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現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置串級(jí)控制系統(tǒng)概述

時(shí)間:2024-08-28 08:35:12

一、串級(jí)控制系統(tǒng)的概述
圖4-1是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路,主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作,其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R,它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值,副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器,以改變主參數(shù)C1。
串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖
圖4-1  串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖
R-主參數(shù)的給定值;          C1-被控的主參數(shù) ;     C2-副參數(shù);
f1(t)-作用在主對(duì)象上的擾動(dòng);  f2(t)-作用在副對(duì)象上的擾動(dòng)。
二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
串級(jí)控制系統(tǒng)及其副回路對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹,在此將有關(guān)結(jié)論再簡(jiǎn)單歸納一下。
1.改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性;
2.能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng),提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力;
3.提高了系統(tǒng)的魯棒性;
4.具有一定的自適應(yīng)能力。
三、主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇
在串級(jí)控制系統(tǒng)中,主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用,它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值(無(wú)余差),故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng),它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律,對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求,因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。
四、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇
正如單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所述,要使一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)能正常工作,系統(tǒng)必須采用負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng),即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。
  各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性是這樣規(guī)定的:當(dāng)測(cè)量值增加,調(diào)節(jié)器的輸出也增加,則調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc為負(fù)(即正作用調(diào)節(jié)器),反之,Kc為正(即反作用調(diào)節(jié)器);本裝置所用電動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)Kv恒為正;當(dāng)過(guò)程的輸入增大時(shí),即調(diào)節(jié)器開(kāi)大,其輸出也增大,則過(guò)程的放大系數(shù)K0為正,反之K0為負(fù)。
五、串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法
在工程實(shí)踐中,串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種:
(一) 逐步逼近法
所謂逐步逼近法,就是在主回路斷開(kāi)的情況下,按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù),然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上,使主回路閉合,按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后,將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求得的數(shù)值上,再進(jìn)行整定,求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值,然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類(lèi)推,逐步逼近,直至滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。
(二) 兩步整定法
兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù),第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。
整定的具體步驟為:
1.在工況穩(wěn)定,主回路閉合,主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下,主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%,然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減(如4:1)曲線法來(lái)整定副回路。記下相應(yīng)的比例度δ2S和振蕩周期T2S。
2.將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的δ2S值上,且把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié),用同樣方法整定主回路,求取主回路的比例度δ1S和振蕩周期T1S。
3.根據(jù)求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值,按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。
4.按“先副后主”,“先比例后積分最后微分”的整定程序,設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù),再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線,必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,直到過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。
(三) 一步整定法
由于兩步整定法要尋求兩個(gè)4:1的衰減過(guò)程,這是一件很花時(shí)間的事。因而對(duì)兩步整定法做了簡(jiǎn)化,提出了一步整定法。所謂一步整定法,就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù),然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié),按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。
具體的整定步驟為:
1.在工況穩(wěn)定,系統(tǒng)為純比例作用的情況下,根據(jù)K02/δ2=0.5這一關(guān)系式,通過(guò)副過(guò)程放大系數(shù)K02,求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)δ2或按經(jīng)驗(yàn)選取,并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。
2.按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。
3.改變給定值,觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理,適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù),使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。
4.如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象,只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度δ或增大積分時(shí)間常數(shù)TI,即可得到改善。


SG-GC05 現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

SG-GC05 現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)



一、系統(tǒng)概述
現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”是從高校自動(dòng)化相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求出發(fā),采用代表自動(dòng)化行業(yè)技術(shù)潮流的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),開(kāi)發(fā)出來(lái)的進(jìn)行通訊和遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置。

現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”是由現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和對(duì)象系統(tǒng)組成。該對(duì)象系統(tǒng)與“高級(jí)過(guò)程對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”基本相同,不同之處在于下水箱的壓力變送器采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的壓力變送器(SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器通過(guò)總線供電,不需要另外接工作電源)。

1. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)硬件
除電氣部分給各種工作部件提供電源外,還有下列主要部件:
(1) SIEMENS 315-2DP CPU一個(gè)(含MMC卡)
(2) SIEMENS電源模塊一個(gè)
(3) PA Coupler 耦合器一個(gè)
(4) 8路模擬量輸入模塊SM331模塊兩個(gè)
(5) 4路模擬量輸出模塊SM332模塊一個(gè)
(6) 變頻器一個(gè)
(7) DP通訊線和DP接頭若干
(8) MPI-USB通訊線一條

2. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)軟件
采用SIEMENS WINCC軟件監(jiān)控、SIEMENS STEP7編程

二、系統(tǒng)特點(diǎn)
能完整的體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程變量數(shù)字化采集。實(shí)現(xiàn)從過(guò)程變量的現(xiàn)場(chǎng)采集到上位監(jiān)控的全數(shù)字化傳輸。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下:

SG-GC05 現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置(圖2)


四、控制對(duì)象
一)、系統(tǒng)組成
1. 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)包含有:不銹鋼儲(chǔ)水箱;上、中、下三個(gè)串接有機(jī)玻璃圓筒型水箱;三相4.5kW電加熱鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套構(gòu)成)和鋁塑盤(pán)管組成。
系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)有兩套:一套由SIEMENS變頻器、三相(380V交流)不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、交流電磁閥、渦輪流量計(jì)等組成;另一套由220V循環(huán)泵、渦輪流量計(jì)等組成。
整套對(duì)象系統(tǒng)完全由不銹鋼材料制造,包括對(duì)象框架、管道、底板,甚至小到每一顆緊固螺釘。

2. 對(duì)象系統(tǒng)中的各類(lèi)檢測(cè)變送及執(zhí)行裝置
(1) 擴(kuò)散硅壓力變送器三只:分別檢測(cè)上水箱、中水箱、下水箱液位;
(2) 渦輪流量計(jì)三只:分別檢測(cè)兩條動(dòng)力支路及盤(pán)管出水口的流量;
(3) Pt100熱電阻溫度傳感器六只:分別用來(lái)檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤(pán)管(三只)及上水箱出水口水溫;
(4) 控制模塊:包含電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥各一個(gè);
(5) 三相380V不銹鋼磁力驅(qū)動(dòng)泵、220V循環(huán)泵。

二)、系統(tǒng)主要特點(diǎn)
1. 被調(diào)參數(shù)囊括了流量、壓力、液位、溫度四大熱工參數(shù)
2. 執(zhí)行器中既有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥儀表類(lèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu),又有變頻器等電力拖動(dòng)類(lèi)執(zhí)行器
3. 系統(tǒng)除了能改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值作階躍擾動(dòng)外,還可在對(duì)象中通過(guò)電磁閥和手操作閥制造各種擾動(dòng)
4. 一個(gè)被調(diào)參數(shù)可用不同的動(dòng)力源、不同的執(zhí)行器和不同的工藝線路下可演變成多種調(diào)節(jié)回路,以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣
5. 能進(jìn)行多變量控制系統(tǒng)及特定的過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

三)、“SG-GC05現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”對(duì)象系統(tǒng)如下圖所示


SG-GC05 現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置(圖3)

五、主要配置清單

序號(hào) 設(shè)備名稱(chēng) 數(shù)量 單位
 1  不銹鋼框架 1
 2  有機(jī)玻璃水桶 3
 3  不銹鋼下水箱 1
 4  不銹鋼復(fù)合加熱桶 1
 5  380V磁力驅(qū)動(dòng)泵 1
 6  220V循環(huán)泵 1
 7  SIEMENS 315-2DP CPU 1
 8  SIEMENS 電源模塊 1
 9  MMC卡 1
 10  PA Coupler 耦合器 1
 11  8路模擬量輸入模 2
 12  4路模擬量輸出模 1
 13  SIEMES變頻器MM420 1
 14  DP通訊線和DP接頭 若干
 15  擴(kuò)散硅壓力變送器 3
 16  渦輪流量計(jì) 3
 17  PT100熱電阻傳感器 6
 18  電磁閥 1
 19  電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 1
 20  可控硅調(diào)壓器 1
  21   控制柜 1 臺(tái)

六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的組成與認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)
2.下位機(jī)軟件中的硬件組態(tài)和程序編寫(xiě)
3.上位機(jī)軟件中的通信建立和界面組態(tài)
4.一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)
5.二階雙容水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)
6.上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)
7.串接雙容下水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)
8.三容液位定值控制實(shí)驗(yàn)
9.鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實(shí)驗(yàn)
10.鍋爐夾套水溫PID控制實(shí)驗(yàn)
11.單閉環(huán)流量PID控制實(shí)驗(yàn)
12.鍋爐內(nèi)膽水溫位式控制實(shí)驗(yàn)
13.水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
14.三閉環(huán)液位控制實(shí)驗(yàn)
15.鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
16.鍋爐內(nèi)膽水溫與水流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
17.上水箱液位與進(jìn)水流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)
18.單閉環(huán)流量比值控制實(shí)驗(yàn)
19.下水箱液位前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)
20.鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)
21.溫度純滯后控制實(shí)驗(yàn)
22.流量純滯后控制實(shí)驗(yàn)
23.鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫解耦控制實(shí)驗(yàn)
24.上水箱液位與出口水溫解耦控制實(shí)驗(yàn)