基于DCS技術(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)仿真

1、上海電力學(xué)院 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 課 題： 基于DCS技術(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)仿真 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 雙容水箱水箱水位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)目的1、熟悉掌握P3DCS的分散控制系統(tǒng)組態(tài)的步驟和流程。2、學(xué)會(huì)參照P3DCS和使用說(shuō)明，進(jìn)行DCS組態(tài)。3、通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置和實(shí)現(xiàn)，掌握計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)在過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用。4、學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)組態(tài)。2、 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 采用P3DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成水箱水位串級(jí)控制系統(tǒng)并進(jìn)行參數(shù)整定和調(diào)試，包括數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、SAMA圖組態(tài)、流程圖組態(tài)、操作器組態(tài)，設(shè)計(jì)手動(dòng)和單回路自動(dòng)控制、串級(jí)自動(dòng)控制等控制方案，并實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)

2、無(wú)擾切換和報(bào)警，設(shè)計(jì)相應(yīng)的模擬量控制和邏輯控制方案并實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行仿真、參數(shù)整定與系統(tǒng)調(diào)試。 其中上水箱水位的對(duì)象傳遞函數(shù)為 上水箱水位對(duì)下水箱水位傳遞函數(shù)為 其它執(zhí)行器和測(cè)量電路的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為K = 13、 系統(tǒng)概述設(shè)計(jì)串級(jí)回路控制的目的就是在控制系統(tǒng)中加入副回路，從而加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度和增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。主副回路控制系統(tǒng)的PID參數(shù)采用兩步整定法，先整定副回路上水箱的PID參數(shù)使之達(dá)到穩(wěn)定，然后再整定主回路的參數(shù)使之達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。并通過(guò)P3DCS組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)的曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，調(diào)出最優(yōu)PID參數(shù)。 系統(tǒng)的工藝流程如下圖（圖 1）所示： 圖 1 系統(tǒng)連接圖 根據(jù)水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)置一

3、個(gè)串級(jí)控制回路，把下水箱作為串級(jí)控制系統(tǒng)的主控制回路，上水箱作為串級(jí)的副控制回路。從而得出串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如（圖2）所示： 圖 2 系統(tǒng)方框圖4、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟 1、打開(kāi)主程序到登陸界面。 2、登入后進(jìn)入系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)圖標(biāo)，進(jìn)行各參數(shù)的設(shè)置與說(shuō)明。 圖 3 進(jìn)行各參數(shù)的設(shè)置與說(shuō)明 3、進(jìn)行sama圖制作，對(duì)其中元件進(jìn)行設(shè)定。對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行定值，然后對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主回路的K1設(shè)為2，K2 為0.25，副回路的K1為 2 ；然后再進(jìn)行M/A模塊的設(shè)置。 圖 4 圖5 模擬手動(dòng)站功能塊M/A的參數(shù)設(shè)置 4.調(diào)節(jié)PID參數(shù)5.將SAMA圖進(jìn)行編譯并保存。 圖64、操作員站顯示畫(huà)

4、面組態(tài)用矩形、棒狀圖和折線繪制雙容水箱、進(jìn)出水管，閥門等，實(shí)時(shí)曲線繪制黑色表格。將水箱與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接起來(lái)，PV1對(duì)應(yīng)下水箱，PV2對(duì)應(yīng)上水箱，并設(shè)定上下限與填充色。實(shí)時(shí)曲線也同樣與數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，設(shè)置上下限與顏色，保存文件。 圖75、 在圖形界面中，新建操作器.wnd文件并保存。 同樣用矩形和棒狀圖繪制操作器數(shù)值顯示條，并將其與各模擬數(shù)據(jù)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，設(shè)置上下限并填充顏色。指示燈用于指示控制器工作狀態(tài)，6個(gè)按鈕用于自動(dòng)控制時(shí)增減設(shè)定值，手動(dòng)控制時(shí)增減控制器輸出。將SAMA圖中模塊號(hào)對(duì)應(yīng)到按鈕上，就能實(shí)現(xiàn)SP值的便捷修改，方便操作員在發(fā)現(xiàn)情況后直接修改參數(shù)。手動(dòng)/自動(dòng)按鈕用于切換控制狀態(tài)，SP增/

5、減按鈕用于自動(dòng)狀態(tài)下設(shè)定值的增減，AO增/減按鈕用于手動(dòng)狀態(tài)下控制器輸出增減，然后再增加報(bào)警點(diǎn)。 圖 86、進(jìn)入虛擬DPU，點(diǎn)擊綠色箭頭運(yùn)行，從左邊變?yōu)橛疫?圖 9 過(guò)程站巡行圖7、將操作顯示界面與監(jiān)控界面連接起來(lái)，如此一來(lái)在操作員站的監(jiān)控畫(huà)面下，可以直接點(diǎn)擊控制閥來(lái)調(diào)處操作顯示界面，進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)。 圖 102、系統(tǒng)調(diào)試PID參數(shù)整定 主PID參數(shù)如圖所示圖11 主PID參數(shù)副P(pán)ID參數(shù)如圖所示圖 12 主PID參數(shù)五、課題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.編譯SAMA圖。2.開(kāi)始運(yùn)行與系統(tǒng)診斷 3.運(yùn)行調(diào)試結(jié)果如上圖 圖 9 超調(diào)量為10%，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間在2分鐘左右，上水箱液位超調(diào)也很小.可見(jiàn)控制的效果還是

6、不錯(cuò)的.4.手自動(dòng)切換 圖 135、 實(shí)驗(yàn)心得小結(jié) P3-DCS這個(gè)軟件對(duì)我們來(lái)說(shuō)是第一次操作，聽(tīng)老師說(shuō)電廠的控制系統(tǒng)都是由這個(gè)軟件制作，而且做一套要賣幾千萬(wàn)，頓時(shí)感到這款軟件的強(qiáng)大。不過(guò)我們這次學(xué)的是最簡(jiǎn)單的，根據(jù)老師給出的PDF教學(xué)軟件后我很快就能上手了，我做了一個(gè)雙容水箱的DCS系統(tǒng)，在圖書(shū)館找了一些指導(dǎo)書(shū)后畫(huà)出了系統(tǒng)的sama圖。后面一切都還順利，就是在參數(shù)整定的時(shí)候遇到了不少困難，PID參數(shù)怎么也弄不對(duì)，最后在同學(xué)的幫助下艱難搞定。這次實(shí)驗(yàn)使我P3DCS這款軟件得到了初步的熟悉。很好的與理論的知識(shí)相結(jié)合，知道了P3-DCS這款軟件的強(qiáng)大之處。 過(guò)熱蒸汽溫度DCS控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

7、、熟悉掌握P3DCS的分散控制系統(tǒng)組態(tài)的步驟和流程。2、學(xué)會(huì)參照P3DCS和使用說(shuō)明，進(jìn)行DCS組態(tài)。3、通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置和實(shí)現(xiàn)，掌握計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)在過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用。4、學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)組態(tài)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 本次課程設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面的工作：即是組態(tài)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試： （1）組態(tài)設(shè)計(jì) 1. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài) 數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)是系統(tǒng)組態(tài)中應(yīng)盡早完成的工作，因?yàn)橹挥杏辛藬?shù)據(jù)庫(kù)，其他的組態(tài)工作（控制回路組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)等）才可以調(diào)試。數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)一般通過(guò)專用軟件進(jìn)行，數(shù)據(jù)錄入時(shí)一定要認(rèn)真仔細(xì)，數(shù)據(jù)庫(kù)中一個(gè)小的錯(cuò)誤就會(huì)給運(yùn)行帶來(lái)極大的麻煩，如造成顯示錯(cuò)誤、操作不當(dāng)甚至死機(jī)故障。 2.控制算法組態(tài)

8、 控制算法組態(tài)指的是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的模擬量控制、開(kāi)關(guān)量控制等功能用DCS 算法予以實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)以主汽溫度串級(jí)控制策略為對(duì)象，并且模擬控制對(duì)象，構(gòu)成閉環(huán)回路，完成這些控制算法的組態(tài)工作。 3.操作員站顯示畫(huà)面組態(tài) 運(yùn)行人員主要通過(guò)操作員站畫(huà)面來(lái)觀察生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行情況，并通過(guò)畫(huà)面提供的軟操作器來(lái)干預(yù)生產(chǎn)過(guò)程，因此畫(huà)面設(shè)計(jì)是否合理、操作是否方便都會(huì)對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)關(guān)于主汽溫控制的簡(jiǎn)單流程圖畫(huà)面、趨勢(shì)畫(huà)面、參數(shù)顯示畫(huà)面、操作畫(huà)面，并把有關(guān)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)同控制算法連接起來(lái)。 4.趨勢(shì)組態(tài)。 顯示需要觀察的數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢(shì)圖。 (2)系統(tǒng)調(diào)試 設(shè)計(jì)要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試。所謂動(dòng)態(tài)調(diào)試是指系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相連

9、時(shí)的調(diào)試。由于生產(chǎn)過(guò)程已經(jīng)處于運(yùn)行或試運(yùn)行階段，此時(shí)應(yīng)以觀察為主，當(dāng)涉及到必需的系統(tǒng)修改時(shí)，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備及安全措施，以免影響正常生產(chǎn)，更不允許造成系統(tǒng)或設(shè)備故障。動(dòng)態(tài)調(diào)試一般包括以下內(nèi)容： 1.觀察過(guò)程參數(shù)顯示是否正常、執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作是否正常； 2.檢查控制系統(tǒng)邏輯是否正確，并在適當(dāng)時(shí)候投入自動(dòng)運(yùn)行； 3.對(duì)控制回路進(jìn)行在線整定； 4.當(dāng)系統(tǒng)存在較大問(wèn)題時(shí)，如需進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)修改、增加測(cè)點(diǎn)等，應(yīng)盡量在停機(jī)狀態(tài)下重新組態(tài)下裝。若條件不允許，也可進(jìn)行在線組態(tài)，但要熟悉在線組態(tài)的各個(gè)環(huán)節(jié)并做好應(yīng)急措施。 三、實(shí)驗(yàn)原理 串級(jí)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)工作原理 圖1所示的串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，只要導(dǎo)前汽溫2發(fā)生變化，

10、副調(diào)節(jié)器P就去改變減溫水流量W，初步維持后級(jí)過(guò)熱器入口汽溫2在一定范圍內(nèi)，起粗調(diào)作用。而過(guò)熱器出口溫1的控制，則是通過(guò)主調(diào)節(jié)器PI來(lái)校正副調(diào)節(jié)器工作，只要 1未達(dá)到給定值，主調(diào)節(jié)PI的輸出信號(hào)就不斷遞變化，使副調(diào)節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量W 的變化，直到1恢復(fù)到給定值為止。穩(wěn)態(tài)時(shí)，導(dǎo)前汽溫2可能穩(wěn)定在與原來(lái)數(shù)值不同的數(shù)值上，而主汽溫1則一定等于給定值。 在串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)中，由于兩個(gè)回路的任務(wù)及動(dòng)態(tài)特性不同，可以選用不同的調(diào)節(jié)器。副回路及副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速消除內(nèi)擾，要求控制過(guò)程的持續(xù)時(shí)間較短，但不要求無(wú)差，故一般可選用純比例調(diào)節(jié)器。當(dāng)?shù)角捌麥貞T性較大時(shí)，也可選用比例微分調(diào)節(jié)器。主回路及主調(diào)節(jié)

11、器的任務(wù)是維持1恒定，一般選用比例積分調(diào)節(jié)器。當(dāng)過(guò)熱器惰性區(qū)較大時(shí)，也可選用比例、積分、微分調(diào)節(jié)器。 圖 1 串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)工作原理 鍋爐過(guò)熱汽溫控制采用串級(jí)汽溫控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)方框圖如圖 2: 已知系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為: 其中減溫水的對(duì)象傳遞函數(shù)為 過(guò)熱器傳遞函數(shù)為   其它執(zhí)行器和測(cè)量電路的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為K = 1 圖 2 串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)構(gòu)成1 組態(tài)設(shè)計(jì) 2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài) 圖3 圖4 操作員監(jiān)空控畫(huà)面 圖 5二 系統(tǒng)調(diào)試PID參數(shù)整定 主PID參數(shù)如圖所示圖 6 主PID參數(shù)副P(pán)ID參數(shù)如圖所示圖7 副P(pán)ID參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1編譯運(yùn)行sama圖 2打開(kāi)操作員監(jiān)控畫(huà)面給一個(gè)設(shè)定值 運(yùn)行結(jié)果如下所示 圖8 運(yùn)行結(jié)果圖 從圖上可以看出系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間比較慢，但超調(diào)量比較小，曲線還算完美實(shí)驗(yàn)心得 本次實(shí)驗(yàn)我了解了P3DCS的DCS組態(tài)，需要經(jīng)過(guò)建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、SAMA圖組態(tài)、圖形界面組態(tài)，而后運(yùn)行虛擬DPU、進(jìn)行系統(tǒng)診斷和操作員監(jiān)控來(lái)觀測(cè)結(jié)果，這樣一個(gè)流程。我也學(xué)會(huì)了如何在PID的STR引腳加跟蹤信號(hào)，以達(dá)到手自動(dòng)的無(wú)擾切換。雖然過(guò)程中遇到很大的問(wèn)題，如PID引腳不知如何添加的問(wèn)題，自己也利用大量的課余時(shí)間上網(wǎng)查詢相關(guān)知識(shí)，但沒(méi)有太