盧亞平，任 曉，秦擁軍

（蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325）

2006年，蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院組建了分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）實驗室，迄今已為蘇南地區(qū)培養(yǎng)了一大批DCS專業(yè)人才，服務(wù)了地方企業(yè)，滿足了一定量的企業(yè)需求。但隨著時間的延長和學(xué)院招生規(guī)模的擴展，該實驗室還是逐漸顯露出一些缺陷，需要對現(xiàn)有的DCS進行改進和創(chuàng)新，以便能更好地提高教學(xué)質(zhì)量。

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

1 現(xiàn)有JX－300XP DCS教學(xué)中的缺陷

1.1 控制對象數(shù)量不足

DCS實驗室現(xiàn)有3個控制站機柜，6個控制對象［2］。隨著學(xué)院招生規(guī)模的擴大，這些實驗設(shè)備已不能滿足實驗教學(xué)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(xué)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(xué)生表現(xiàn)出松懈和不認真的態(tài)度［3］。

圖1是原有的DCS控制系統(tǒng)分配情況。A組學(xué)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(shù)的修改，而其余5臺是只能監(jiān)控的操作站，即在任何時候該組只有1位學(xué)生在做實驗。B組學(xué)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(tài)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(nèi)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(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)分配

實驗六：鍋爐內(nèi)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(nèi)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(tài)工程中，可以做的實驗項目較多，但實驗教學(xué)一般只有18學(xué)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(xué)生了解設(shè)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(fù)雜（例如內(nèi)外溫度串級實驗），對于一次僅有3學(xué)時的實驗課，學(xué)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(diào)壓裝置有移相觸發(fā)、周期過零（PWM）觸發(fā)和周波過零（CYC）觸發(fā)。

可控硅移相觸發(fā)調(diào)壓控制會在電網(wǎng)中產(chǎn)生高次諧波，對電源有污染；CYC觸發(fā)可最大限度地利用交流電的周期特性，對溫度控制系統(tǒng)有較高的控制精度，只有較少的干擾和電源污染［5］。舊系統(tǒng)的可控硅調(diào)壓裝置采用斬波（移相）觸發(fā)，是由全隔離三相交流調(diào)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(xù)出現(xiàn)問題，特別是在MCGS－DDC控制過程中出現(xiàn)干擾導(dǎo)致信號丟失（見圖2），嚴重時會出現(xiàn)電源跳閘現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yīng)安裝1個IO單元。因此，可在現(xiàn)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(xué)生分組數(shù)進一步增加，每批學(xué)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)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(shè)備使用效率，使得學(xué)生鍛煉時間增多，大多數(shù)學(xué)生都能參與進來，提高教學(xué)質(zhì)量［8］。

2.2 JX－300XP DCS組態(tài)改進措施

項目組態(tài)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(tài)流程圖改進措施

流程圖的改進遵循適合實驗課時數(shù)、選擇效果較好的實驗、涉及重點知識內(nèi)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(tǒng)新分配方案

圖4 JX－300XP DCS組態(tài)改進一覽

實驗一：上水箱特性測試實驗；

實驗二：鍋爐內(nèi)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(nèi)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(xué)生對設(shè)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(nèi)容安排由簡單到復(fù)雜，控制回路由陳舊到經(jīng)典。實驗七、八為備用實驗，以防其他實驗出現(xiàn)不可預(yù)知的故障［10］。

2.4 溫度控制器件分析及改進措施

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

圖5 移相觸發(fā)、周期過零觸發(fā)和周波過零觸發(fā)

移相觸發(fā)即在交流電的半個周期（正半周期或負半周期）內(nèi)，通過控制（移動）觸發(fā)脈沖的相位調(diào)整導(dǎo)通時間和關(guān)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(fā)能夠限制瞬時電流，但是輸出電壓含有高次諧波，對電網(wǎng)和其他設(shè)備會造成一定的危害。

周期過零（PWM）觸發(fā)是在一個較長的固定周期內(nèi)通過觸發(fā)電路控制導(dǎo)通周波的個數(shù)和關(guān)斷周波的個數(shù)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(nèi)通斷時間比例來控制輸出電壓，因而在低功率輸出時關(guān)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(fā)方式是從周期過零觸發(fā)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(wǎng)無干擾。此種方式可有效減小電表指針的抖動，實現(xiàn)對電流的限流控制。

據(jù)此，將舊系統(tǒng)的移相觸發(fā)可控硅調(diào)壓器更換為周波過零觸發(fā)可控硅調(diào)壓器，該調(diào)壓器由三相交流固態(tài)繼電器（SSR－3H380D35）和固態(tài)繼電器周波控制模塊（SSR－CYC）組成。更換后，彌補了移相觸發(fā)可控硅調(diào)壓器給系統(tǒng)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(jié)束語

對蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院使用的浙江中控DCS控制系統(tǒng)進行了改進和創(chuàng)新，并進行實驗記錄與測試。改進方案涉及工程的重新組態(tài)、DCS系統(tǒng)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(xiàn)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(nèi)容，最終實現(xiàn)了提高教學(xué)質(zhì)量、滿足教學(xué)要求、提高自身專業(yè)知識和能力等目的。

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