柏受軍，趙 發(fā)，趙廣香

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

基于MACSV的雙容水箱液位串級(jí)控制

柏受軍，趙 發(fā)，趙廣香

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中許多被控對(duì)象都可以抽象成多容水箱的數(shù)學(xué)模型，其中水箱液位系統(tǒng)的建模和控制等方面的研究對(duì)設(shè)計(jì)真正的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)具有重要意義。由于目前水箱液位控制系統(tǒng)大多數(shù)都是基于PLC和組態(tài)軟件的，而企業(yè)實(shí)際運(yùn)行的工業(yè)過程控制系統(tǒng)很多都是集散控制系統(tǒng)，因此選擇北京和利時(shí)DCS設(shè)計(jì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)，并針對(duì)傳統(tǒng)PID控制精度不高的缺點(diǎn)，采用不完全微分PID控制算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用和利時(shí)DCS的CFC編程語(yǔ)言不僅方便設(shè)計(jì)控制算法，而且極大地提高了控制系統(tǒng)的性能。

集散控制系統(tǒng)；雙容水箱；不完全微分PID；MACSV

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，液位是主要的被測(cè)熱工參數(shù)之一，如污水處理池的水位、熱電廠鍋爐的水位、鋼鐵廠里鋼水的液位等等，對(duì)液位進(jìn)行精確控制將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和控制性能。多容水箱是這些現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程被控對(duì)象抽象出的數(shù)學(xué)模型，它可以模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位、流量、壓力、溫度等參數(shù)的測(cè)試和控制。目前對(duì)多容水箱的設(shè)計(jì)和控制算法已經(jīng)做了大量的工作，其中絕大多數(shù)采用PLC作為控制器，組態(tài)軟件作開發(fā)上位機(jī)人機(jī)界面的模式，[1-5]但是企業(yè)里的過程控制系統(tǒng)大多數(shù)采用集散控制系統(tǒng)。同時(shí)，傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)大多采用常規(guī)的PID控制，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但是水箱模型具有非線性、時(shí)滯性、時(shí)變性和多變量強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，因此常規(guī)的PID控制難以取得較好的控制效果。

鑒于上述原因，選擇使用北京和利時(shí)公司的集散控制系統(tǒng)進(jìn)行雙容水箱液位控制，選用公司的主控單元和相應(yīng)的模擬量輸入和輸出模塊完成液位數(shù)據(jù)的采集和控制?？刂葡到y(tǒng)的算法程序采用MACSV軟件中的CFC語(yǔ)言進(jìn)行編程，調(diào)用系統(tǒng)軟件中的不完全微分PID對(duì)液位進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用北京和利時(shí)公司的硬件產(chǎn)品和系統(tǒng)軟件對(duì)雙容水箱液位進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的控制精度。

1 雙容水箱硬件系統(tǒng)

1.1 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

雙容水箱系統(tǒng)是由被控對(duì)象系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成，它們使用兩組電纜連接，其中一組為動(dòng)力線，另一組為信號(hào)線，圖1為雙容水箱系統(tǒng)被控對(duì)象部分的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 雙容水箱系統(tǒng)被控對(duì)象部分結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，水箱液位系統(tǒng)的主要工作過程如下：在磁力驅(qū)動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，貯水箱中的水通過閥門F1-1、F1-2、F1-6進(jìn)入上水箱，上水箱通過閥門F1-9流入下水箱，再通過閥門F1-11流回貯水箱。水箱底部安裝壓力傳感器測(cè)量水位，將測(cè)量值傳送至控制系統(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值之間的差值，再根據(jù)不完全微分PID控制器計(jì)算出控制量，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改變上水箱的進(jìn)入量，從而達(dá)到對(duì)水箱中的液位控制的目的。

1.2 雙容水箱系統(tǒng)的機(jī)理模型

設(shè)下水箱流入量為Q1，下水箱流出量為Q2，液位h的變化反映了Q1和Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。[6]根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有

(1)

式中A為水箱截面積。將式(1)表示為增量形式

(2)

式中ΔQ1、ΔQ2、Δh分別為偏離某一平衡狀態(tài)的增量。

由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系，但是經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q2與h成正比關(guān)系，而與閥門的阻力R成反比，得

(3)

將式(2)、式(3)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q2，即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型

(4)

式中T為水箱的時(shí)間常數(shù)，T=RC；K為放大系數(shù)，K = R； C為水箱的容量系數(shù)。

同理，雙容水箱的數(shù)學(xué)模型為

(5)

式中K=K1K2，為雙容水箱的放大系數(shù)；T1、T2分別為兩個(gè)水箱的時(shí)間常數(shù)。

1.3 雙容水箱系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)

雙容水箱的控制系統(tǒng)采用北京和利時(shí)公司的集散控制系統(tǒng)，又叫分布式控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱DCS(Distributed Control System)。該系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理的具有數(shù)字通信功能的新型控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，具有積木式的開放結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用過程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

和利時(shí)公司的HOLLiAS系統(tǒng)中的直接控制部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HOLLiAS系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)儀表層、裝置控制層、工廠監(jiān)控管理層、企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層組成，圖2中沒有畫出工廠監(jiān)控管理層和企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層。現(xiàn)場(chǎng)儀表層把現(xiàn)場(chǎng)的各種物理信號(hào)，如溫度、壓力、流量等轉(zhuǎn)變成電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行一些必要的處理送到控制器中，或者把各種控制輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變成物理變量，如閥位、位移等；裝置控制層通過控制器，相對(duì)獨(dú)立地完成對(duì)裝置或設(shè)備實(shí)時(shí)控制任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制；工廠監(jiān)控管理層主要由工廠管理和工廠監(jiān)控(SCADA)兩部分組成，其中工廠監(jiān)控主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析、性能分析、操作集中顯示、歷史記錄的產(chǎn)生與報(bào)表、各種報(bào)警處理等；企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層注重企業(yè)整體經(jīng)營(yíng)計(jì)劃的制訂和實(shí)施。[7]

雙容水箱系統(tǒng)中主控單元使用FM802，電源模塊使用FM901，主控單元和電源模塊安裝在4槽的FM305機(jī)籠中。智能I/O口模塊中采集4-20mA信號(hào)的模塊量輸入模塊使用FM148A，用于采集測(cè)量水位高度的壓力傳感器信號(hào)；4-20mA模塊量輸出模塊使用FM151A，用于控制智能調(diào)節(jié)閥的閥門開啟度。

系統(tǒng)硬件設(shè)備通過設(shè)備組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，圖3為設(shè)備組態(tài)后的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，其中圖3(a)為系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)際使用時(shí)有一臺(tái)服務(wù)器站，站號(hào)為0，一臺(tái)操作員站，站號(hào)為50，一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制站一臺(tái)，站號(hào)為10；圖3(b)為I/O口設(shè)備，一個(gè)模塊量輸入模塊FM148A，設(shè)備號(hào)為2，一個(gè)模擬量輸出模塊FM151A，設(shè)備號(hào)為4。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

工程師站、服務(wù)器站和操作員站通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)控制站相連，現(xiàn)場(chǎng)控制站再通過ProfiBus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與I/O口模塊相連。

2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

雙容水箱液位控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)基于和利時(shí)系統(tǒng)軟件MACSV，通過數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、算法組態(tài)和圖形組態(tài)完成系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)。

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)

根據(jù)系統(tǒng)控制功能的要求，需要2個(gè)液位傳感器檢測(cè)上、下水箱液位和1個(gè)4-20mA模擬量輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制水箱進(jìn)水量。在數(shù)據(jù)庫(kù)總控軟件中對(duì)上述三個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)。組態(tài)后的AI數(shù)據(jù)如表1所示，AO數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中AI數(shù)據(jù)變量

表2 添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中AO數(shù)據(jù)變量

2.2 算法組態(tài)

為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力和魯棒性，使其具有一定的自適應(yīng)能力，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成串級(jí)控制系統(tǒng)。下水箱為主控制回路的控制對(duì)象，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量；上水箱為副控制回路的控制對(duì)象，上水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，即副控回路是一個(gè)隨動(dòng)制系統(tǒng)。

主、副調(diào)節(jié)器都設(shè)計(jì)成不完全微分PID調(diào)節(jié)器，算法組態(tài)后的控制方案如圖4所示。

圖4 雙容水箱液位控制系統(tǒng)控制方案

圖4中PID01為MACSV系統(tǒng)軟件集成的不完全微分PID程序塊，作為系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器，LT2為下水箱液位實(shí)際測(cè)量值，程序塊的輸出作為PID02程序的設(shè)定值； PID02為系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器，LT1為上水箱液位實(shí)際測(cè)量值，程序塊的輸出作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入調(diào)節(jié)量。

2.3 圖形組態(tài)

利用MACSV系統(tǒng)軟件中的圖形組態(tài)工具繪制工藝流程畫面，讓操作人員通過操作員站上的工藝流程畫面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況一目了然，從而方便地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。根據(jù)控制系統(tǒng)操作要求，設(shè)計(jì)的工藝流程畫面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工藝流程畫面

3 系統(tǒng)調(diào)試與分析

系統(tǒng)經(jīng)過前面的設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)、算法和圖形組態(tài)，編譯就可生成可執(zhí)行文件，最后通過工程站下裝軟件將文件下裝到服務(wù)器和操作員站。運(yùn)行服務(wù)器和控制器，啟動(dòng)操作員站利用圖5的工藝流程監(jiān)控畫面，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)HSPID1和HSPID2的P、I、D參數(shù)進(jìn)行整定，再通過不斷調(diào)試，優(yōu)化PID參數(shù)使用雙容水箱性能指標(biāo)滿足實(shí)際需要，圖6是設(shè)定值為50mm后的運(yùn)行曲線圖，從圖中可以看出，液位穩(wěn)定的時(shí)間不到2分鐘。

圖6 水箱液位實(shí)際運(yùn)行曲線圖

4 結(jié)論

為了有效研究工業(yè)生產(chǎn)過程中液位等重要熱工參數(shù)的控制，使用北京和利時(shí)DCS系統(tǒng)對(duì)抽象的數(shù)學(xué)模型雙容水箱的液位進(jìn)行控制，算法組態(tài)時(shí)使用MACSV系統(tǒng)軟件中的不完全微分HSPID程序塊。先根據(jù)PID參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，再根據(jù)實(shí)際不斷

調(diào)試優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)水箱液位控制具有精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，這也為以后設(shè)計(jì)液位、溫度及流量的多變量解耦控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

[1]宋清昆，曹劍坤，韓笑，等．關(guān)于三容水箱系統(tǒng)水量液位優(yōu)化控制研究[J]．計(jì)算機(jī)仿真，2016(5)：330-334.

[2]鄭華，呂偉珍．基于組態(tài)王和Matlab的雙容水箱液位控制[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012(2)：155-157.

[3]史運(yùn)濤，何安．基于SIMATIC PCS7的預(yù)測(cè)控制在2×2耦合四容水箱系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2014(8)：887-890.

[4]武貴洲.基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在多容水箱控制策略的研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2015.

[5]張倩.基于S7_300PLC的模糊解耦控制對(duì)水箱液位控制的研究 [D].燕山大學(xué)，2014.

[6]黨長(zhǎng)青．基于多容水箱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究[D].貴州大學(xué)，2015.

[7]王常力，羅安．分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例：第3版[M]．北京: 電子工業(yè)出版社，2016.

Class No.:TP212 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Cascade Control of Two-tank Level Based on MACSV

Bai Shoujun, Zhao Fa, Zhao Guangxiang

(School of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000，China)

In the process of modern industrial production, many controlled objects can be abstracted into the mathematical model of multi-tank, in which the modeling and control of the tank level system is of great significance to the design of real production process control system. Most of the current tank level control system is based on PLC and configuration software, but the actual operation of industrial process control systems are distributed control system. In this paper, the design of two-tank level control system based on Beijing Hollysys DCS is designed. In order to overcome the shortcomings of traditional PID control, the incomplete differential PID control algorithm is adopted. The experimental results show that the CFC programming language of DCS can not only facilitate the design of control algorithm, but also greatly improve the performance of the control system.

DCS; two-tank ; incomplete differential PID; MACSV

柏受軍，碩士，講師，安徽工程大學(xué)。

安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015xnzx009)；安徽省高等教育省級(jí)振興計(jì)劃項(xiàng)目(2015zdjy083)；高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(2012SQRL219)。

1672-6758(2017)02-0030-4

TP212

A