基于DCS换热器冷水出口温度控制系统.doc

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1、 摘要 集散控制系统（Total Distributed Control System, DCS ）是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。自20世纪70年代中期集散控制系统问世以来，已在工业控制领域得到了广泛的应用，越来越多的仪表和控制工程师已认识到集散控制系统并将成为工业自动控制的主流。它具备分散控制、集中管理；采用局部网路通信技术；完善的功能控制；采用模块化和开放性结构，系统扩展方便；管理能力强；安全可靠性高等特点具有很强的实用价值。 本项目采用的是浙大中控（SUPCON JX-300X）的DCS，运用与之相配的AdvanTrol-Pro系统软件(V2.50)_SP06输出的组态软件。实

2、现现场数据实时记录和监控，设计了记录查询、报警、实时模拟等具有Windows风格的动态操作画面。 串级控制系统在生产过程中需要自动保持两个或多个参数之间的关系。所以在工业生产过程中广泛运用，在此项目中运用的是浙大中控的DCS来做换热器冷水出口温度控制系统的比值控制，通过串级控制来保持两液位的稳态。 引 言 在现代工业生产过程中，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。如果控制不稳定就会影响产品的质量，严重的甚至会造成生产事故。为此在生产过程中需要主、副两个控制器串接工作，这种控制系统就是串级控制系统。串级控制系统：串级控制系统是由其结构上的特征而

3、得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。串级控制系统的特点，使用场合： 串级控制系统的主要特点为： (1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量 (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。一、级控制系统的设计 根据串级系统的特

4、点，合理的设计串级控制系统。在系统设计时，必须解决主、副参数的选择，副回路的设计，主、副回路之间的关系以及主、调节器控制规律的选择及其正、反作用方式的确定等问题。1. 主回路的设计 串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。2. 副回路的设计 由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度

5、大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。 归纳如下。 (1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。 (2) 将更多的扰动包括在副回路中。 (3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。 (4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。 (5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。 在这里要注意(2)和(3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾(2)和(3)的综合。3. 主、副回路的匹配 1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的

6、匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在310之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路

7、的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。 2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择 在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D控制，因为副回路采用 P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整

8、个系统的控制。串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。3)主、副调节器正、反作用方式的确定在具体选择时，是在调节阀气开、气关形式已经确定的基础上进行的。首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开、气关形式；然后根据生产工艺条件和调解法确定副调节器的正、反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决

9、定调节器的正、反作用方式。对于串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数正、负极性乘机必须为负数。各环节放大系数极性的正负是这样规定的：对于调解器Kc，当测量值增加，调节器的输出也增加，则Kc为正（即正作用调节器）；反之，Kc为负（即反作用调节器）。调节器为气开，则Kv为正，气关则Kv为负。过程放大系数极性是：当过程的输入增大时，即调节阀开打，其输出也增大，则Ko为正：反之则Ko为负。主副调节器作用方向序号主过程Ko1副过程Ko2调节阀Kv串级控制主控副调节器K2主调节器K1主节器K11正正气开（正）正正正2正正气关（负）负正负3负

10、负气开（正）负负正4负负气关（负）正负负5负正气开（正）正负负6负正气关（负）负负正7正负气开（正）负正负8正负气关（负）正正正二、级控制系统的工业应用1. 用于克服被控过程较大的容量滞后 在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。 2. 用于克服被控过程的纯滞后 被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态

11、特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。 3. 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。 4. 用于克服被控过程的非线性 在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统

12、的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。三、串级控制系统中主、副控制器的正、反作用: 副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副

13、控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作

14、用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。四、级控制系统中主、副控制器参数的工程整定方法：有两步整定法和一步整定法两种。 按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。根据经验直接确定副控制器的参数，只需按简单控制系统参数整定的方法来整定主控制器参数的方法称一步整定法。目 录一、课题项目分析1 1.1项目流程图、IO测点信息一览1 1.2项目任务和要求1 1.3项目分析过程1二、项目系统的设计22.1加热罐的液位控制 2.1.1 被控参数的选择 2.1.2 控参数的选择 2.1.3 信号的获取和变送的选择 2.1.4 调节阀

15、的选择 2.1.5 调节器的正、反作用选择2.2 加热罐的温度控制2.2.1 控制方案的选择2.2.2 被控参数的选择2.2.3 控参数的选择2.2.4 信号的获取和变送的选择2.2.5 调节阀的选择2.2.6 调节器的正、反作用选择2.3液位水箱液位控制2.3.1 控制方案的选择2.2.2 被控参数的选择2.3.3 控参数的选择2.3.4 信号的获取和变送的选择2.3.5 调节阀的选择2.3.6 调节器的正、反作用选择2.4换热器冷水出口温度信号控制2.4.1 控制方案的选择2.4.2 主参数的选择和主参数的设计2.4.3 副参数的选择和主参数的设计2.4.4 主、副调节器的调节规律选择2.

16、4.5 调节阀的选择2.4.6 主、副调节器的正、反作用选择2.5换热器热水出口温度信号控制2.5.1 控制方案的选择2.5.2 主参数的选择和主参数的设计2.5.3 副参数的选择和主参数的设计2.5.4 主、副调节器的调节规律选择2.5.5 调节阀的选择2.5.6 主、副调节器的正、反作用选择2.6换热器热水进口流量信号控制2.5.1 控制方案的选择2.5.2 主参数的选择和主参数的设计2.5.3 副参数的选择和主参数的设计2.5.4 主、副调节器的调节规律选择2.5.5 调节阀的选择2.5.6 主、副调节器的正、反作用选择2.7换热器冷水进口流量信号控制2.5.1 控制方案的选择2.5.2

17、 主参数的选择和主参数的设计2.5.3 副参数的选择和主参数的设计2.5.4 主、副调节器的调节规律选择2.5.5 调节阀的选择2.5.6 主、副调节器的正、反作用选择三、系统组态3. 四、接线端子图4.一、课题项目分析1.1项目流程图、IO测点信息一览1.2项目任务和要求通过相关操作使换热器冷水出口温度控制在一定范围内。要求：1.热水温度控制在602，分别采用闭环及双位两种方式对温度进行控制，对比两种控制方式的优缺点。2.水箱液位整定在30cm处，不得高于40cm，低于10cm。4.根据可能出现的意外设计连锁保护方案。1.3项目分析过程 在此项目中储水槽中的冷水分别进入液位水箱和加热罐中，液

18、位水箱中的冷水进入换热器、加热罐中的的热水进入换热器。从而在换热器中实现温度相互换热传递。结合此项目的工艺流程和项目的要求；换热器是整个流程中的最末端设备，要在此项目中实现换热器冷水出口温度的控制，就得对前端设备有很好的控制，才能换热器冷水出口温度达到良好的控制效果。所以在此项目中采用单回路控制系统、串级控制系统来实现项目的要求。 课题理解：对换热器冷水出口温度的控制组成串级和回路。一个串级：关于换热器冷水出口温度的串级控制。五个单回路：（1）加热罐液位控制 （2）加热罐温度控制 （3）金属浮子流量控制 （4）涡轮流量控制（5）液位水箱控制二、项目系统的设计2.1加热罐的液位单回路控制： 加热罐的温度单回路控制： 液位水箱液位单回路控制：金属浮子流量单回路控制涡轮流量单回路控制三、系统组态（统组态详见DCS系统组态）四、接线端子图SF61#调节阀开关SF5电磁流量计开关SF42#冷水泵开关SF31#冷水泵开关SF2加热开关SF1仪表开关1SB启动按钮PW01开关电源FV103三菱变频LV103三菱变频器SF91#热水泵关C101静音空气压缩机FV1021#调节阀FV101气动调节阀FT102电磁流量计P1053#冷水泵P1031#热水泵P10222#冷水泵P1011#冷水泵2SB停止按钮- 20 -