分散控制系统实验室的改进与创新

2014-05-02卢亚平秦拥军

实验技术与管理 2014年5期

卢亚平，任晓，秦拥军

（苏州大学应用技术学院，江苏苏州 215325）

2006年，苏州大学应用技术学院组建了分散控制系统（distributed control system，DCS）实验室，迄今已为苏南地区培养了一大批DCS专业人才，服务了地方企业，满足了一定量的企业需求。但随着时间的延长和学院招生规模的扩展，该实验室还是逐渐显露出一些缺陷，需要对现有的DCS进行改进和创新，以便能更好地提高教学质量。

主要改进和创新的DCS产品为浙江中控自动化系列的品牌产品 WebField JX－300XP，通过该平台，指出该实验室建设的不足和DCS系统存的缺陷，而后提出 WebField JX－300XP DCS控制系统改进方案，最终完成对DCS控制系统的改进［1］。

1 现有JX－300XP DCS教学中的缺陷

1.1 控制对象数量不足

DCS实验室现有3个控制站机柜，6个控制对象［2］。随着学院招生规模的扩大，这些实验设备已不能满足实验教学的需要。以一个基准班60人为例，实验分上、下午2批进行，每个控制对象为一组，每批分为6个组（A—F），每组5人。这种安排对学生来说缺乏足够的锻炼时间，一个小组往往是组长做实验、组员围观，使一些学生表现出松懈和不认真的态度［3］。

图1是原有的DCS控制系统分配情况。A组学生所涉及的对象由6台工控机、控制站机笼1、控制对象、控制台4部分组成。在6台工控机中，只有1台为工程站，能完成实验参数的修改，而其余5台是只能监控的操作站，即在任何时候该组只有1位学生在做实验。B组学生所涉及的对象与A组相似，有6台工控机、控制站机笼2、控制对象、控制台4部分。

1.2 实验项目繁多

目前存在的实验项目是6年前浙江中控用JX－300XP组态软件做的工程，包括：

实验一：上水箱特性测试实验；

实验二：二阶双容对象特性测试实验；

实验三：锅炉内胆温度位式控制实验；

实验四：上水箱液位PID整定实验；

实验五：串接双容下水箱液位PID控制实验；

图1 现有DCS控制系统分配

实验六：锅炉内胆水温PID控制实验；

实验七：锅炉夹套水温PID控制实验；

实验八：涡轮流量计流量控制实验；

实验九：上下水箱液位串级控制实验；

实验十：锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制实验；

实验十一：涡轮与电磁流量比值实验；

实验十二：纯滞后控制实验；

实验十三：电磁流量计流量控制实验。

在已有的组态工程中，可以做的实验项目较多，但实验教学一般只有18学时，也就是最多可安排6次实验课。由于第一次实验需要安排学生了解设备、掌握基本操作，实际上只有5个实验可以安排。并且，有些实验项目耗时太长（例如纯滞后控制实验）或过程复杂（例如内外温度串级实验），对于一次仅有3学时的实验课，学生往往不能完成实验［4］。

1.3 温度控制传感器缺陷

目前可控硅调压装置有移相触发、周期过零（PWM）触发和周波过零（CYC）触发。

可控硅移相触发调压控制会在电网中产生高次谐波，对电源有污染；CYC触发可最大限度地利用交流电的周期特性，对温度控制系统有较高的控制精度，只有较少的干扰和电源污染［5］。旧系统的可控硅调压装置采用斩波（移相）触发，是由全隔离三相交流调压模块STY—380D75G和三相同步变压器模块TB－3组成。由于使用时间已久，模块陆续出现问题，特别是在MCGS－DDC控制过程中出现干扰导致信号丢失（见图2），严重时会出现电源跳闸现象［6］。

图2 温度控制信号丢失波形

2 JX－300XP DCS改进措施

2.1 控制站整体结构分配改进措施

实际上，一个控制站机柜最多可配置5只机笼，其中1个为电源机笼，4个为IO机笼，每个IO机笼对应安装1个IO单元。因此，可在现有的3个控制站机柜各添加2个IO机笼，共添加6个机笼，将学生分组数进一步增加，每批学生就可以分12个组（A—M），每组成员可减至2～3人（见表1）［7］。

表1 改进后基准班分组情况

由于每个组是独立的，所以每组的项目实验互不影响，但每组（即机笼）都需要一个主控卡和一对互为冗余的数据转发卡。每个控制站可带4个小组，每组涉及3台工控机（1个工程站，2个操作站）、控制站机笼和控制对象（控制台）（见图3），这样就能大大提高设备使用效率，使得学生锻炼时间增多，大多数学生都能参与进来，提高教学质量［8］。

2.2 JX－300XP DCS组态改进措施

项目组态以4个组为一个工程，4个小组合用一个机柜（控制站），每个小组在机柜里各分配到一个机笼（主控卡），如图4所示。在控制站一栏中，分配了4个地址分别为2、4、6、8的主控卡，操作站一栏中A组有3台电脑，B组有3台电脑，而CD两组各有2台电脑，操作小组一栏中有 A、B、C、D共4个小组［9］。

2.3 JX－300XP DCS组态流程图改进措施

流程图的改进遵循适合实验课时数、选择效果较好的实验、涉及重点知识内容、包括典型控制回路的原则，保留了8个实验题目：

图3 DCS控制系统新分配方案

图4 JX－300XP DCS组态改进一览

实验一：上水箱特性测试实验；

实验二：锅炉内胆温度位式控制实验；

实验三：上水箱液位PID整定实验；

实验四：锅炉内胆水温PID控制实验；

实验五：涡轮与电磁流量比值实验；

实验六：上下水箱液位串级控制实验；

实验七：涡轮流量计流量控制实验（备用）；

实验八：电磁流量计流量控制实验（备用）。

其中，实验一的目的是使学生对设备初步了解；实验二为二位式温度控制；实验三、四为单回路控制；实验五为比值控制；实验六为双回路控制。实验内容安排由简单到复杂，控制回路由陈旧到经典。实验七、八为备用实验，以防其他实验出现不可预知的故障［10］。

2.4 温度控制器件分析及改进措施

可控硅调压器是半导体交流功率控制器的一种，常用移相触发、周期过零触发和周波过零触发的方式［11］（见图5），原有的DCS设备就采用移相触发方式。

图5 移相触发、周期过零触发和周波过零触发

移相触发即在交流电的半个周期（正半周期或负半周期）内，通过控制（移动）触发脉冲的相位调整导通时间和关断时间的比例，以达到改变输出电压平均值的目的。这种触发能够限制瞬时电流，但是输出电压含有高次谐波，对电网和其他设备会造成一定的危害。

周期过零（PWM）触发是在一个较长的固定周期内通过触发电路控制导通周波的个数和关断周波的个数的比值（又称为占空比）来控制负载功率的平均值。由于采用在固定周期内通断时间比例来控制输出电压，因而在低功率输出时关断时间必然大于开通时间，造成电表指针的摆动，这是它的不足之处。

周波过零（CYC）触发方式是从周期过零触发方式演变而来的，它利用交流电的周期特性，使负载电流的通断按正弦波均匀分布，达到最佳控制精度。由于电压过零时通断，因而对电网无干扰。此种方式可有效减小电表指针的抖动，实现对电流的限流控制。

据此，将旧系统的移相触发可控硅调压器更换为周波过零触发可控硅调压器，该调压器由三相交流固态继电器（SSR－3H380D35）和固态继电器周波控制模块（SSR－CYC）组成。更换后，弥补了移相触发可控硅调压器给系统带来的信号丢失、电源跳闸和干扰等问题，实验得到的PID控制波形效果较好（见图6）［12］。

图6 改进后的温度控制PID波形

3 结束语

对苏州大学应用技术学院使用的浙江中控DCS控制系统进行了改进和创新，并进行实验记录与测试。改进方案涉及工程的重新组态、DCS系统的再扩展分配问题和处理温度实验效果不佳等问题。通过整合现有的可行实验项目方案，添加其他一些可行的实验方案，完善了实验内容，最终实现了提高教学质量、满足教学要求、提高自身专业知识和能力等目的。

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