周雅靜

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于DeltaV系統(tǒng)的單容水箱液位控制系統(tǒng)。運(yùn)用PID算法作為整個(gè)系統(tǒng)的控制策略，并在DeltaV控制系統(tǒng)中進(jìn)行控制策略編程。闡述單容水箱液位控制過(guò)程設(shè)計(jì)及控制算法編程，利用DeltaV系統(tǒng)的組態(tài)軟件制作上層可視化人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)液位值的實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)PID參數(shù)的在線整定得到系統(tǒng)反應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)將PID算法與DeltaV系統(tǒng)相結(jié)合的方式，能有效地對(duì)整個(gè)單容水箱水循環(huán)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)試湊法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，達(dá)到優(yōu)化并有效控制液位的目的。

關(guān)鍵詞：液位控制；DeltaV系統(tǒng)；PID；參數(shù)整定

DOIDOI：10.11907/rjdk.172002

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）012-0106-03

Abstract：A single level tank control system based on DeltaV system is designed. The PID strategy is used as the control strategy of the whole system， and the control strategy is programmed in the DeltaV control system. This paper describes the design of the liquid level control process and the control algorithm of the single tank， and finally uses the configuration software of the DeltaV system to make the real-time display of the liquid level. The system curve is obtained by the online setting of the PID parameters.The experimental results show that the PID algorithm can be effectively monitored and diagnosed by using the PID algorithm and DeltaV system in real time to monitor and diagnose the PID parameters of the single tank water tank. The PID parameters can be optimized and the liquid level can be effectively controlled.

Key Words：level control； DeltaV system； PID； parameter setting

0 引言

現(xiàn)代化工廠日益趨向自動(dòng)化和智能化，DeltaV系統(tǒng)作為第四代DCS系統(tǒng)中的佼佼者被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，它是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]，支持FF、WirelessHART總線協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控、控制、報(bào)警參數(shù)修改一體化。液位這一參數(shù)是工業(yè)控制過(guò)程中最常見(jiàn)的被控量之一，但由于水箱系統(tǒng)自身存在液位變化延遲、慣性大等缺陷，如何保持水箱液位的穩(wěn)定成為研究熱點(diǎn)，PID算法作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的控制算法也廣受關(guān)注。將水循環(huán)系統(tǒng)與DeltaV系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)自來(lái)水的流量控制和液位為控制，對(duì)實(shí)際對(duì)象控制和設(shè)備進(jìn)行管理模擬，充分展示了DeltaV作為一個(gè)DCS系統(tǒng)的分散控制功能，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的協(xié)同運(yùn)作能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化、智能化以及提高工廠作業(yè)的安全性具有重要意義。

參照現(xiàn)代化工廠過(guò)程控制系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了單容水箱液位控制系統(tǒng)，通過(guò)FF、WirelessHART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與DeltaV系統(tǒng)的通訊，完成實(shí)時(shí)參數(shù)傳遞。PID算法作為主控制算法，在DeltaV控制系統(tǒng)工程師站中安裝的組態(tài)軟件編程后下裝到DeltaV控制器中運(yùn)行，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行控制。具體控制操作、參數(shù)整定及數(shù)據(jù)查看通過(guò)組態(tài)好的可視化人機(jī)界面完成。

1 液位控制過(guò)程設(shè)計(jì)

水箱作為液位這一被控對(duì)象的承載體，組合多種智能儀表及閥門管道，構(gòu)成一套水循環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)工業(yè)流程如圖1所示。自來(lái)水在泵P101加壓作用下從水箱V101中壓出來(lái)，流過(guò)調(diào)節(jié)閥FV101、全開(kāi)的電磁閥XV101進(jìn)入水箱V102，通過(guò)手閥HV104回到水箱V101而構(gòu)成水循環(huán)回路；水箱V102的液位由LI102無(wú)線液位計(jì)測(cè)得，調(diào)節(jié)手閥HV104的開(kāi)啟程度代表負(fù)載大小。實(shí)驗(yàn)中，手閥HV104的開(kāi)啟程度是一個(gè)定值，HV102以及HV103作為回水通道的閥門（全開(kāi)），避免停泵。閥門開(kāi)合大小為操縱變量，液位值為被控變量，采用Rosemount公司3308系列無(wú)線液位計(jì)及無(wú)線渦街流量計(jì)作為測(cè)點(diǎn)的傳感器設(shè)備。

2 DeltaV系統(tǒng)在液位控制系統(tǒng)裝置上的應(yīng)用

DelatV過(guò)程控制系統(tǒng)主要由工作站、通訊網(wǎng)絡(luò)、電源、DeltaV控制器[2]組合現(xiàn)場(chǎng)儀表組成。它支持由FF、WirelessHART總線協(xié)議智能儀表構(gòu)成的控制回路組態(tài)下裝，同時(shí)通過(guò)組態(tài)DeltaV工作站的應(yīng)用程序?qū)刂苹芈分兄悄軆x表采集到的工業(yè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、保存等操作。

采用支持WirelessHART協(xié)議的無(wú)線液位計(jì)及無(wú)線渦街流量計(jì)作為兩個(gè)主要測(cè)點(diǎn)液位及流量采集設(shè)備，傳感器通過(guò)WirelessHART協(xié)議與網(wǎng)關(guān)相連并實(shí)現(xiàn)與DeltaV系統(tǒng)的穩(wěn)定通訊，其中被測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)WirelessHART協(xié)議格式進(jìn)行傳輸，經(jīng)由DeltaV控制器和交換機(jī)傳送給DeltaV工作站，工作站組態(tài)軟件分析數(shù)據(jù)、判斷液位當(dāng)前值與設(shè)定值，發(fā)送命令經(jīng)由交換機(jī)傳給控制器，由控制器傳達(dá)給水泵電機(jī)控制柜，以控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)口大小，從而達(dá)到控制液位的目的。水泵電機(jī)控制柜及氣動(dòng)閥門和DeltaV控制器之間的連接支持FF協(xié)議格式，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。物理連接完成后，建立DeltaV數(shù)據(jù)接收模塊與網(wǎng)關(guān)之間的連接，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)為無(wú)線液位計(jì)及無(wú)線流量計(jì)分配地址，這樣即可在DeltaV系統(tǒng)的應(yīng)用程序中監(jiān)控這兩個(gè)儀表的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

其中，GAIN為比例系數(shù)，主要用于調(diào)整偏差；Tr為積分作用時(shí)間常數(shù)，主要作用于消除靜差；Td為微分作用時(shí)間常數(shù)，主要用于調(diào)整系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間[5]。式中，KNL為非線性增益調(diào)節(jié)變量，它僅僅在應(yīng)用非線性增益調(diào)節(jié)時(shí)產(chǎn)生作用，主要通過(guò)調(diào)節(jié)以上3個(gè)變量對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以控制液位。

PID控制回路策略由圖形化語(yǔ)言輸入模塊AI、輸出模塊AO、PID模塊、串級(jí)控制功能選擇輸入模塊（CAS_IN）、反饋輸出模塊（BLCAL_OUT）構(gòu)成，具體編程組態(tài)如圖3所示。數(shù)值會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生變化，現(xiàn)場(chǎng)控制回路中的液位傳感器LI102將所測(cè)信號(hào)傳輸給DeltaV的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與DeltaV控制器相連，通過(guò)卡件將信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～100%的模擬信號(hào)，作為測(cè)量數(shù)據(jù)傳給PID回路模塊中的AI功能塊，然后引入到PID功能塊中進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)過(guò)內(nèi)部運(yùn)算后信號(hào)被傳送給模擬量輸出AO功能塊，模擬量輸出模塊AO將BLCAL_OUT的值返回給PID的BKCAL_IN。如果模擬量輸出模塊AO出現(xiàn)不正常狀態(tài)，則PID功能塊將停止作用[5]。模擬量輸出模塊將0～100%輸出值傳給DeltaV控制器的AO卡件，卡件將信號(hào)傳輸給調(diào)節(jié)閥作為控制輸出。

控制策略組態(tài)完成后，將每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)分配到控制器中保存，進(jìn)入DelatV的operator軟件通過(guò)調(diào)用模型庫(kù)里的如電機(jī)、電磁閥、流量計(jì)各種儲(chǔ)槽及管道[3]模型對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行組態(tài)，并將控制策略的輸入輸出點(diǎn)與圖形中的各點(diǎn)配置連接起來(lái)，這樣切換運(yùn)行狀態(tài)后即可查看到整個(gè)控制回路的運(yùn)行流程以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖4所示。由圖中的PID面板可知，在自動(dòng)模式下，SP（設(shè)定值）為47.2%，PV（當(dāng)前檢測(cè)值）為50%，OP（閥門調(diào)節(jié)值）為18.4%，控制器會(huì)將47.2%與50%進(jìn)行比較，對(duì)偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算后，控制回路自動(dòng)輸出一個(gè)值給閥門，使得檢測(cè)值等于設(shè)定值。由于系統(tǒng)響應(yīng)稍有滯后，因此控制面板上的數(shù)值與界面顯示的實(shí)時(shí)參數(shù)存在合理誤差。系統(tǒng)穩(wěn)定后可以整定PID參數(shù)并觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖。

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果

先在手動(dòng)模式下給定PV（設(shè)定值），目的是將被控制量“手動(dòng)”調(diào)至等于設(shè)定值，等到被控制量與設(shè)定值的誤差在±2%時(shí)，將系統(tǒng)改為自動(dòng)模式，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)試湊法[4]調(diào)整PID的參數(shù)并觀察過(guò)程曲線。根據(jù)PID參數(shù)整定的基本規(guī)律，先進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，最后加上D進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)參數(shù)的多次整定可得，當(dāng)GAIN=1.5，Tr=56.8，Td=0時(shí)，所得曲線如圖5所示，3根顏色的線從上到下分別是SP（設(shè)定值）、PV（當(dāng)前值）、OUT（控制器輸出值）?？梢钥闯?，系統(tǒng)當(dāng)前值曲線沒(méi)有超調(diào)，表明液位在系統(tǒng)時(shí)間16：31時(shí)從47.2cm處穩(wěn)定后調(diào)整至52cm的地方再穩(wěn)定。

增加微分Td后，整定 GAIN=2，Tr=55，Td=10時(shí)，所得圖形如圖6所示，在系統(tǒng)時(shí)間17：33分進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有超調(diào)。

對(duì)比兩個(gè)圖形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加微分時(shí)間常量之后，控制器輸出值（OUT）響應(yīng)時(shí)間明顯縮短，這表明系統(tǒng)反應(yīng)速度加快，優(yōu)化控制液位的目的達(dá)成。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于DeltaV設(shè)計(jì)了一套水箱液位控制系統(tǒng)，通過(guò)DeltaV工作站的上位機(jī)組態(tài)軟件對(duì)整個(gè)過(guò)程的控制策略及個(gè)性化人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)；通過(guò)調(diào)試，成功地實(shí)現(xiàn)了水箱內(nèi)液位控制；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試湊法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，優(yōu)化了整個(gè)控制過(guò)程，使得對(duì)液位的控制達(dá)到了工業(yè)預(yù)期要求。同時(shí)DeltaV作為過(guò)程控制系統(tǒng)，能夠在工作站對(duì)整個(gè)水箱液位系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及預(yù)診斷等先進(jìn)功能，也為工業(yè)自動(dòng)化打下了基礎(chǔ)。在后續(xù)研究中，可以增加連鎖條件進(jìn)行串級(jí)控制或者探究其它控制算法，以實(shí)現(xiàn)更好的液位控制。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）