基于PCS7 的過程仿真及控制實驗設計

向 欣， 王 卓， 禹萬泓

（華中科技大學人工智能與自動化學院，武漢430074）

0 引 言

“過程控制系統”和“集散控制系統”是自動化專業本科的必修課。過程控制系統從傳統的過程檢測控制儀表正逐步往集成化和網絡化方向發展，集散控制系統已經發展成為工業過程生產自動控制裝置的主流技術裝備。為加深學生對過程控制理論知識的了解，將廣泛應用于工業自動化現場的集散控制系統引入過程控制系統實驗，實現學生實驗與工業生產實際接軌，提高學生的工程實踐能力，為培養卓越工程師奠定基礎［1］。為鍛煉學生的動手能力，培養學生將書本上的控制方法應用到實際工程方案中，實現復雜的控制方案，必須要給學生提供復雜的被控對象和較高的控制要求。因安全和經費等因素，包含溫度、組分和壓力等被控參數的真實復雜過程對象很難在實驗室中搭建起來。本文基于復雜實驗對象建立數學模型［2］，并在PCS7 系統上采用連續功能圖（Continuous Function Chart，CFC）搭建實驗仿真模型對象［3］。不僅讓學生充分了解復雜過程對象數學建模的方法，并通過控制方案的設計和實現過程，讓學生掌握PCS7 硬件組態、控制回路的設計和控制參數的調整；針對復雜過程對象，不僅能實現簡單回路的控制，也能實現各種復雜控制。

該實驗內容在培養計劃中安排為“過程控制綜合實驗（II）”，24 學時，是為本學院自動化專業大三學生開設的一門獨立實驗課程，實驗效果良好。實踐證明該設計與教學方法鍛煉了學生的工程實踐能力，提高了過程控制系統的實驗教學效果。

1 實驗教學內容

（1）學生根據實驗指導書提供的對象介紹充分了解被控對象的工藝過程，了解對象模型的實現原理和方法，根據實驗提出的控制要求，制定總體控制方案［4-5］。

（2）用SIMATIC MANAGER 軟件創建工程項目實現自動化站AS和工程師站ES與操作員站OS構成的最小系統，完成硬件組態與網絡組態。

（3）在CFC 編輯器中完成針對對象模塊的控制設計任務，啟用PLCSIM 仿真AS 站，將設計好的程序編譯下載到AS站。

（4）編譯、設計OS站及圖形界面。

（5）設計SFC，實現順序控制功能的開車和停車。

（6）在OS 站啟動運行程序檢驗控制功能與效果。

2 仿真對象設計

2.1 加熱箱對象介紹

2.1.1 被控對象描述

構建帶攪拌器的加熱箱系統［6-7］結構如圖1 所示。

圖1 加熱箱系統結構圖

冷物料由進料調節閥V01 進入加熱箱，當液位h達到一定高度時，打開蒸汽加熱閥V03，將溫度加熱到一定溫度，打開出水閥調節閥V02，保持生產負荷Fout恒定，使加熱箱液位、流量和溫度自動控制在生產要求的穩定范圍。

2.1.2 數學模型

本文構建的加熱箱模型基于連續反應釜（Continuously Stirred Tank Reactor，CSTR）模型，其數學模型［6］為：

式中：ρ為物料的比重系數；A為反應釜底面積；h為物料的液面高度；Fin為流入物料的質量流量；Fout為流出物料的質量流量，

式中：β為紊流狀態下的節流系數。

式中：cp為物料的比熱系數；Tin為流入物料的溫度；T為反應釜物料的溫度；Tst為蒸汽管壁的溫度系數；UA為蒸氣管壁的傳熱系數；hmax為物料液位的最大高度；

式中：k為比例系數。

根據參考文獻［4］可以得到數學模型式（1）～（3），本文假定換熱箱中的蒸汽管壁的溫度Tst與蒸汽流量Fst成正比，因此得到數學模型式（4）。

2.1.3 工程化描述

為了便于模型能在PCS7 中進行CFC［8］建模實現，將上述模型的對應變量進行了工程化描述，見表1。

表1 變量工程化描述

2.2 CFC仿真被控對象

2.2.1 建立CFC模型

（1）開關閥仿真?？紤]到工藝操作的需要，模型中的進、出水管道，以及蒸汽管道都有相應的開關閥，開關閥XV01、XV02、XV03 的實現方式是一樣的。以開關閥XV01 為例，其功能為：當XV＿01＿CTRL ＝1 時，XV01＿FB＿CLS ＝0，延時一段時間后，開關量輸出信號XV01＿FB＿OPEN ＝1。當XV＿01＿CTRL ＝0 時，XV01＿FB＿CLS ＝1，延時一段時間后，開關量輸出信號XV01＿FB＿OPEN ＝0。其CFC仿真實現如圖2 所示。

圖2 開關閥仿真實現

（2）調節閥仿真?？紤]前后壓差、前置開關閥狀態和放大系數的影響，3 個調節閥V01、V02 和V03 根據閥門控制信號實現對調節閥流量的調節，閥門信號的輸入范圍為0 ～100%。流量Q與壓力P的關系為：考慮到慣性特征，加入一階慣性環節，其CFC仿真實現如圖3 所示。

圖3 調節閥仿真實現

（3）加熱箱過程仿真。表1 中有5 個輸出信號：L01、T01、Q01、Q02 和Q03 是對象模塊根據輸入信號得到的5 個輸出信號，模塊的輸出、輸入信號的關系由加熱箱本身的數學模型決定。其中，系統的被控變量為L01、T01 和Q02，其中部分參數已被設為相應常數。建模步驟如下：

步驟1流量過程模型。模型中TM＿LAG（時間常數）、PRESS（壓力）和RATIO（放大系數）為設定的常數，IN 為調節閥輸入信號，Q01 和Q03 通過數學模型（2）與V01 和V03 建立聯系。Q02 的實現稍有不同，將PRESS參數連接到L01，即考慮了出水流量與液位高度的如式（2）所示的關系。其CFC 實現如圖4所示。

圖4 流量模型實現

步驟2液位過程模型。模型中容積系數LAREA（加熱箱面積）為設定的常數。液位高度由進水流量Q01 和出水流量Q02 通過相應數學模型（1）確定。其CFC實現如圖5 所示。

圖5 液位模型實現

步驟3溫度過程模型。模型中TEMP＿ENV、TK＿ENV、Q01＿KT、Q1101＿T0 和TEMP＿K 均為設定的常數。溫度與整個系統的熱量輸入、輸出相關，通過數學模型（3）和（4）確定，并且受液位和流量的影響。其CFC實現如圖6 所示。

圖6 溫度模型實現

2.2.2 模型仿真PROCESS模塊

基于CFC設計了上述加熱箱對象的模型［9］。將其封裝成為一個獨立的功能塊（FB）。如圖7 所示。

圖7 加熱箱功能塊

3 控制系統設計

3.1 控制回路的設計

將各被控變量的控制回路設計成單回路控制系統，實現教學目標，分別為溫度、液位、流量和溫度串級等控制回路。為了進行復雜回路的實驗，將Q03 引起的波動引入溫度控制回路的串級控制系統［10］。其方框圖如圖8 所示。

圖8 溫度串級回路方框圖

該控制回路采用串級控制，由內環控制器克服由Q03 波動對溫度造成的影響，由外環回路對溫度進行調節［11］。

3.2 控制方案的CFC實現

在實驗之前，教師引導學生充分了解了仿真模型的原理。讓學生自主建模，設計相應的控制回路。如果時間有限，教師可以事先將部分模型建立好，讓學生使用。

3.2.1 單回路多變量控制系統實驗

CFC控制回路的建立。在已經建立的被控對象模型基礎上，構建被控對象的功能模塊。使用CTRL＿PID模塊進行參數設置，如報警值、變量單位等。通過塊與塊，以及變量與塊的互聯來實現控制回路的搭建［12］。得到如圖9 所示的CFC 控制連接圖（圖中加入了各個被控變量的控制效果評分模塊，控制效果評分模塊是采用PCS7 的SCL語言，根據超調量和偏差絕對值積分撰寫的自動評分模塊，提供給學生直接使用，因篇幅原因，此模塊的設計介紹在此省略）。

圖9 CFC控制連接圖

3.2.2 溫度串級控制系統實驗

（1）CFC控制回路的建立?？紤]到溫度易受輸入蒸汽流量波動的影響。將串級控制引入到溫度控制回路，克服蒸汽流量波動對系統溫度造成的影響［13］。副回路模型與單回路控制系統相同，是串級系統的內環，在此封裝成子系統。其CFC連接圖如圖10 所示。

圖10 溫度串級控制回路CFC連接圖

（2）串級控制系統參數整定。在主、副控制器參數整定過程中，由于系統中主、副回路是互相影響的，常常采用逐次逼近法。使主回路開環，按單回路方法整定副控制器；讓主回路閉環，在已整定過的副控制器下，整定主控制器參數；在主回路閉環的條件下，重新整定副控制器參數，至此完成了一個逼近循環。如果已經滿足控制要求，則上述所求即為控制器參數，否則，重復上述過程，直到獲得滿意的調節參數［14］。由于第1 步（整定副控制器參數）的工作已經在單回路液位控制系統實驗中完成，所以只需再進行后續整定主控制器參數和反復調整。這里，只需要關注溫度的曲線即可。

（3）控制系統的SFC 順序控制。通過控制回路的設計以及控制器參數的整定，得到了良好的實驗效果。還需編寫SFC 以保證控制器自動運行控制［15］。開車SFC圖和停車SFC圖如圖11 所示。

3.3 控制效果評價

圖11 開車與停車SFC圖

在實驗效果檢驗這一部分，學生在CFC中加入自動評分模塊的使用，可根據控制效果來自動進行評分，在OS界面上根據不同控制參數與控制策略的控制效果，自動得出不同的評價分數。（評分模塊的使用是作為擴展實驗的內容，若學時有限，也可以不使用。）

當采用單回路控制流量，并且PID 參數Kp＝2，Ti＝10，Td＝0 時可以得到如圖12（a）箭頭所示分數（77.15）。PID參數Tp＝3，Ti＝5，Td＝0 時可以得到如圖12（b）箭頭所示分數（80.93）?？梢钥闯觯攨嫡{節得更加合適時，分數可以得到提高。

圖12 實驗效果圖

同時，在OS 界面我們可以獲得許多信息并能進行很多簡單操作［16］。

4 教學效果

由實驗實例看出，以多變量復雜控制系統溫度串級控制系統實驗為主線，將實物對象建模和多變量單回路控制實驗作為其先行基礎實驗，自下而上的課程知識融會貫通，實驗教學的系統性更好。實驗手段上加入PCS7 仿真后，不僅讓實驗加強了與工業現場的聯系，而且提高了學生對過程控制系統與集散控制系統相關性的認識，同時也提高了實驗效率與效果。比較使用軟件仿真前后，在相同的實驗下，原來學生們只會單回路的變量控制，而現在學會了多變量的控制，并且學會了集散控制系統的控制流程。在相同的時間下，學生學會的知識更加豐富。通過軟件仿真，學生將動手操作與理論學習相結合，深入理解控制參數對系統特性的影響，提高了學生分析、解決實際問題的綜合能力。

5 結 語

本文以實際的教學案例分析基于PCS7 的過程控制實驗設計。本文設計的過程控制綜合性實驗，將仿真與實際控制相結合，將過程控制系統與集散控制系統聯系，不僅能提高實驗的效率，還可以引導學生對控制系統進行更深入的研究，是提高控制工程實踐環節教學效果的有效途徑。實驗內容的有機綜合，提高了實驗內容的質量，增進了學生對知識的消化與認識。