基于PLC和WinCC的智能雙腔監(jiān)測換熱器系統(tǒng)

1、引　言
    隨著我國人口的不斷增加和工農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展全國淡水資源日益緊張。為了節(jié)約用水,在我國石油、化工、電力、鋼鐵、冶金等企業(yè)正在逐步采用循環(huán)水冷卻系統(tǒng)代替了原有的直流冷卻水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水在循環(huán)的過程中,必然會(huì)帶來結(jié)垢,金屬腐蝕和微生物滋生等問題,嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行,同時(shí)循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)也呈上升趨勢,監(jiān)測換熱器很好地模擬了工業(yè)現(xiàn)場換熱器的運(yùn)行,監(jiān)測腐蝕、結(jié)垢狀態(tài),在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛使用[1,2]。①

2、系統(tǒng)簡介
    系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),由上位機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)上位機(jī)采用W inCC組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控界面,能夠完成實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、異常報(bào)警、報(bào)表制作、趨勢分析等管理任務(wù),并配有5.7寸觸摸屏,使監(jiān)測及控制更便捷。分布于現(xiàn)場的西門子PLC、智能監(jiān)測儀表及現(xiàn)場傳感器,作為該監(jiān)測系統(tǒng)的下位機(jī),完成換熱器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及對質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)控制的功能。

3、系統(tǒng)控制要求
    本系統(tǒng)中的換熱器為雙腔換熱器,分為碳鋼試管和不銹鋼試管,工藝流程圖如圖1所示。本系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)有碳鋼管進(jìn)口溫度、碳鋼管出口溫度、碳鋼管蒸汽溫度、不銹鋼管進(jìn)口溫度、不銹鋼管出口溫度、不銹鋼管蒸汽溫度、給水pH、給水電導(dǎo)率、補(bǔ)水電導(dǎo)率、循環(huán)水電導(dǎo)率、給水濁度、碳鋼管腐蝕率、不銹鋼管腐蝕率、進(jìn)水流量、蒸汽壓力、電動(dòng)閥開度。使用自力式壓力調(diào)節(jié)閥對蒸氣壓力進(jìn)行控制。通過一路4~20mA信號(hào),對流量閥進(jìn)行控制,流量控制有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式可供選擇。
                    

4、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    4.1　硬件配置
    PLC部分包括中央處理器CPU 224 XP,模擬量輸入模塊采用EM231、EM231RTD模塊,模擬量輸出使用CPU 224 XP自帶的一路模擬量輸出。腐蝕監(jiān)測設(shè)備為FSY-3型腐蝕在線檢測儀。采用美國米特羅公司生產(chǎn)的流量計(jì)、pH計(jì)、電導(dǎo)率檢測儀表。濁度儀為美國哈希濁度儀。
    4.2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
    現(xiàn)場各儀表測量各個(gè)檢測、輸出點(diǎn)的信號(hào)(4~20mA),送到PLC的模擬量輸入模塊。PLC接受來自儀表的信號(hào)并按儀表的量程和儀表的修正系數(shù)的不同,經(jīng)梯形圖程序轉(zhuǎn)換計(jì)算后送到上位機(jī),W inCC軟件顯示與處理,同時(shí)可按照操作員設(shè)置的控制方式來控制現(xiàn)場的流量泵和電磁閥進(jìn)行補(bǔ)水、排污等工作。
    通過Modbus協(xié)議與W inCC組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊,主要用于監(jiān)測進(jìn)口溫度、出口溫度、蒸汽溫度、污垢熱阻、沉積速率、垢層厚度等。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
                 
5、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    5.1　上位機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)
    上位機(jī)監(jiān)控軟件(人機(jī)界面)的開發(fā)基于西門子公司的SIMATICW inCC組態(tài)軟件,該軟件功能強(qiáng)大,包括所有SCADA功能在內(nèi)的客戶機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng),使用MicrosoftSQL Server 2000作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫,可以使用ODBC、DAO、OLE-DB、W inCCOLE-DB和ADO方便地訪問歸檔數(shù)據(jù),強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口,如OLE、ActiveX和OPC,可以方便地和其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)[3]。
    系統(tǒng)監(jiān)控部分,包括對各系統(tǒng)參數(shù)的顯示、污垢熱阻、pH、溫度等的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的繪制,主要功能如下:
    (1)彈出式主菜單:包括主界面、參數(shù)顯示、流量控制、曲線顯示、設(shè)置裝置參數(shù)、打印、校時(shí)等功能選項(xiàng)。
    (2)流程圖及參數(shù)顯示界面:用以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。
    (3)趨勢曲線:對污垢熱阻、pH、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的繪制。
    (4)報(bào)警功能:對超過安全線的各參數(shù)進(jìn)行報(bào)警、提醒故障類型、報(bào)告故障位置、進(jìn)行歷史記錄。
    (5)校時(shí)功能:由于系統(tǒng)需不定期的記錄碳鋼試管和不銹鋼試管的污垢熱阻計(jì)算時(shí)間,實(shí)時(shí)性較高,為防止可編程控制器的內(nèi)部時(shí)鐘由于誤差,或者掉電造成時(shí)間偏差,需要進(jìn)行校時(shí),按下校時(shí)按鈕后會(huì)自動(dòng)將可編程控制器的內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置為PC時(shí)鐘。
    5.2　主要功能模塊設(shè)計(jì)
    5.2.1　流量Fuzzy-PID控制器設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中有碳鋼試管和不銹鋼試管兩個(gè)管路,兩路的流量由系統(tǒng)總流量經(jīng)過加權(quán)分配后得到,為保證兩個(gè)管路流量的穩(wěn)定,需對系統(tǒng)總流量進(jìn)行控制,對控制精度,實(shí)時(shí)性要求比較高。由于存在氣泡及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等干擾因素,在進(jìn)行了傳統(tǒng)PID流量控制試驗(yàn)的情況下發(fā)現(xiàn)超調(diào)及振蕩都較大,效果不理想,控制精度達(dá)不到要求而且有明顯滯后現(xiàn)象。采用模糊PID控制器進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)針對系統(tǒng)總流量的模糊控制器。采用二維模糊控制,流量給定值(設(shè)為4 000 L/h)與精確測量值偏差為e,偏差變化率為ec,E和EC分別為e和ec模糊化后的模糊量。控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
                   
    當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下,總流量設(shè)定值SV =4 000L/h,偏差e =SV-PV,PV為流量的實(shí)際測量值。設(shè)流量的變化e的基本論域?yàn)閇-60, +60],選定E的離散論域X為{-3, -2, -1,0,1,2,3},e的量化因子Ke=3/60=0.05。
    設(shè)流量的變化率ec的基本論域?yàn)閇-15, +15],選定EC的離散論域Y為{-3, -2,-1,0,1,2,3},ec的量化因子Kec=3/15=0.2。設(shè)控制變化u的基本論域?yàn)閇-10, +10],選定U的離散論域Z為{-4, -3, -2, -1,0,1,2,3,4},則得u的量化因子Ku=10/4=2.5。
    語言變量E、EC、U分別選取七個(gè)語言值:NB、NM、NS、O、PS、PM和PB。
    e, ec和u的隸屬函數(shù)均取三角形,其中NB、NM、NS、O、PS、PM、PB分別表示很大、較大、偏大、適中、偏小、較小、很小?？刂埔?guī)則選用“ifeandecthenu”[4]的形式,通過對現(xiàn)場控制過程和專家控制經(jīng)驗(yàn)得到控制規(guī)則表后,根據(jù)模糊推理法求出相應(yīng)的模糊關(guān)系R,求出模糊控制查詢表。如表1所示。
    在設(shè)計(jì)好的模糊PID控制器的基礎(chǔ)上,將模糊PID算法在PLC中實(shí)現(xiàn): (1)量化比例因子的初始值存入PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中; (2)通過流量計(jì)測量轉(zhuǎn)換為4~20mA電流信號(hào)傳送至EM231模擬量輸入模塊進(jìn)行采集,同時(shí)根據(jù)流量量程(本系統(tǒng)中為0~5000L/h)進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換計(jì)算后輸出實(shí)際的流量值。計(jì)算時(shí)e(k) =給定值-測量值,ec(k) =
    其中給定值為4 000 L/h, t為EM231模塊轉(zhuǎn)換時(shí)間,取為0.02 s。計(jì)算后將e(k),ec(k)存入PLC存儲(chǔ)區(qū)中; (3)模糊化處理即通過量化因子將e(k)、ec(k)從其基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊論域中; (4)查詢模糊控制查詢表; (5)精確控制量參數(shù)輸出給PLC中常規(guī)PID控制指令來對流量進(jìn)行控制。
    實(shí)際效果表明系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)量和振蕩幅度小、達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間變短,滯后問題得到了解決。
                 
    5.2.2　模擬量信號(hào)的量程轉(zhuǎn)換
    本系統(tǒng)中的所有模擬量輸入均為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)為6 400~32 000[5],轉(zhuǎn)換公式為:
    [(in1-6 400)×(Limit_h-Limit_l) /25 600]+Limit_l式中: in1———采集信號(hào)轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)值;Limit_h、Limit_l———量程校正上、下限值。
    5.2.3　模擬量采集數(shù)字濾波處理
    由于現(xiàn)場干擾源比較多,為了盡可能的減少各種噪聲干擾,本系統(tǒng)中的溫度、流量、電導(dǎo)、pH等模擬量輸入信號(hào)在由模擬量采集模塊EM231進(jìn)行采集后,均進(jìn)行了數(shù)字濾波處理。處理流程分兩步:(1)剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異值。依據(jù)誤差理論與數(shù)據(jù)處理理論,選擇羅布斯準(zhǔn)則[6]對奇異值進(jìn)行剔除,設(shè)采樣值為x服從正態(tài)分布,則采樣值的數(shù)學(xué)期望
                 
6、結(jié)束語
    利用PLC和W inCC開發(fā)的雙腔換熱器監(jiān)測系統(tǒng),界面友好,功能全面。根據(jù)系統(tǒng)對流量控制的要求,利用模糊PID控制器對流量控制進(jìn)行改進(jìn),控制精度得到提高,滯后問題得到改善。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于新疆某石化企業(yè),系統(tǒng)投入運(yùn)行后穩(wěn)定可靠,運(yùn)行良好。