1水温循环水流量串级控制系统的研 究与设计摘 要：论述了模拟锅炉内胆水温与循环水流量构成的串级控制系统的研究过程。本次设计以 THSA-1 型过程综合自动化控制系统实验台及其实验装置为平台，采用 AI808P 智能仪表对温度流量串级控制系统进行控制，并通过MCGS 组态软件进行上位机监控，说明了主副调节器参数改变对系统性能的影响、阶跃扰动作用于副对象和主对象时对系统的影响。 关键词：水温；循环水流量；串级控制；智能仪表控制；MCGS 在一些工业过程控制如冶炼、钢铁、化工等工业生产中，水温与水流量是非常重要的控制因素，而温度因滞后性比较强，所以控制起来比较困难。 本文是以实验室的 THSA-1 型高级过程控制系统实验装置为平台，以模拟锅炉内胆水温与循环水流量构成的串级控制系统为研究对象。建立一个基本的计算机控制软硬件平台，采用智能仪表对锅炉水温与循环水流量构成的串级系统进行控制，并用 MCGS 组态软件建立组态界面在计算机上运行实现组态监控。 1 系统组成 采用 PLC 为控制器，在进行 A/D、D/A 转换和 LED 显示时存在较多难题，内部编程较为复杂，价格昂贵等；采用智能仪表控制则不同，AI808P 智能仪表作为控制器它包括报警，显示及控制功能，使用较方便，价格适中，可根据现场情况实时改变内部参数对系统进行控制。采用智能仪表对锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统进行控制。 22 系统硬件设计 2.1 智能仪表机 AI808P 智能调节器 对系统所需的硬件进行选择要根据系统控制框图结合 THSA 综合自动化过程控制平台提供的硬件模块来进行。智能仪表选择 THSA-1 型实验平台提供的AI808P 智能仪表。AI808P 智能调节器具有模糊逻辑 PID 调节及参数自整定功能的先进控制算法。在误差大时，运用模糊法进行调节，以消除 PID 饱和积分现象；当误差减小时，采用改进后的 PID 算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。其具有无超调、高精度、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点。其整体调节效果比一般的 PID 算法更明显。 本文设计应用 3 块 AI-808P 型智能仪表，与 THSA-1 型过程控制自动化控制系统实验平台上的三相 SCR 移相调压装置、流量变送器（FT1）、铂电阻（TT1 锅炉）、三相磁力泵（380V）、三相/单相电源输出、电动调节阀模块连接组成锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统。 2.2 智能仪表 RS485 通信 智能仪表 RS485 通信要考虑到（1）共模干扰问题：RS-485 接口采用差分方式传输信号方式，系统只需检测两线之间的电位差来检测信号。但收发器有一定的共模电压范围，RS-485 收发器共模电压范围为-7+12V，只有满足这个条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。 （2）EMI 问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，若没有一个低阻的返回通道（信号地），则以辐射的形式返回源端。 32.3 数据通信 本文计算机控制系统数据采集和控制信号输出经过数据通信线，AI 调节器与PC 机的通信是系统正常运行的基础。AI 调节器与 PC 机的通信是通过设备窗口的组态实现的。本文具体做法是：在设备窗口中添加串口通信父设备，在串口通信父设备下挂一个 AI-808 仪表设备构件；然后，根据实际应用情况分别进行基本属性和通道连接的组态。基本属性中各参数的正确设置，能保证仪表和计算机通信的正常进行。设置通道连接是为了向实时数据库提供从 AI 调节器等外部设备采集到的数据。 2.4 仪表数据的读写 计算机要获得 AI 调节器采集到的数据，一部分可以通过设置通道连接直接获得，其余的则需要执行读操作设备命令 Read（Cmd，PV，SV，OP，Dat）。该命令读取仪表的测量值、给定值、输出值和 Dat 值。其中，Cmd 为参数代号，变量 PV 存储读取到的仪表的测量值，变量 SV 存储读取到的仪表的给定值，变量 OP 存储读取到的仪表的输出值，变量 Dat 存储参数代号 Cmd 代表的仪表参数值。经计算机中的控制算法计算得到的控制信号要发送给 AI 调节器，需要执行写操作设备命令 Write（Cmd，Dat）。Cmd 为仪表参数代号，Dat 为保存写入的数据的变量，该命令把 Dat 变量中的数据写入到 Cmd 所代表的仪表参数中。 2.5 Pt100 铂电阻温度变送器 温度是非常重要的物理参数，热电偶和热敏电阻适合大多数高温测量，模拟补偿方式可有效降低 PT100 的误差。必须选择恰当的传感器，采用模拟方法实现PT100 的非线性补偿很容易与200mV 面板表连接，无额外的软件开销。 2.6 三相移相 SCR 调压装置、位式控制接触器 采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为 420mA 标准电流信号，其移4相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器端的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。 位式控制接触器和 AI-708 仪表一起使用，通过它仪表输出继电器触点的通断来控制交流接触器的通断，完成锅炉水温位式控制试验。 2.7 电动调节阀 采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便，电源为单相 220V，控制信号为 420mADC 或 15 V DC，输出为 420mADC 的阀位信号。 2.8 水泵 本装置采用两只磁力驱动泵，一只为三相 380V 恒压驱动，另一只为三相变频220V 输出驱动 3 系统硬件结构和工作过程 被控对象为过程控制装置，主要应用该装置中两容水箱，配备有磁力泵、水槽、电动阀、阀门组。AI 调节器通过 RS-485 通信接口，经 RS232/485 转换器与计算机相连。计算机采用 PC 机，用于运行监控软件，执行控制算法，完成控制功能。输入输出通道由 AI 调节器实现。 系统的工作过程是：AI 调节器直接与各种传感器或变送器相连，来自这些检测装置的各种测量信号在 AI 调节器内部经 A/D 转换后，得到的数据由 RS-485 总线经 RS232/485 转换器发送给计算机。计算机根据采样得到的数据、用户给定值等要求对数据进行显示、计算和保存等处理，对被控参数根据相应的控制算法计算出控制输出量，并通过 RS-485 总线将数据发送给 AI 调节器。在 AI 调节器中经 D/A 转换后输出 4-20mA 电流信号给电动调节阀等执行机构，对被控对象进行5控制。 4 炉内胆温度与循环水流量串级控制系统软件设计 本系统中，控制算法用 MCGS 提供的编程语言编写，作为循环策略中的脚本程序，而循环时间正好可设为控制周期。以增量式数字 PID 控制算法的嵌入为例。其中，读取 A/D 转换结果可用设备命令 Read（），而控制信号的输出用设备命令Write（）。在循环策略中，按虚框内所示的流程编好脚本程序，粘贴到循环策略行中即可。 循环功能的实现由循环策略本身的循环机制自动控制。设循环时间为采样周期，则软件会自动计算下一个采样时刻的到来，并执行虚框所示的脚本程序，从而完成 PID 等控制运算并输出控制信号。余略。 5 上位机组态监控画面 水温与循环水流量串级控制系统组态界界面图如图 1 所示。 6 系统调试与分析 根据试验数据一系列计算，将得到的参数置入智能调节器，调试运行，结果如图 2。从图中可以看到系统有很大波动，积分时间越大系统波就大，微分时间大系统不稳定。改变系统参数 K p、T i 、T d ，再次运行可以观察到系统比图 2波动减小，很快达到稳定。充分显示了串级自衡系统的调节能力。系统温度在51时，加阶跃使系统稳定在 66，待系统稳定后，加扰动信号，响应曲线如图 3可以看到系统出现波动但很快恢复平衡。系统在受到干扰后能很快达到平衡。 7 结语 6本文的研究对象是控制锅炉内胆的温度和内胆的循环水流量。温度作为主控量，流量作为辅助变量来调节温度的平衡，实验表明：用智能仪表控制这样的系统很合适，控制思想具有一定的先进性。 参考文献 1 邵裕森. 过程控制及仪表 M.上海：上海交通大学出版社，1995. 2 吴勤勤. 电动控制仪表及装置 M.北京：化学工业出版社，1990. 3 李俊，刘小宁. 智能控制中模糊控制的应用与发展J. 自动化与仪表，2000，15（1）: 2-3.