基于DeltaV系統(tǒng)的PID控制單容水箱液位過程設(shè)計與實現(xiàn)

周雅靜

摘要：設(shè)計了一種基于DeltaV系統(tǒng)的單容水箱液位控制系統(tǒng)。運用PID算法作為整個系統(tǒng)的控制策略，并在DeltaV控制系統(tǒng)中進行控制策略編程。闡述單容水箱液位控制過程設(shè)計及控制算法編程，利用DeltaV系統(tǒng)的組態(tài)軟件制作上層可視化人機界面，實現(xiàn)整套系統(tǒng)液位值的實時顯示，通過PID參數(shù)的在線整定得到系統(tǒng)反應(yīng)曲線。實驗結(jié)果表明，通過將PID算法與DeltaV系統(tǒng)相結(jié)合的方式，能有效地對整個單容水箱水循環(huán)過程進行實時監(jiān)控、診斷，運用現(xiàn)場試湊法對PID參數(shù)進行整定，達到優(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：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：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，它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的計算機系統(tǒng)[1]，支持FF、WirelessHART總線協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控、控制、報警參數(shù)修改一體化。液位這一參數(shù)是工業(yè)控制過程中最常見的被控量之一，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，PID算法作為計算機系統(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，通過自來水的流量控制和液位為控制，對實際對象控制和設(shè)備進行管理模擬，充分展示了DeltaV作為一個DCS系統(tǒng)的分散控制功能，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表之間的協(xié)同運作能力，對實現(xiàn)工廠自動化、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)代化工廠過程控制系統(tǒng)模型，設(shè)計了單容水箱液位控制系統(tǒng)，通過FF、WirelessHART現(xiàn)場總線協(xié)議實現(xiàn)硬件系統(tǒng)與DeltaV系統(tǒng)的通訊，完成實時參數(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控制器中運行，對整個過程進行控制。具體控制操作、參數(shù)整定及數(shù)據(jù)查看通過組態(tài)好的可視化人機界面完成。

1 液位控制過程設(shè)計

水箱作為液位這一被控對象的承載體，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)，整個水循環(huán)系統(tǒng)工業(yè)流程如圖1所示。自來水在泵P101加壓作用下從水箱V101中壓出來，流過調(diào)節(jié)閥FV101、全開的電磁閥XV101進入水箱V102，通過手閥HV104回到水箱V101而構(gòu)成水循環(huán)回路；水箱V102的液位由LI102無線液位計測得，調(diào)節(jié)手閥HV104的開啟程度代表負載大小。實驗中，手閥HV104的開啟程度是一個定值，HV102以及HV103作為回水通道的閥門（全開），避免停泵。閥門開合大小為操縱變量，液位值為被控變量，采用Rosemount公司3308系列無線液位計及無線渦街流量計作為測點的傳感器設(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，同時通過組態(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)進行實時顯示、記錄、保存等操作。

采用支持WirelessHART協(xié)議的無線液位計及無線渦街流量計作為兩個主要測點液位及流量采集設(shè)備，傳感器通過WirelessHART協(xié)議與網(wǎng)關(guān)相連并實現(xiàn)與DeltaV系統(tǒng)的穩(wěn)定通訊，其中被測參數(shù)數(shù)據(jù)通過WirelessHART協(xié)議格式進行傳輸，經(jīng)由DeltaV控制器和交換機傳送給DeltaV工作站，工作站組態(tài)軟件分析數(shù)據(jù)、判斷液位當前值與設(shè)定值，發(fā)送命令經(jīng)由交換機傳給控制器，由控制器傳達給水泵電機控制柜，以控制氣動調(diào)節(jié)閥的開口大小，從而達到控制液位的目的。水泵電機控制柜及氣動閥門和DeltaV控制器之間的連接支持FF協(xié)議格式，現(xiàn)場無線網(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，并通過網(wǎng)關(guān)為無線液位計及無線流量計分配地址，這樣即可在DeltaV系統(tǒng)的應(yīng)用程序中監(jiān)控這兩個儀表的實時狀態(tài)。

其中，GAIN為比例系數(shù)，主要用于調(diào)整偏差；Tr為積分作用時間常數(shù)，主要作用于消除靜差；Td為微分作用時間常數(shù)，主要用于調(diào)整系統(tǒng)響應(yīng)時間[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)時產(chǎn)生作用，主要通過調(diào)節(jié)以上3個變量對PID控制器參數(shù)進行調(diào)節(jié)以控制液位。

PID控制回路策略由圖形化語言輸入模塊AI、輸出模塊AO、PID模塊、串級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)值會在運行過程中產(chǎn)生變化，現(xiàn)場控制回路中的液位傳感器LI102將所測信號傳輸給DeltaV的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與DeltaV控制器相連，通過卡件將信號轉(zhuǎn)換為0～100%的模擬信號，作為測量數(shù)據(jù)傳給PID回路模塊中的AI功能塊，然后引入到PID功能塊中進行運算，經(jīng)過內(nèi)部運算后信號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，將每個模塊對應(yīng)分配到控制器中保存，進入DelatV的operator軟件通過調(diào)用模型庫里的如電機、電磁閥、流量計各種儲槽及管道[3]模型對人機界面進行組態(tài)，并將控制策略的輸入輸出點與圖形中的各點配置連接起來，這樣切換運行狀態(tài)后即可查看到整個控制回路的運行流程以及實時數(shù)據(jù)，如圖4所示。由圖中的PID面板可知，在自動模式下，SP（設(shè)定值）為47.2%，PV（當前檢測值）為50%，OP（閥門調(diào)節(jié)值）為18.4%，控制器會將47.2%與50%進行比較，對偏差值進行PID運算后，控制回路自動輸出一個值給閥門，使得檢測值等于設(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)值與界面顯示的實時參數(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 實驗調(diào)試結(jié)果

先在手動模式下給定PV（設(shè)定值），目的是將被控制量“手動”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，將系統(tǒng)改為自動模式，運用現(xiàn)場試湊法[4]調(diào)整PID的參數(shù)并觀察過程曲線。根據(jù)PID參數(shù)整定的基本規(guī)律，先進行PI調(diào)節(jié)，最后加上D進行PID調(diào)節(jié)。經(jīng)過參數(shù)的多次整定可得，當GAIN=1.5，Tr=56.8，Td=0時，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（當前值）、OUT（控制器輸出值）?？梢钥闯?，系統(tǒng)當前值曲線沒有超調(diào)，表明液位在系統(tǒng)時間16：31時從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，所得圖形如圖6所示，在系統(tǒng)時間17：33分進入穩(wěn)定狀態(tài)，沒有超調(diào)。

對比兩個圖形可以發(fā)現(xiàn)，當增加微分時間常量之后，控制器輸出值（OUT）響應(yīng)時間明顯縮短，這表明系統(tǒng)反應(yīng)速度加快，優(yōu)化控制液位的目的達成。

5 結(jié)語

本文基于DeltaV設(shè)計了一套水箱液位控制系統(tǒng)，通過DeltaV工作站的上位機組態(tài)軟件對整個過程的控制策略及個性化人機界面進行設(shè)計；通過調(diào)試，成功地實現(xiàn)了水箱內(nèi)液位控制；通過現(xiàn)場試湊法對PID參數(shù)進行整定，優(yōu)化了整個控制過程，使得對液位的控制達到了工業(yè)預(yù)期要求。同時DeltaV作為過程控制系統(tǒng)，能夠在工作站對整個水箱液位系統(tǒng)進行監(jiān)控，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及預(yù)診斷等先進功能，也為工業(yè)自動化打下了基礎(chǔ)。在后續(xù)研究中，可以增加連鎖條件進行串級控制或者探究其它控制算法，以實現(xiàn)更好的液位控制。

參考文獻：

[1] DeltaV系統(tǒng)DCS操作手冊[Z].2015.

[2] 鄒益民，馬應(yīng)魁.DeltaV DCS在過程控制實驗裝置中的應(yīng)用[J].自動控制系統(tǒng)與裝置，2011（4）：22-24.

[3] 張榮旋，馬宗榮.淺談DeltaV系統(tǒng)的組態(tài)[J].化學(xué)工程與裝備，2013（12）：77-78.

[4] 張立眾，馬永翔.鍋爐液位控制系統(tǒng)的監(jiān)測與PID參數(shù)整定[J]機床與液壓，2011（24）：93-94.

[5] 張麗.鹽水電解回用裝置控制系統(tǒng)設(shè)計[D].上海：華東理工大學(xué)，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.

（責任編輯：孫 娟）