、中水箱PID控制設定值和閥位值導入，這樣就可以在歷史趨勢中監控三者的運行狀況，精確查看任意時刻3個變量的數值，便于計算過渡曲線的最大偏差、衰減比及過渡時間等相關性能指標。

3 系統參數整定與控制效果

3.1 整定前準備

通常通過工程整定方法來確定PID調節器的參數[6]，在實驗中采用經驗湊試法。考慮到液位控制沒有太大的滯后，所以選用簡單的比例積分控制，微分時間都設置為零。在實驗前，PID一般都會有一個經驗值，在手動狀態下，首先設置P=22%、I=3min、D=0s，給定電動調節閥開度為50%，然后手動調整裝置上水箱和中水箱出口閥的位置，使中水箱液位保持在約10cm的穩定液位上。

3.2 參數整定過程

液位穩定后，系統投入自動狀態，更改設定值，在原來液位的基礎上加2～5cm的階躍信號，然后觀察液位過程控制曲線。在整定參數時，必須認真觀察系統響應的情況，根據系統的響應情況決定調整哪些參數。一般技能比賽要求性能指標只有衰減比是4∶1，這樣衰減比的調整就非常重要。如果衰減比超過4，可以適當減小比例度；否則增加比例度，同時還可以改變積分時間，增大積分時間常數，有利于減小超調，減小振蕩，使系統更穩定[7]，但是不要兩個參數同時改變，這樣經過反復湊試PID參數，就可以達到滿意的控制曲線，從而完成控制任務。特別需要注意的是，在整定PID參數時，一定要在手動狀態下，否則得到的曲線是失真的。為了節約時間，在調整PID參數時，不要等曲線的3個周期都出來再調節PID參數，只要第二個波峰出來，就可以大致計算衰減比，然后根據它的大小適當調整PID參數，這樣可以盡快得到滿意的控制曲線。

3.3 過程控制結果

經過幾次整定，最終設置P=20%、I=6min、D=0s,液位穩定在8.937cm時，中水箱液位設定值加到11.001cm，可以得到過程控制曲線衰減比為4.03∶1，余差為0.012cm，準確滿足曲線要求，是比較理想的過渡過程曲線，如圖3所示。

圖3 過程控制曲線

4 結束語

以CS2000實訓裝置為研究對象，運用AdvanTrol-Pro監控組態軟件完成對二階雙容液位控制系統的設計和實時監控，控制結果表明：衰減比滿足實驗要求，并有很高的控制精度，很好地實現了工業上對液位控制的要求，達到了預期的控制效果。但是，如果裝置中水箱的出口閥開度改變，電動調節閥的開度改變，相當于生產的負荷改變，被控對象的特性就要改變，因此控制器的參數必

須重新整定。