基于DCS的双容水箱液位串级控制

靳莹瑞，陈玉国

（1．郑州大学 物理工程学院，郑州450001；2．中原工学院，郑州450007）

基于DCS的双容水箱液位串级控制

靳莹瑞1，2，陈玉国2

（1．郑州大学 物理工程学院，郑州450001；2．中原工学院，郑州450007）

利用HOLLIAS公司的先进集散控制MACS系统的硬件和软件对双容水箱对象构建了串级控制系统．通过MACS系统硬件中的FM148模拟输入单元现场采集2组检测数据，由FM151模拟输出单元输出控制信号．利用MACS组态软件实现系统的数据库组态、设备组态、算法组态及上位机图形组态，较好地完成了对液位的控制指标要求．

DCS；双容水箱；串级；MACS

DCS（Distributed Control System，集散控制系统）自问世以来，其可靠性、实用性不断提高，功能亦日益增强，得到了迅猛发展，已广泛应用于电力、石油、化工、制药、冶金、建材等行业［1－3］．HOLLi AS MACS作为国产DCS产品的优秀代表，能够真正做到“危险分散，控制分散，集中监控”．它应用了工业以太网核心技术，保证了通信的实时性和确定性、网络的安全性；其I／O模块可以随用户现场需要集中安装或分散安装，节省大量的电缆费用；其总线采用目前世界上先进的Profibus－DP现场总线技术．因此，HOLLi AS MACS可方便地和不同厂商、不同品牌的智能仪表进行通讯及数据交换，适合不同的应用场合，系统扩展灵活．双容水箱是工业生产过程中常见的控制对象，一般表现出二阶特性，通常要求对其下面一个水箱液位进行定值控制，利用串级控制可以有效克服其容量滞后［4］．本文利用MACS系统对双容水箱对象构建DCS串级控制系统，并完成系统的数据库组态、设备组态、算法组态以及调试和运行，较好地实现了控制指标的要求．

1 硬件结构

图1 系统硬件结构简图

MACS系统硬件由工程师站、操作站、系统服务器、现场控制站（包括主控单元设备和I／O单元设备）及被控对象组成．其结构如图1所示．MACS系统的网络由上到下分为监控网络、系统网络和控制网络3个层次．监控网络实现工程师站、操作员站、高级计算站与系统服务器的互连；系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连；控制网络实现现场控制站与过程I／O单元的通讯．在由双容水箱为被控对象构成的MACS串级控制系统中，服务器运行相应的管理程序，对整个系统的实时数据和历史数据进行管理；工程师站运行相应的组态管理程序，对整个系统进行集中控制和管理；操作员站运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视和控制．现场控制站由主控单元、智能I／O单元、电源单元、现场总线和专用机柜等部分组成．其中主控单元为FM801型，它是MACS系统现场控制站的核心设备，实现对本站I／O模块数据的采集及运算，接受服务器的组态命令及数据交换；FM148模块是8路模拟信号输入单元，用于采集现场检测数据；FM151模块是8路模拟信号输出单元，用于向执行机构输出控制信号．主控单元与输入输出模块通过现场总线（ProfiBus－DP）相连．

2 软件设计

MACS组态软件包括数据库组态、设备组态、算法组态和上位机图形组态等．数据库组态要求工程师及操作员级将用户提供的原始数据填入相应类的表格中；设备组态用于在工程师站上定义应用系统的硬件配置；算法组态用来规划控制方案的组织和基本构成；上位机图形组态则是利用MACS系统生成应用系统所需的各种总貌图、流程图和工况图．

2．1 数据库组态

根据系统总体的控制要求和硬件结构，需要分别采用2个液位变送器检测上水箱液位和中水箱液位，并由主控单元作为主副控制器组成串级控制回路，因此，系统数据库需要对2个模拟量输入和1个模拟量输出检测点获取的3个数据分别进行组态．具体情况如表1和表2所示．

表1 模拟量输入AI

表2 模拟量输出AO

2．2 设备组态

在图1所示的系统结构图中，系统主要由工程师站、操作员站、服务器站、现场控制站等组成．在设备组态中，服务站的站号为0，现场控制站的站号为10，操作员站的站号为50．I／O设备中模拟量输入模块FM148的设备地址为2，模拟量输出模块FM151的设备地址为4．

2．3 算法组态

在构建的MACS串级控制系统中，控制算法需要2个控制器，都由主控单元来承担．在算法方案中需要1个主功能模块PID1、1个副功能模块PID2、2个输入端子和1个输出端子，如图2所示．图2中的PID模块有手动、自动、串级和跟踪等多种工作状态，本系统设置为串级方式，可以接收其他运算模块的外给定进行PID运算，采用的PID算法如式（1）．

图2 串级控制方案

式中：TD为微分时间；KD为微分增益；BD为比例带；TI为积分时间；Si表示是否要采取积分分离措施，以消除残差 ．

当｜E（n）｜＞SV时，Si＝0，为PD控制；当｜E（n）｜＜＝SV时，Si＝1，为PID控制．

2．4 上位机图形组态

上位机图形组态是利用MACS系统生成的应用系统所需的各种总貌图、流程图和工况图．采用MACS的绘图工具和多种动态显示方式构建的图形组态使操作员可以对现场运行情况一目了然，从而方便地监控现场运行．在本系统中，根据控制系统硬件和控制操作要求，设计了如图3所示的监控操作画面．

3 调试与分析

对系统的设备、数据库、算法和图形组态完毕后，即可进行联机调试．在工程师站将要运行的系统分别成功下装到服务器和操作员站，并重启服务器．在操作员站打开要调试的工程，运行如图3所示的监控系统，按照控制要求，点击PID1和PID2模块，在弹出的整定画面中分别对主副控制器的P、I、D参数进行整定．调试的结果如图4所示，其中图4（a）为水箱液位控制曲线，图4（b）为主控制器参数．

从图4可以看出，液位最终稳定在40 mm，系统超调为5%，调节时间控制在几分钟之内．系统输入输出通道工作正常，较好地实现了对液位的控制．

图3 串级控制图形监控系统

4 结 语

利用MACS系统能够方便、有效地对双容水箱对象构建串级控制系统，而且各系统结构之间的数据传输通畅，算法功能正常实现，运行良好．如果进一步合理整定控制器参数，控制效果会更佳．

图4 控制效果图

［1］戴航丹，吴赛婷，童科慰．DCS控制吹灰系统在超临界机组中的应用［J］．仪器仪表用户，2009，16（4）：59－60．

［2］吴秋芳，王致杰．基于 DCS控制的发电厂监控系统［J］．电气自动化，2008，30（5）：38－40．

［3］杨松柏，曾广胜，蒲涛．化肥厂生产装置DCS控制系统升级扩容改造［J］．自动化与仪器仪表，2009（5）：135－137．

［4］邵裕森．过程控制工程［M］．北京：机械工业出版社，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

靳莹瑞（1982－），女，河南洛阳人，讲师，硕士生．