基于YB2000过程控制实验装置的流量比值控制系统设计及研究

李新华 陆 琦 张艳丽

（1.大连理工大学盘锦产业技术研究院；2.沈阳工业大学化工过程自动化学院）

在现代工业生产过程中，经常需要将两种或两种以上的物料流量按一定比例混合后再参与反应。 若比例失调，则会影响生产的正常运行，影响产品的产量与质量，从而浪费原材料，造成环境污染，甚至发生生产事故［1］。 因此，进行流量比值控制系统的设计与研究至关重要。

笔者采用单闭环结构设计流量比值PID控制结构，使用响应曲线法对YB2000高级过程控制实验装置中的主副管路进行数学建模。 结合增量式PID控制算法，利用Matlab/Simulink软件设计系统仿真模型， 通过仿真对PID参数进行整定。 将YB2000高级过程控制实验装置与MCGS监控软件灵活组建，用以验证流量比值控制系统的可行性与可靠性。

1 工艺与控制系统设计

流量比值控制系统中，需要保持生产中主要流体物料的流量或不可控流体物料流量处于主导地位，即主流量，用q1表示，其他流体物料流量为副流量，用q2表示，要求副流量和主流量成一定比例关系，即满足q2/q1=K［2］。笔者搭建的流量比值控制系统是基于YB2000高级过程控制实验装置的，系统工艺原理如图1所示。 流量比值控制系统主回路由电机P101、电磁流量计FT101、电动调节阀FV101和阀门组成， 副回路由变频器、 电机P103、涡轮流量计FE102和阀门组成。

图1 流量比值控制系统工艺原理

单闭环比值控制系统不仅能确保主、副流量的比值不变，还能使主流量具有抗干扰能力，而且控制系统结构简单，在工业生产过程中应用广泛。 基于单闭环比值控制系统和YB2000高级过程控制实验装置设计的流量比值控制系统框图如图2所示。主回路在水泵P101通电的情况下，通过调节电动调节阀FV101来调节流量输出；副回路由变频器直接调节水泵P103从而调节流量输出。

图2 流量比值控制系统框图

2 数学建模

2.1 主副管路特性实验

利用实验设备，将测量主管路流量的电磁流量计电流信号接入C3000过程控制器的模拟量输入通道1，将模拟量输出通道1信号传送至电动调节阀；将测量副管路流量的涡轮流量计电流信号接入C3000过程控制器的模拟量输入通道2，将模拟量输出通道2信号传送至变频器。

按上述说明，具体现场仪表柜的接线情况如图3所示。

通过手动操作C3000过程控制器， 控制电动调节阀开度，初始阀门开度为30%，当管道内流量处于平衡后，改变调节阀开度到40%，使管道内流量发生阶跃变化。 经过一段时间后，管道内流量重新达到平衡状态。 同时，利用C3000过程控制器控制变频器输出频率，变频器初始输出为50%，当管道内流量达到平衡状态后，增大变频器的输出到60%，当管道内流量重新达到平衡状态时，记录数据。

2.2 数据分析及建模

根据主副管路特性实验数据，利用EXCEL绘制时间-流量阶跃响应曲线，如图4所示。

3 系统仿真与参数整定

3.1 仿真模型

C3000过程控制器采用的是数字增量式PID控制算式：

式中 ek——控制器偏差；

k——控制运算次数；

Kp——比例增益；

Td——微分时间；

Ti——积分时间；

Ts——控制周期；

ΔMVK——控制器输出。

依据控制理论与系统框图， 搭建增量式PID流量比值控制系统的仿真模型如图5所示。

图5 增量式PID流量比值控制系统的仿真模型

3.2 参数整定

根据工程经验，设输入值为50，整定前主管路PID参数为Kp=1.0、Ti=10 s、Td=1、Ts=1，由图6a可以看出，主管路输出跟踪效果良好，但有轻微超调。 经过多次PID参数调节，当参数为Kp=0.8、Ti=20 s、Td=1、Ts=1时，输出控制效果理想（图6b）。

图6 仿真结果

4 过程实验

本系统使用YB2000高级过程控制实验装置进行实验。YB2000高级过程控制实验平台由电控箱、流量控制系统本体、现场仪表柜、C3000过程控制器和计算机组成， 整个系统通过计算机MCGS软件实现监控，由C3000过程控制器实现整体系统工艺过程控制，用于近似模拟工厂生产过程中的多地监控与控制。

为了提高信号传输的抗干扰性，整个过程控制系统选用工业标准4～20 mA电流信号实现信号传输。 在实验过程中需要对C3000过程控制器进行组态，组态过程为：用户登录-输入量设置-输出量设置-PID回路设置 （PID03的SV是VA01；VA01=AI02×CONF01）-启用组态。 C3000过程控制器与计算机通过RS485进行通信。利用MCGS软件搭建比值液位控制系统监控界面，如图7所示。

图7 比值液位控制系统监控界面

在实际操作中， 系统会因外界扰动产生偏差。 为此，控制监控界面设定变频输出50%，PID控制器参数：比例度100%，积分时间10 s，微分时间1 s。 把副回路的手动状态调到自动状态，得到的主副回路流量实时曲线如图8所示。

根据图8可知， 在副回路流量输出平稳的情况下，主回路流量虽然有两个周期的振荡，有超调，到达稳态的时间稍长，但整体控制效果良好，稳定性能良好，达到了预期控制目标。

图8 主副回路流量实时控制曲线

5 结束语

笔者设计了一种基于YB2000过程控制实验装置的流量比值控制系统。 研究结果表明，该系统对工业生产过程中保持两种流体物料一定比例具有良好的控制效果。 MCGS软件与YB2000过程控制实验装置通信完成对控制系统的远程监控与控制器的参数调节，为实现仪表的工业现代化提供了基础。 由于该系统具有通用性，可以应用于工业生产过程中其他被控量的控制和调节，为其他量的比值控制提供了理论与实践依据。