靳瑩瑞，陳玉國

（1．鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院，鄭州450001；2．中原工學(xué)院，鄭州450007）

基于DCS的雙容水箱液位串級控制

靳瑩瑞1，2，陳玉國2

（1．鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院，鄭州450001；2．中原工學(xué)院，鄭州450007）

利用HOLLIAS公司的先進(jìn)集散控制MACS系統(tǒng)的硬件和軟件對雙容水箱對象構(gòu)建了串級控制系統(tǒng)．通過MACS系統(tǒng)硬件中的FM148模擬輸入單元現(xiàn)場采集2組檢測數(shù)據(jù)，由FM151模擬輸出單元輸出控制信號．利用MACS組態(tài)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、算法組態(tài)及上位機(jī)圖形組態(tài)，較好地完成了對液位的控制指標(biāo)要求．

DCS；雙容水箱；串級；MACS

DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）自問世以來，其可靠性、實用性不斷提高，功能亦日益增強(qiáng)，得到了迅猛發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、制藥、冶金、建材等行業(yè)［1－3］．HOLLi AS MACS作為國產(chǎn)DCS產(chǎn)品的優(yōu)秀代表，能夠真正做到“危險分散，控制分散，集中監(jiān)控”．它應(yīng)用了工業(yè)以太網(wǎng)核心技術(shù)，保證了通信的實時性和確定性、網(wǎng)絡(luò)的安全性；其I／O模塊可以隨用戶現(xiàn)場需要集中安裝或分散安裝，節(jié)省大量的電纜費用；其總線采用目前世界上先進(jìn)的Profibus－DP現(xiàn)場總線技術(shù)．因此，HOLLi AS MACS可方便地和不同廠商、不同品牌的智能儀表進(jìn)行通訊及數(shù)據(jù)交換，適合不同的應(yīng)用場合，系統(tǒng)擴(kuò)展靈活．雙容水箱是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的控制對象，一般表現(xiàn)出二階特性，通常要求對其下面一個水箱液位進(jìn)行定值控制，利用串級控制可以有效克服其容量滯后［4］．本文利用MACS系統(tǒng)對雙容水箱對象構(gòu)建DCS串級控制系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、算法組態(tài)以及調(diào)試和運行，較好地實現(xiàn)了控制指標(biāo)的要求．

1 硬件結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖

MACS系統(tǒng)硬件由工程師站、操作站、系統(tǒng)服務(wù)器、現(xiàn)場控制站（包括主控單元設(shè)備和I／O單元設(shè)備）及被控對象組成．其結(jié)構(gòu)如圖1所示．MACS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)3個層次．監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工程師站、操作員站、高級計算站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連；控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與過程I／O單元的通訊．在由雙容水箱為被控對象構(gòu)成的MACS串級控制系統(tǒng)中，服務(wù)器運行相應(yīng)的管理程序，對整個系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；工程師站運行相應(yīng)的組態(tài)管理程序，對整個系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和管理；操作員站運行相應(yīng)的實時監(jiān)控程序，對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制．現(xiàn)場控制站由主控單元、智能I／O單元、電源單元、現(xiàn)場總線和專用機(jī)柜等部分組成．其中主控單元為FM801型，它是MACS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站的核心設(shè)備，實現(xiàn)對本站I／O模塊數(shù)據(jù)的采集及運算，接受服務(wù)器的組態(tài)命令及數(shù)據(jù)交換；FM148模塊是8路模擬信號輸入單元，用于采集現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)；FM151模塊是8路模擬信號輸出單元，用于向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制信號．主控單元與輸入輸出模塊通過現(xiàn)場總線（ProfiBus－DP）相連．

2 軟件設(shè)計

MACS組態(tài)軟件包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、算法組態(tài)和上位機(jī)圖形組態(tài)等．?dāng)?shù)據(jù)庫組態(tài)要求工程師及操作員級將用戶提供的原始數(shù)據(jù)填入相應(yīng)類的表格中；設(shè)備組態(tài)用于在工程師站上定義應(yīng)用系統(tǒng)的硬件配置；算法組態(tài)用來規(guī)劃控制方案的組織和基本構(gòu)成；上位機(jī)圖形組態(tài)則是利用MACS系統(tǒng)生成應(yīng)用系統(tǒng)所需的各種總貌圖、流程圖和工況圖．

2．1 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

根據(jù)系統(tǒng)總體的控制要求和硬件結(jié)構(gòu)，需要分別采用2個液位變送器檢測上水箱液位和中水箱液位，并由主控單元作為主副控制器組成串級控制回路，因此，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫需要對2個模擬量輸入和1個模擬量輸出檢測點獲取的3個數(shù)據(jù)分別進(jìn)行組態(tài)．具體情況如表1和表2所示．

表1 模擬量輸入AI

表2 模擬量輸出AO

2．2 設(shè)備組態(tài)

在圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，系統(tǒng)主要由工程師站、操作員站、服務(wù)器站、現(xiàn)場控制站等組成．在設(shè)備組態(tài)中，服務(wù)站的站號為0，現(xiàn)場控制站的站號為10，操作員站的站號為50．I／O設(shè)備中模擬量輸入模塊FM148的設(shè)備地址為2，模擬量輸出模塊FM151的設(shè)備地址為4．

2．3 算法組態(tài)

在構(gòu)建的MACS串級控制系統(tǒng)中，控制算法需要2個控制器，都由主控單元來承擔(dān)．在算法方案中需要1個主功能模塊PID1、1個副功能模塊PID2、2個輸入端子和1個輸出端子，如圖2所示．圖2中的PID模塊有手動、自動、串級和跟蹤等多種工作狀態(tài)，本系統(tǒng)設(shè)置為串級方式，可以接收其他運算模塊的外給定進(jìn)行PID運算，采用的PID算法如式（1）．

圖2 串級控制方案

式中：TD為微分時間；KD為微分增益；BD為比例帶；TI為積分時間；Si表示是否要采取積分分離措施，以消除殘差 ．

當(dāng)｜E（n）｜＞SV時，Si＝0，為PD控制；當(dāng)｜E（n）｜＜＝SV時，Si＝1，為PID控制．

2．4 上位機(jī)圖形組態(tài)

上位機(jī)圖形組態(tài)是利用MACS系統(tǒng)生成的應(yīng)用系統(tǒng)所需的各種總貌圖、流程圖和工況圖．采用MACS的繪圖工具和多種動態(tài)顯示方式構(gòu)建的圖形組態(tài)使操作員可以對現(xiàn)場運行情況一目了然，從而方便地監(jiān)控現(xiàn)場運行．在本系統(tǒng)中，根據(jù)控制系統(tǒng)硬件和控制操作要求，設(shè)計了如圖3所示的監(jiān)控操作畫面．

3 調(diào)試與分析

對系統(tǒng)的設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、算法和圖形組態(tài)完畢后，即可進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試．在工程師站將要運行的系統(tǒng)分別成功下裝到服務(wù)器和操作員站，并重啟服務(wù)器．在操作員站打開要調(diào)試的工程，運行如圖3所示的監(jiān)控系統(tǒng)，按照控制要求，點擊PID1和PID2模塊，在彈出的整定畫面中分別對主副控制器的P、I、D參數(shù)進(jìn)行整定．調(diào)試的結(jié)果如圖4所示，其中圖4（a）為水箱液位控制曲線，圖4（b）為主控制器參數(shù)．

從圖4可以看出，液位最終穩(wěn)定在40 mm，系統(tǒng)超調(diào)為5%，調(diào)節(jié)時間控制在幾分鐘之內(nèi)．系統(tǒng)輸入輸出通道工作正常，較好地實現(xiàn)了對液位的控制．

圖3 串級控制圖形監(jiān)控系統(tǒng)

4 結(jié) 語

利用MACS系統(tǒng)能夠方便、有效地對雙容水箱對象構(gòu)建串級控制系統(tǒng)，而且各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)傳輸通暢，算法功能正常實現(xiàn)，運行良好．如果進(jìn)一步合理整定控制器參數(shù)，控制效果會更佳．

圖4 控制效果圖

［1］戴航丹，吳賽婷，童科慰．DCS控制吹灰系統(tǒng)在超臨界機(jī)組中的應(yīng)用［J］．儀器儀表用戶，2009，16（4）：59－60．

［2］吳秋芳，王致杰．基于 DCS控制的發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)［J］．電氣自動化，2008，30（5）：38－40．

［3］楊松柏，曾廣勝，蒲濤．化肥廠生產(chǎn)裝置DCS控制系統(tǒng)升級擴(kuò)容改造［J］．自動化與儀器儀表，2009（5）：135－137．

［4］邵裕森．過程控制工程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

The Cascade Control of Two－tank Level Based on DCS

JIN Ying－rui1，2，CHEN Yu－guo2
（1．Zhengzhou University，Zhengzhou 450001；2．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In the paper，a cascade control system of two－tank level based on advanced distributed control system MACS developeb by HOLLIAS CO．is built．The AI unit FM148 of MACS acquisitions two field data and the A0 unit FM151 outputs control signal．The hardware configuration，data base configuration，algorithm configuration and figure configuration of the system’s configuration software are realized to achieve the control requirements well．

DCS；two－tank level；cascade control；MACS

TP3，TP2

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．016

1671－6906（2011）02－0059－03

2011－03－22

靳瑩瑞（1982－），女，河南洛陽人，講師，碩士生．