企业简介

作为中国自动化领域的权威旗舰网络媒体，控制网创立于1999年7月，是中国举行的第十四届IFAC （International Federation of Automatic Control）大会的中国官方组织机构的唯一指定网站。控制网是中国自动化学会专家咨询工作 委员会（ECC）的秘书处常设之地。是北京自控在线文化传播有限公司开设的网站。

  • 公司类型：其他

联系方式
  • 控制网
  • 地址：北京市海淀区上地十街辉煌国际2号楼1504室
  • 邮编：100085
  • 电话：010-57116291 / 59813326
  • 传真：010-59813329
  • 网址：http://www.kongzhi.net
  • Email：mahongliang@kongzhi.net
  • 联系人：市场部
案例详细
标题无模控制在加热炉自动控制中的应用
技术领域
行业
简介本文介绍了无模型控制系统NMCS-6000在糠醛装置加热炉自动控制中的应用。
内容

 

1.       糠醛装置加热炉工艺简介

糠醛装置于1989年建成投产，采用了国内外先进的工艺技术，但随着装置的长周期开炼，装置能耗、物耗逐年降低，收率、装置负荷率逐年上升。装置共有加热炉两具，主要为溶剂回收系统提供热源。

1.1 炉-1为精制液加热炉，介质是由萃取塔顶部经换热器去炉-1加热到215～220℃，依次进入闪蒸塔和减压汽提塔。炉-1温度控制的平稳与否对于保证产品质量，降低溶剂消耗，以及装置的长周期开炼具有重要意义。

1.2 炉-2为抽出液加热炉，是一、二段萃取塔底的抽出液合流经过换热器一效蒸发、二效蒸发之后，从二效蒸发塔底抽出进入加热炉，加热至220～225℃，炉-2温度控制是影响溶剂消耗和长周期开炼的关键。

1.3 炉-1、炉-2的温度控制是装置的重要控制回路。炉-1出口温度控制为单回路控制，炉-2出口温度控制为炉膛与炉出口温度串级调节。

    1.4 在厂内的瓦斯管网中，糠醛装置为最下游，一旦瓦斯压力波动受到干扰最大的就是这两台加热炉的瓦斯压力，最终将导致炉膛、炉出口温度的波动。而且，当重整装置产生的氢气操作不稳定，氢气进入瓦斯系统是，也将会引起瓦斯的热值的变化，导致炉膛、炉出口温度的波动。


2.  糠醛装置面临的主要问题

    2.1 炉管结焦。由于炉管局部长期过热，炉膛温度高，炉出口温度长期超温，进料少或长时间不进料，以及进料量不稳等种种原因，导致炉管结焦严重。

    2.2 炉出口温度波动大。装置的两台加热炉的燃料大部分情况下是瓦斯，有时也会烧渣油。来自于总厂高压瓦斯系统的瓦斯组成和压力发生较大波动时，加热炉的入炉瓦斯压力也随之波动，从而导致炉膛温度的波动，最终导致出口温度的波动。

    2.3 油品变化。糠醛装置对于加工原料的不同所生产的产品也不同，提降量频繁，油品切换等等，都将引起炉膛和炉出口温度的较大波动。


3.   装置加热炉控制系统的改造

    针对糠醛装置现状和存在的问题，于2004年对糠醛装置加热炉炉温自动控制系统提出改造。考虑到系统的精度、采样周期、故障率和安全性等各项控制指标，达到改善加热炉控制的目的，顺应国际发展潮流和国内工业控制计算机行业发展的技术路线，决定选用无模型控制系统NMCS-6000。NMCS-6000控制器采用的硬件是研华的ADAM5511控制器，安装MS WINDOWS2000操作系统；人机接口软件采用亚控科技公司的“组态王”V6.5。


4.  无模型控制系统的特点

从50年代末以来，在时滞控制方面先后出现了基于模型的方法和无模型方法两类，无模控制方法有模糊Smith、自适应模糊、模糊PID、模糊自整定、神经网络预估法、专家控制等。无模型控制系统NMCS-6000 DCS正是具有这种控制算法的DCS，具有非常好的鲁棒性、自适应性。其主要特点是：

4.1    调节迅速

无模型控制系统与常规控制系统的不同就是它的作用强，控制力度大，可以避免被控对象因波动惯性而出现大的偏差，保证受控对象保持在指标范围内。

4.2    超前调节

无模型控制系统基于有效的预估算法，从而很有效地解决可控制系统的滞后性。尤其对炉温控制回路的效果极其明显。

4.3    综合解决

无模型控制系统的另一大特点就是控制模型可大可小，不论是针对单个回路，还是将温度、压力、流量和液位都引入，无模型控制系统都将全面、有效地完成其控制。

5         系统简介

5.1   系统配置

由于装置使用上海福克斯波罗公司的SPEC-200电子组装式仪表，整个控制系统的信号并不全是4～20mADC标准信号，温度信号是非标准的毫伏信号，机柜内卡件与卡件、卡件与盘装控制仪表、显示仪表之间的信号传递是0～10VDC信号。因此，考虑如下配置，直接将无模型控制系统的控制回路联接在原控制系统的输出回路上进行切换。


5.2   硬件配置

本系统的硬件分为三部分：控制器、上位监控机及输出信号切换开关。

其中上位机放在主控室的操作台上，由UPS供电，电源与主操作台共地。

三个控制器及通讯器安装在无模型机柜内部，输出切换开关在机柜正面。每个控制器都有一个CPU卡，还可在机板上安装4个卡件。本系统有AI 和AO卡件，ADAM5017是8点AI卡件，每个控制器上一个，接受0-10V电压信号；ADAM5024是4点AO卡件，每个控制器上一个，输出0-10V电压信号。

5.3  数据通讯

上位机是研华610H工控机，安装MS WINDOWS 2000操作系统。它与ADAM5511控制器之间采用RS232串行通讯。

三个ADAM5511控制器之间用RS485连接，再由ADAM4520 RS485/232转换器与上位机连接。

人机接口软件是亚控科技公司的“组态王”V6.5。它有简单易用的制图工具，功能完善的工程管理，响应迅速的运行环境。还有过程报警、历史记录、报表、联网等功能。

由此可见，无论硬件软件都是相互独立的产品，它们之间的接口都是开放的标准协议。

5.4  NMCS6000系统的硬件由三个控制器、上位机、输出切换开关及相应的附件组成。


                       通讯接口示意图


6         软件设计

无模型控制器的上位机软件采用的是北京亚控公司的组态王软件V6.5。

6.1   组态王系统要求

硬件：奔腾PⅢ500以上IBM PC或兼容机

内存：最少64MB，推荐128MB

显示器：VGA、SVGA或支持桌面操作系统的任何图形适配器。要求最少显示256色

鼠标：任何PC兼容鼠标

通讯：RS-232C

并行口：用于插入组态王加密锁

操作系统：Win2000/WinNT4.0（补丁6）/Win XP简体中文版

6.2   组态王程序组成员

组态王程序组中包括三个文件夹和四个文件的快捷方式，内容如下：

组态王6.5：组态王工程管理器程序（ProjManager）的快捷方式，用于新建工程、工程管理等；

工程浏览器：组态王单个工程管理程序的快捷方式，内嵌组态王画面开发系统（TouchExplorer），即组态王开发系统；

运行系统：组态王运行系统程序（TouchVew）的快捷方式。

信息窗口：组态王信息窗口程序（TouchVew）运行环境中才能运行；

帮助：组态王帮助文档的快捷方式；

电子手册：组态王用户手册电子文档的快捷方式。

6.3   定义IO设备

组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备包括网络上的其他计算机。

本项目中使用MODBUS RTU和组态王通信。MODBUS RTU可以为组态王提供数据。MODBUS RTU连接在计算机的COM1口。

定义IO设备

选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”。

选择“仿真PLC”的“串行”项，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。

为外部设备取一个名称，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。

为设备选择连接串口COM1，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。

填写设备地址，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。

设置通信故障恢复参数（一般情况下使用系统默认设置即可），单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。

检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。

设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备。在定义数据库变量时，只要把IO变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。

6.4   构造数据库

数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布指令送达生产现场。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。数据库是联系上位机和下位机的桥梁，所有一切都是以实时数据库为中介环节。

6.5   建立动画连接

定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上是以图形对象的动画效果表示出来；或者由维护工程师通过图形对象改变数据变量的值。

“组态王”提供21种动画连接方式：

属性变化    线属性变化、填充属性变化、文本色变化

位置与大小  填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动

值输出      模拟值输出、离散值输出、字符串输出

值输入      模拟值输入、离散值输入、字符串输入

特殊        闪烁、隐含

滑动杆输入  水平、垂直

命令语言    按下时、弹起时、按住时

6.6   系统配置

6.6.1          配置\运行系统

此菜单命令是用于对运行系统外观、定义运行系统基准频率、设定运行系统启动时自动打开的主画面。

6.6.2          配置\报警配置

此菜单命令用于将报警和事件信息输出到文件、数据库和打印机中配置。

6.6.3          配置\历史数据记录

此菜单命令是用语对历史数据记录文件保存路径和其它参数（如数据文件记录时树、记录起始时刻、数据保存天数）进行配置。

6.6.4          配置\用户配置

此菜单命令用于建立组态王用户、用户组，以及安全区配置。

6.7   糠醛装置UCS控制系统

UCS为简单模型复杂算法控制系统的缩写（Uncomplicated Control System）。

6.7.1          UMCA控制器参数说明，改进PID算法参数

6.7.1.1    UMCA为简单模型复杂控制算法的缩写（Uncomplicated Model Complicated Control Algorithm）。

6.7.1.2    K0：反向区间（或反调区间）系数   这个参数就是我们常说的反调区间，我们说PID算式的不足之一是积分。积分在生产过程中的作用是百害而无一益，也就是说它除了有消除偏差的作用再也没有其它用处，而反调区间恰恰给这个积分作用加以改善，在这个区间内，也就是Ⅱ、Ⅳ区我们把该积分算式改变符号使之称为反调，从而保证了偏差在可能的范围内尽量的小。

6.7.1.3    K1：智能权函数的系数   智能权函数具体的数学公式不能评出来，但该算式涉及到的变量可以表示出来。

en：偏差；△en：偏差的变化量