基于组态王的换热器PID离散控制系统设计

点击：1815 日期：[ 2014-04-26 21:57:59 ]

基于组态王的换热器PID离散控制系统设计郭丹芳刘道平 (上海理工大学能源与动力工程学院上海200093) 【摘要】为了达到工艺对换热器出口温度的要求，本文设计了一个基于组态王6.52的PID离散控制系统。该系统提供了友好的用户操作界面，同时设计出离散PID的脚本控制程序。最后，得出了在该程序下的两条阶跃响应曲线。【关键词】换热器；组态王；PID离散控制中图分类号：TP273 文献标识码：B 0 引言换热器是在化工、制冷、石油等行业广泛使用的热交换设备。在换热器的应用中，由于生产工艺的要求，需要控制工艺介质的出口温度。传统上控制途径有四种：调节载流体的流量、调节载流体的企划温度、将工业介质分路和调节传热面积。在大多数情况下控制变量选择调节载热体的流量，然而PID调节技术是最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境的基础之上，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。北京亚控科技公司最新产品组态王6.52提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持和多种硬件驱动程序。其特点是界面的制作相对容易和开发周期短，容易上手。 1.控制系统原理 1.1组态软件工作原理组态软件提供一种友好的人机界面，运用用户编写的脚本程序，通过对扰动的控制达到理想的目标。工作原理如图1所示。扰动可以是用户设定值，也可以是环境中的扰动。组态软件利用I/O设备与工业对象实现信息传递，主要运用下位机来实现，KINGVIEW6.52虽然支持多种传输协议，但工业对象的自身特性决定了组态软件采取的控制策略[1]。 1.2换热器的动态特性理论分析及工程实践都表明，换热器的动态特性可以用一个带延迟环节的一阶系统来描述。其函数形式为：其中K，T，τ的确定方式如下：（1）对换热器做一组阶跃响应试验，得到阶跃响应曲线。（2）在阶跃响应曲线中，系统达到给定阶跃值的28.3%和63.2%所对应的时间t1，t2。（3）其中T=3×(t1 ?t2)2,τ=t2-T；K是放大系数，其大小等于被控变量的最大改变值与操纵变量的最大改变值之比[1]。 1.3 PID离散控制原理 PID调节是系统控制中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用于输出控制。控制原理图如图2所示，这里采用增量型的离散PID控制算法： 2 控制系统的组成 2.1系统的硬件组成如图3所示，温度变送器将热电偶采集的温度送至A/D转换，通过通信协议送至计算机。计算机将此温度与要求的控制温度做一个比较后形成控制电子阀门的信号，控制经过水泵的水流量，从而控制整个换热过程。在本论文的设计中，我们选用流量特性为线性的调节阀。 2.2 KINGVIEW控制页面的开发 2.2.1换热过程页面换热过程页面设计为换热器的主页面，如图4所示，在该页面中能监控冷热工质的实时出口温度和流量，其中流量以流量棒图的形式直观显示。在该页面下方是一系列的页面转换按钮，可以及时查看其他页面状况。 2.2.2主控制界面主控制界面提供系统开关，目标温度设定，以及PID控制的三个控制参数的设定。同时，该界面还提供当前的实时曲线和阀门开度的大小如图5所示。 2.2.3其他页面（1）登陆界面：该页面为用户提供友好的登录界面。（2）报警页面：为保证工业现场安全生产，报警事件的产生和记录是必不可少的。系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统会自动产生相应警告信息，表明该量的值已经超限，提醒操作人员。同时可设置报警优先级及报警的历史记录等。（3）报表页面：该页面数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，是对数据进行记录的一种重要形式，它能反映系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。（4）历史曲线：该页面提供历史数据的查看。可以完成一个时段内数据的查看功能，提供翻页，打印，最大值、最小值、平均值等按钮完成相应工作。（5）关于页面：此页面是对该系统功能及作者的一个简单介绍。 3 控制的实现及结果 3.1 PID离散控制的实现利用组态王提供的汉字关键字，在数据词典中定义变量后，在换热器过程页面的画面命令语言中写下如下语言： if(\\本站点\开关==0) {\\本站点\水流量=\\本站点\阀门指示*0.5+1.15;} else { \\本站点\当前温度差=\\本站点\空气出口设定温度-\\本站点\当前空气出口温度; \\本站点\微分温度差=\\本站点\当前温度差 +\\本站点\上前温度差-2*\\本站点\前一温度差； \\本站点\变化的阀门开度=\\本站点\Ki*(\\本站点\当前温度差-\\本站点\前一温度差) +\\本站点\kp*\\本站点\当前温度差 +\\本站点\kd*\\本站点\微分温度差； \\本站点\当前阀门开度=\\本站点\变化的阀门开度+\\本站点\当前阀门开度； \\本站点\水流量=\\本站点\阀门指示*0.5+1.15； \\本站点\替换温度变量=\\本站点\前一温度差； \\本站点\前一温度差=\\本站点\当前温度差； \\本站点\上前温度差=\\本站点\替换温度变量；} 在控制界面中可以设定PID参数整定后的值，同时可以在画面语言中设置脚本程序的运行时间和数据采集时间。 3.2控制结果通过上述程序可以方便地得到离散PID阶跃响应曲线。图6是当换热器工质出口温度是60℃，设定温度突变为5℃时的阶跃响应曲线；而图7正好相反，是当出口水温是5℃，设定温度是65℃时的阶跃响应曲线。从这两条曲线我们可以看到该脚本程序的良好运行状态。 4 结论经过上述基于组态王的换热器离散控制PID设计，可得出如下结论：经过上述脚本语言，实现了控制目的，即换热器出口水温的离散PID控制；组态王的操作界面简洁，友好，系统实现了较高的自动化水平。该控制设计已经在工业换热器水温控制得到应用，满足了工艺生产要求，具有一定的推广价值。参考文献: [1]蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程[M].北京:烃加工出版社,1988. [2]章熙民,任泽霈.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

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