基于DeltaV系统的PID控制单容水箱液位过程设计与实现

周雅静

摘要：设计了一种基于DeltaV系统的单容水箱液位控制系统。运用PID算法作为整个系统的控制策略，并在DeltaV控制系统中进行控制策略编程。阐述单容水箱液位控制过程设计及控制算法编程，利用DeltaV系统的组态软件制作上层可视化人机界面，实现整套系统液位值的实时显示，通过PID参数的在线整定得到系统反应曲线。实验结果表明，通过将PID算法与DeltaV系统相结合的方式，能有效地对整个单容水箱水循环过程进行实时监控、诊断，运用现场试凑法对PID参数进行整定，达到优化并有效控制液位的目的。

关键词：液位控制；DeltaV系统；PID；参数整定

DOIDOI：10.11907/rjdk.172002

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：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

现代化工厂日益趋向自动化和智能化，DeltaV系统作为第四代DCS系统中的佼佼者被广泛应用于工业现场，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的计算机系统[1]，支持FF、WirelessHART总线协议，能够实现对工业现场设备的监控、控制、报警参数修改一体化。液位這一参数是工业控制过程中最常见的被控量之一，但由于水箱系统自身存在液位变化延迟、惯性大等缺陷，如何保持水箱液位的稳定成为研究热点，PID算法作为计算机系统中应用最广泛的控制算法也广受关注。将水循环系统与DeltaV系统相结合，通过自来水的流量控制和液位为控制，对实际对象控制和设备进行管理模拟，充分展示了DeltaV作为一个DCS系统的分散控制功能，体现了控制系统和现场仪表之间的协同运作能力，对实现工厂自动化、智能化以及提高工厂作业的安全性具有重要意义。

参照现代化工厂过程控制系统模型，设计了单容水箱液位控制系统，通过FF、WirelessHART现场总线协议实现硬件系统与DeltaV系统的通讯，完成实时参数传递。PID算法作为主控制算法，在DeltaV控制系统工程师站中安装的组态软件编程后下装到DeltaV控制器中运行，对整个过程进行控制。具体控制操作、参数整定及数据查看通过组态好的可视化人机界面完成。

1 液位控制过程设计

水箱作为液位这一被控对象的承载体，组合多种智能仪表及阀门管道，构成一套水循环系统，整个水循环系统工业流程如图1所示。自来水在泵P101加压作用下从水箱V101中压出来，流过调节阀FV101、全开的电磁阀XV101进入水箱V102，通过手阀HV104回到水箱V101而构成水循环回路；水箱V102的液位由LI102无线液位计测得，调节手阀HV104的开启程度代表负载大小。实验中，手阀HV104的开启程度是一个定值，HV102以及HV103作为回水通道的阀门（全开），避免停泵。阀门开合大小为操纵变量，液位值为被控变量，采用Rosemount公司3308系列无线液位计及无线涡街流量计作为测点的传感器设备。

2 DeltaV系统在液位控制系统装置上的应用

DelatV过程控制系统主要由工作站、通讯网络、电源、DeltaV控制器[2]组合现场仪表组成。它支持由FF、WirelessHART总线协议智能仪表构成的控制回路组态下装，同时通过组态DeltaV工作站的应用程序对控制回路中智能仪表采集到的工业参数进行实时显示、记录、保存等操作。

采用支持WirelessHART协议的无线液位计及无线涡街流量计作为两个主要测点液位及流量采集设备，传感器通过WirelessHART协议与网关相连并实现与DeltaV系统的稳定通讯，其中被测参数数据通过WirelessHART协议格式进行传输，经由DeltaV控制器和交换机传送给DeltaV工作站，工作站组态软件分析数据、判断液位当前值与设定值，发送命令经由交换机传给控制器，由控制器传达给水泵电机控制柜，以控制气动调节阀的开口大小，从而达到控制液位的目的。水泵电机控制柜及气动阀门和DeltaV控制器之间的连接支持FF协议格式，现场无线网络总体结构如图2所示。物理连接完成后，建立DeltaV数据接收模块与网关之间的连接，并通过网关为无线液位计及无线流量计分配地址，这样即可在DeltaV系统的应用程序中监控这两个仪表的实时状态。

其中，GAIN为比例系数，主要用于调整偏差；Tr为积分作用时间常数，主要作用于消除静差；Td为微分作用时间常数，主要用于调整系统响应时间[5]。式中，KNL为非线性增益调节变量，它仅仅在应用非线性增益调节时产生作用，主要通过调节以上3个变量对PID控制器参数进行调节以控制液位。

PID控制回路策略由图形化语言输入模块AI、输出模块AO、PID模块、串级控制功能选择输入模块（CAS_IN）、反馈输出模块（BLCAL_OUT）构成，具体编程组态如图3所示。数值会在运行过程中产生变化，现场控制回路中的液位传感器LI102将所测信号传输给DeltaV的网关，网关与DeltaV控制器相连，通过卡件将信号转换为0～100%的模拟信号，作为测量数据传给PID回路模块中的AI功能块，然后引入到PID功能块中进行运算，经过内部运算后信号被传送给模拟量输出AO功能块，模拟量输出模块AO将BLCAL_OUT的值返回给PID的BKCAL_IN。如果模拟量输出模块AO出现不正常状态，则PID功能块将停止作用[5]。模拟量输出模块将0～100%输出值传给DeltaV控制器的AO卡件，卡件将信号传输给调节阀作为控制输出。

控制策略组态完成后，将每个模块对应分配到控制器中保存，进入DelatV的operator软件通过调用模型库里的如电机、电磁阀、流量计各种储槽及管道[3]模型對人机界面进行组态，并将控制策略的输入输出点与图形中的各点配置连接起来，这样切换运行状态后即可查看到整个控制回路的运行流程以及实时数据，如图4所示。由图中的PID面板可知，在自动模式下，SP（设定值）为47.2%，PV（当前检测值）为50%，OP（阀门调节值）为18.4%，控制器会将47.2%与50%进行比较，对偏差值进行PID运算后，控制回路自动输出一个值给阀门，使得检测值等于设定值。由于系统响应稍有滞后，因此控制面板上的数值与界面显示的实时参数存在合理误差。系统稳定后可以整定PID参数并观察系统响应曲线图。

4 实验调试结果

先在手动模式下给定PV（设定值），目的是将被控制量“手动”调至等于设定值，等到被控制量与设定值的误差在±2%时，将系统改为自动模式，运用现场试凑法[4]调整PID的参数并观察过程曲线。根据PID参数整定的基本规律，先进行PI调节，最后加上D进行PID调节。经过参数的多次整定可得，当GAIN=1.5，Tr=56.8，Td=0时，所得曲线如图5所示，3根颜色的线从上到下分别是SP（设定值）、PV（当前值）、OUT（控制器输出值）。可以看出，系统当前值曲线没有超调，表明液位在系统时间16：31时从47.2cm处稳定后调整至52cm的地方再稳定。

增加微分Td后，整定 GAIN=2，Tr=55，Td=10时，所得图形如图6所示，在系统时间17：33分进入稳定状态，没有超调。

对比两个图形可以发现，当增加微分时间常量之后，控制器输出值（OUT）响应时间明显缩短，这表明系统反应速度加快，优化控制液位的目的达成。

5 结语

本文基于DeltaV设计了一套水箱液位控制系统，通过DeltaV工作站的上位机组态软件对整个过程的控制策略及个性化人机界面进行设计；通过调试，成功地实现了水箱内液位控制；通过现场试凑法对PID参数进行整定，优化了整个控制过程，使得对液位的控制达到了工业预期要求。同时DeltaV作为过程控制系统，能够在工作站对整个水箱液位系统进行监控，并能实现数据存储及预诊断等先进功能，也为工业自动化打下了基础。在后续研究中，可以增加连锁条件进行串级控制或者探究其它控制算法，以实现更好的液位控制。

参考文献：

[1] DeltaV系统DCS操作手册[Z].2015.

[2] 邹益民，马应魁.DeltaV DCS在过程控制实验装置中的应用[J].自动控制系统与装置，2011（4）：22-24.

[3] 张荣旋，马宗荣.浅谈DeltaV系统的组态[J].化学工程与装备，2013（12）：77-78.

[4] 张立众，马永翔.锅炉液位控制系统的监测与PID参数整定[J]机床与液压，2011（24）：93-94.

[5] 张丽.盐水电解回用装置控制系统设计[D].上海：华东理工大学，2015.

[6] SUVISHCHAN ARAYAWAT，TEERAWAT THEPMANEE，PRASIT JULSEREEWONG.Process alarming in PID loop using foundation fieldbus with control in the field：a case study of deltav host system[C].2014 IEEE/SICE International Symposium on System Integration （SII），2014.

（责任编辑：孙 娟）