基于MCGS和智能仪表的温度控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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在现场工业控制中，温度控制一般也是主要的被控物理量，尤其是一些工作环境要求高的领域，温度更是一个主要的控制参数。
为了保证正常的生产过程中，提高产品的数量和质量，降低劳动强度，节约能源，根据某些特定规则的改变往往需要工作环境温度控制的对象。
但是，温度控制是一个典型的非线性控制，时变大和时滞长的特点，可能会导致系统不稳定，传统的经典控制方法是很难实现良好的动态和静态性能。
在工业过程控制系统中，有许多这种纯滞后性质的理论引入这样一个系统的控制对象，但在工程实践中，没有多少有效的方式。
一个主要的原因是，它是很难获得精确的数学模型，控制的概念是，由于传统的控制方法，实现了精确的控制效果，需要明确的数学模型的建立过程及其控制变得复杂。
随着人工智能和控制论学科的发展，加入了人工智能替换传统观念的方法来模仿人的思维，在控制策略上实现了飞跃。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制器来讲，总体的发展水平依然是有待提升，同德国、日本、美国等一些发达国家比较还有很大的不足。
目前，我国在这方面总体技术水平处于上世纪50年代左右，市面上的成品主要以常规的PID控制器和“点位”控制为主。
这些控制器只能应付一般程度上的温度控制要求，难以驾驭那些复杂度高、滞后高、时变慢的温度系统。
而能偶适应于较高控制要求领域的自适应能力强智能化的控制仪表，国内目前还不够成熟。
形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。
但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[4]。
1.2AI智能调节器及其应用
1.2.1
AI调节器即人工智能调节器,是集成CPU、存储器、显示器、键盘、I/O接口、通信接口以及软件的一个CPU模块。
通过面板操作AI调节器，设置其“输入规格”、“显示上限”、“显示下限”和“输出规格”等各类参数后,就可以测量正确地读取各种不同的参数值和输出的要求以及不同类型的控制信号，以便AI调节器上的输入可以直接连接各种传感器和变送器，可适应各种传感器和变送器，且输出也能适配不同标准要求的执行器和记录仪器。
AI调节器本身具备D/A和A/D功能,因此也就有了实现数据采集和输出的模块。
当调节器工作在手动方式时,控制功能关闭,等同于一个既具有模拟量输出又具有模拟量输入功能的I/O模块。
AI调节器多输入的技术规格使得在建立多种不同过程参数的计算机控制平台时只需要一台AI调节器就能兼容,而不用多种信号调理模块。
而且,它提供的4-20mA直流电流输出可供电动调节阀等执行器直接使用,无须增加V/I转换电路或模块。
因而用AI调节器构成过程计算机控制系统的输入输出通道简化了系统结构。
1.2.2智能调节器在温度控制系统中的应用
AI人工智能调节器具由高稳定性、高可靠性、多功能、多用途和操作简单、灵活等特点，在化工、冶金、火电、轻工等行业得到广泛应用。
AI调节器本身具有先进的人工智能算法，通常与计算机或工业控制计算机联用，构成以智能仪表为下位机的小型集散控制系统。
此类设计方案在许多中小企业中也得到广泛应用，具有重要的理论意义和实用价值。
目前,在对液位、温度和流量等热工参量的检测控制中越来越多地运用到了智能调节器。
智能调节器在工业生产中的应用越来越广泛。
以智能调节器为控制器,适当进行参数设置,可以构成多种过程控制系统。
这些系统可以对液位、温度和流量等热工参量进行定值控制。
研究智能调节器的应用领域和使用方法,有助于在实践中提高工业生产的智能化水平[8]。
1.3
MCGS是一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统,可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。
它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能[6]。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。
MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。
1.4论文的主要工作
2设计和实现由AI-808智能调节器和PC机构成的温度系统。
AI-808智能调节器主要完成数据的采集和回路的控制，保证系统的可靠性。
系统控制方案设计
2.1过程控制实验装置简介
2.1.1工艺流程
过程控制实验装置的工艺流程包括：
①内部4.5KW三相星形连接电热丝，21升的热水夹套锅炉。
②38升的高位溢流水箱（产生稳压的工艺介质——水）。
③35升的液位水槽和105升的计量水槽。
④配三相电机的循环水泵。
⑤2只电磁阀（扰动）和29只手动球阀。
流程图实线内的图形，方框为安装在对象框架内的工艺设备及流量、压力、液位、温度信号的检测、变送、执行单元，虚线方框为安装在操作台上的变送、执行单元。
22只手动阀开关可以组成不同的工艺流程。
在简化图中，表示阀全开，表示阀全关，表示阀半开半关。
删去这些截止状态的手动阀，就得到了工艺流程的变更。
控制对象及工艺流程如图2.1所示。
图2.1控制对象及工艺流程
2.1.2现场仪表
现场仪表包括：
序号
图位号
型号
规格
名称
用途
1
P1-1
（PL-1）
Y-100
0~0.25MPa
弹簧管压力表
进水压力指示
2
P2-T
（PT-2）
DBYG
0~100KPa
（4~20mA）
扩散硅压力变送器
出水压力变送器
3
F1-E
（FE-1）
LDG-10S
0~300L/h
电磁流量传感器
进水流量检测
4
F1-1T
（FIT-1）
LD2-4B
（4~20mA）
电磁流量转换器
进水流量变送和显示
5
F2-E
（FE-2）
出水流量检测
6
F2-1T
（FIT-2）
出水流量变送和显示
7
L1-T
（LT-1）
0~4Kpa
（0~400mmm）
水箱液位变送
8
L2-T
（LT-2）
锅炉液位变送
9
L3-T
（LT-3）
水槽液位变送
10
TIT-1
（TE-1）
WZP-270
155×
100mm
Pt100
铂电阻
锅炉水温检测
11
TIT-2
（TE-2）
夹套水温检测
12
M1
PSL201
行程16mm
直行程电子式
电动执行器
配Vc1调节阀
13
VC1
V7-16
DN=20mm
dN=10mm
线性铸钢阀
进水流量调节阀
14
M2
PSL201
配Vc2调节阀
15
VC2
VT-16
出水流量调节阀
2.2锅炉热水温度控制方案设计
2.2.1系统控制要求
（1）要求对热水锅炉中的水温进行定值控制。
（2）控制稳态误差不大于±
1%。
（3）系统具有自动控制和手动控制两种工作方式。
（4）系统具有流程图监视画面、参数设置和报警功能。
（5）系统具有实时趋势曲线和历史趋势曲线显示功能。
2.2.2控制方案设计
要对温度进行控制首先必须要有对温度测量的手段，而通常对温度的测量是采用热电阻元件进行的。
这是利用了金属导体电阻值会随温度变化而进行变化的这一特性来完成对温度的测量的。
电阻值与温度间的关系式为：
Rt＝Rt0[1+α（t-t0）]。
温度的变化会导致金属导体的电阻变化，如此一来只要设法测出金属电阻值的变化，再利用公式就可以实现对温度的测量了。
虽然大多数金属导体的电阻值会随温度的变化而变化，但并不是所有的金属都能作为测温用的热电阻。
能作为热电阻材料的要求一般是：
热容量要小、电阻温度系数要小、电阻率要大；
在测温范围内，必须具备良好的物理和化学性能；
电阻值必须随温度的变化呈线性关系。
要找到完全符合上述条件要求的热电阻材料在实际操作上是十分困难的，铂和铜是目前应用最广泛的热电阻材料。
铂电阻元件采用特殊的工艺和材料制造而成，具有很高的稳定性和较强的抗污染能力。
将电加热器的输入端与智能温度控制模块的输出端直接相连，把PT100铂热电阻输出端加到智能仪表的“PT100铂热电阻”输入端。
智能仪表输出的0~5V的连续电压信号控制智能温度控制模块的输出电压。
当智能仪表输出0V电压时，智能温度控制模块没有输出；
当智能仪表输出5V电压时，智能温度控制模块输出220V电压。
当智能仪表的控制信号从0~5V线性变化时智能温度控制模块的输出电压也会从0~220V变化，PT100铂热电阻把实时检测到的温度值变换为电压信号输出到智能仪表的输入端作为反馈信号。
智能仪表能与上位机通讯，可以进行自由的数据交换，并且能输出连续的电流或电压信号驱动执行机构，从而形成一套循环连续的控制系统，实现对水温定值的自动化控制。
控制系统方框图如图2.2所示。
图2.2智能仪表温度控制框图
软件设计方面，在使用MCGS构造应用系统之前，应进行工程的整体规划，保证项目的顺利实施。
首先要了解整个工程的系统构成和工艺流程，弄清测控对象的特征，明确主要的监控要求和技术要求等问题。
在此基础上，拟定组建工程的总体规划和设想，主要包括系统应实现哪些功能，控制流程如何实现，需要什么样的用户窗口界面，实现何种动画效果以及如何在实时数据库中定义数据变量等环节，同时还要分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及用于实现动画显示的等问题。
作好工程的整体规划，在项目的组态过程中能够尽量避免一些无谓的劳动，快速有效地完成工程项目。
因此在建立工程前先进行如下参数选择的分析：
①被控参数的选择：
被控参数的选择是控制方案设计中的重要一环，一般有两种方法，一是选择能直接反映生产过程产品产量和质量，又易于测量的参数作为被控参数，称为直接参数法。
二是选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数，称为间接参数法。
本文中，根据控制要求，直接选择热水锅炉的水温为被控参数。
②控制参数的选择：
在实际系统中，可能有几个可供选择的被控参数。
这就要通过分析比较不同的选择下，所形成的不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出合理的选择。
一般说来，选择控制参数，应使得它所形成的控制通道放大系数适当大一些，时间常数适当小一些，纯滞后愈小愈好；
而扰动通道的放大系数尽可能小，时间常数大一些。
通过分析比较，本文选择为热水锅炉加热的电热丝供电电压作为控制参数。
通过改变供热电压的大小实现对热水锅炉水温的控制。
根据上述被控参数和控制参数的选择，设计热水锅炉水温定值控制系统控制原理流程图，如图2.3所示
图2.3热水锅炉水温控制流程图
3系统硬件设计
3.1控制系统结构
3.1.1DCS一般结构
典型的DCS结构如图3.1所示。
图3.1典型的DCS结构
DCS系统的基本构成由现场级、控制级、监控级、管理层四级构成。
现场级主要包括各种过程通道卡件或者模块。
控制级包括所有的过程站。
监控级包括工程师站、操作员站、历史站和打印机等附属设备。
管理级包括管理计算机。
四层中间相应的通信网络由控制网络（Cnet）、监控网络（Snet）、管理网络（Mnet）三层网络结构。
3.1.2多智能仪表DCS结构
多智能仪表控制系统的网络结构如图3.2所示。
图3.2多智能仪表控制系统的网络结构图
现场部件主要由智能仪表组成，工控机组或者普通PC机均可组成控制PC机。
智能仪表与控制PC机之间采用现场总线连接，根据控制的要求以及智能仪表的特点进行现场总线协议的设计。
管理PC机与控制PC机之间采用通用计算机网络链接。
图3.3多智能仪表DCS实验系统硬件结构图
小型DCS系统硬件由AI—808智能调节器和PC机构成。
系统硬件由智能仪表、检测执行机构、上位PC机以及过程控制实验装置组成。
上位PC机为操作站，主要负责完成显示、打印、控制管理、系统配置组态等功能。
AI—808智能调节器为控制站，主要完成数据的采集和回路的控制。
PC机通过RS232/458转换装置、仪表RS458串行通信接口与仪表进行通讯。
本文中用于实验模拟的系统硬件结构如图3.3所示。
3.2智能调节器
3.2.1AI-808调节器简介
AI808P型调节器是国产较先进的仪表，内部采用了高性能ASIC芯片和模块化硬件设计，在输入、输出信号上均采用了数字校正技术，以消除稳定性较差的可调电阻所带来的误差;
采用自动调零技术不会产生零点漂移，测量精确稳定;
具有多种输入、输出规格和报警方式设置。
电源可在85～264VAC（50～60Hz）。
具有基于模糊逻辑的PID调节及参数自整定功能和温度实时显示功能。
AI-808智能调节器的面板如图3.4所示。
图3.4AI-808智能调节器面板
1.调节器输出指示2.报警1指示3.报警2指示4.AUX辅助接口工作指示
5.显示转换（兼参数设置进入）6.数据移位（兼手动/自动切换及程序设置进入
7.数据减少键8.数据增加键9.光柱（没选构件）10.给定值显示窗
11.测量值显示窗
基本使用操作：
（1）显示切换：
按
键。
（2）修改数据：
当需要设置给定值时，可通过按
、
或
键来修改给定值。
AI仪表小数点移位法和数据快速增减法。
键减小数据，按
键增加数据，可修改数值位的小数点同时闪动（如同光标）。
按住键保持不放，可以快速地增加/减少数值，并且速度会随小数点会右移自动加快（3级速度）。
而按
键可直接移动修改数据的位置（光标），操作方便快捷。
（3）手动/自动切换：
按A/M键（即
键），可以使仪表在手动和自动两种状态下进行无扰动的切换。
在手动状态下，直接按
键或
键可增加或减少手动输出值。
通过对run参数设置，也可使仪表不允许由操作面板上的按键来切换至手动状态，以防止误切为手动状态。
（4）设置参数：
按住
键并保持大约2秒钟，进入参数设置状态。
在参数设置状态下按
键，仪表将依次显示各个参数，比如参数锁Loc、上限报警值HIAL等等，对于配置好并且已经锁上参数锁的仪表，只出现操作工需要用到的参数（现场参数）。
用
等键修改参数值。
键并保持不放，将返回显示上一参数。
先按
键不放接着再按
键可退出设置参数状态。
如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。
如果参数被锁上，则只能显示被EP参数定义的现场参数（可由用户定义的，工作现场经常需要使用的参数及程序），而无法看到其它的参数。
不过，至少能看到Loc参数显示出来。
3.2.2AI-808调节器参数设置
通过参数来定义仪表的输入、输出、报警、通讯及控制方式。
以下为参数功能表：
HIAL上限报警测量值大于HIAL+dF值时仪表将产生上限报警。
测量值小于HIAL-dF值时，仪表将解除上限报警。
设置HIAL到其最大值（9999）可避免产生报警作用。
每种报警可自由定义为控制报警1（AL1）、报警2（AL2）或辅助接口（AUX）动作（参见后文参数ALP的说明）。
设置范围：
-1999－+9999℃或1定义单位。
LoAL下限报警当测量值小于LoAL-dF时产生下限报警，当测量值大于LoAL+dF时下限报警解除。
设置LoAL到其最小值（-1999）可避免产生报警作用。
Dhal正偏差报警采用AI人工智能调节时，当偏差（测量值PV减给定值SV）大于dHAL+dF时产生正偏差报警。
当偏差小于dHAL-dF时正偏差报警解除。
设置dHAL=9999（温度时为999.9℃）时，正偏差报警功能被取消。
采用位式调节时，则dHAL和dLAL分别作为第二个上限和下限绝对值报警。
0－999.9℃或0－9999定义单位。
dLAL负偏差报警采用AI人工智能调节时，当负偏差（给定值SV减测量值PV）大于dLAL+dF时产生负偏差报警，当负偏差小于dLAL-dF时负偏差报警解除。
设置dLAL=9999（温度时为999.9℃）时，负偏差报警功能被取消。
dF回差（死区、滞环）回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁产生／解除。
（1）仪表在正常状态，当测量温度值大于802℃时（HIAL+dF）时，才进入上限报警状态。
（2）仪表在上限报警状态时，则当测量温度值小于798℃（HIAL-dF）时，仪表才解除报警状态。
又如：
仪表在采用位式调节或自整定时，假定给定值SV为700℃，dF参数设置为0.5℃，以反作用调节（加热控制）为例：
①输出在接通状态时，当测量温度值大于700.5℃时（SV+dF）时关断。
②输出在关断状态时，则当测量温度值小于699.5℃（SV-dF）时，才重新接通进行加热。
CtrL控制方式
CtrL=0，采用位式调节（ON－OFF），只适合要求不高的场合进行控制时采用。
CtrL=1，采用AI人工智能调节/PID调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。
CtrL=2，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置为3或4。
CtrL=3，采用AI人工智能调节，自整定结束后，仪表自动进入该设置，该设置下不允许从面板启动自整定参数功能。
以防止误操作重复启动自整定。
CtrL=4，该方式下与CtrL=3时基本相同，但其P参数定义为原来的10倍，即在CtrL=3时，P=5，则CtrL=4时，设置P=50时二者有相同的控制结果。
在对极快速变化的温度（每秒变化200℃以上），或快速变化的压力、流量的控制，还有变频调速器控制水压等控制场合，在CtrL=1、3时，其P值都很小，有时甚至要小于1才能满足控制需要，此时如果设置CtrL=4，则可将P参数放大10倍，获得更精细的控制。
CtrL=5，仪表将测量值直接作为输出值输出，可作为手动操作器或伺服放大器使用，如计算机控制系统中的后备手操器。
0－5
dIP小数点位置线性输入时：
定义小数点位置，以配合用户习惯的显示数值。
dIP=0，显示格式为0000，不显示小数点
dIP=1，显示格式为000.0，小数点在十位。
dIP=2，显示格式为00.00，小数点在百位。
dIP=3，显示格式为0.000，小数点在千位。
采用热电偶或热电阻输入时：
此时dIP选择温度显示的分辨率
dIP=0，温度显示分辨率为1℃（内部仍维持0.1℃分辨率用于控制运算）。
dIP=1，温度显示分辨率为0.1℃（1000℃以上自动转为1℃分辨率）。
改变小数点位置参数的设置只影响显示，对测量精度及控制精度均不产生影响。
0－3
dIL输入下限显示值用于定义线性输入信号下限刻度值，对外给定、变送输出、光柱显示均有效。
在采用压力变送器将压力（也可是温度、流量、湿度等其它物理量）变换为标准的1－5V信号输入（4－20mA信号可外接250欧电阻予以变换）中。
对于1V信号压力为0，5V信号压力为1MPa，希望仪表显示分辩率为0.001MP
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