基于PLC和WinCC智能双腔监测换热器系统

1、引　言

　　随着我国人口的不断增加和工农业持续发展全国淡水资源日益紧张。为了节约用水,在我国石油、化工、电力、钢铁、冶金等企业正在逐步采用循环水冷却系统代替了原有的直流冷却水系统。循环冷却水在循环的过程中,必然会带来结垢,金属腐蚀和微生物滋生等问题,严重影响了工业生产的正常运行,同时循环冷却水的浓缩倍数也呈上升趋势,监测换热器很好地模拟了工业现场换热器的运行,监测腐蚀、结垢状态,在水质监测领域得到广泛使用[1,2]。①

2、系统简介

　　系统采用分布式控制系统结构,由上位机和现场设备构成。系统上位机采用W inCC组态软件开发监控界面,能够完成实时监测和数据动态显示、异常报警、报表制作、趋势分析等管理任务,并配有5.7寸触摸屏,使监测及控制更便捷。分布于现场的西门子PLC、智能监测仪表及现场传感器,作为该监测系统的下位机,完成换热器实时数据采集及对质量指标进行自动控制的功能。

3、系统控制要求

　　本系统中的换热器为双腔换热器,分为碳钢试管和不锈钢试管,工艺流程图如图1所示。本系统的监测点有碳钢管进口温度、碳钢管出口温度、碳钢管蒸汽温度、不锈钢管进口温度、不锈钢管出口温度、不锈钢管蒸汽温度、给水pH、给水电导率、补水电导率、循环水电导率、给水浊度、碳钢管腐蚀率、不锈钢管腐蚀率、进水流量、蒸汽压力、电动阀开度。使用自力式压力调节阀对蒸气压力进行控制。通过一路4~20mA信号,对流量阀进行控制,流量控制有自动和手动两种模式可供选择。
                    

4、系统硬件设计

　　 4.1　硬件配置

　　PLC部分包括中央处理器CPU 224 XP,模拟量输入模块采用EM231、EM231RTD模块,模拟量输出使用CPU 224 XP自带的一路模拟量输出。腐蚀监测设备为FSY-3型腐蚀在线检测仪。采用美国米特罗公司生产的流量计、pH计、电导率检测仪表。浊度仪为美国哈希浊度仪。

　　4.2　系统结构与工作原理

　　现场各仪表测量各个检测、输出点的信号(4~20mA),送到PLC的模拟量输入模块。PLC接受来自仪表的信号并按仪表的量程和仪表的修正系数的不同,经梯形图程序转换计算后送到上位机,W inCC软件显示与处理,同时可按照操作员设置的控制方式来控制现场的流量泵和电磁阀进行补水、排污等工作。

　　通过Modbus协议与W inCC组态软件进行实时通讯,主要用于监测进口温度、出口温度、蒸汽温度、污垢热阻、沉积速率、垢层厚度等。监控系统结构图如图2所示。
                 
5、系统软件设计

　　5.1　上位机监控软件开发

　　上位机监控软件(人机界面)的开发基于西门子公司的SIMATICW inCC组态软件,该软件功能强大,包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统,使用MicrosoftSQL Server 2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库,可以使用ODBC、DAO、OLE-DB、W inCCOLE-DB和ADO方便地访问归档数据,强大的标准接口,如OLE、ActiveX和OPC,可以方便地和其他应用程序交换数据[3]。

　　系统监控部分,包括对各系统参数的显示、污垢热阻、pH、温度等的实时曲线和历史曲线的绘制,主要功能如下：

　　(1)弹出式主菜单:包括主界面、参数显示、流量控制、曲线显示、设置装置参数、打印、校时等功能选项。
　　(2)流程图及参数显示界面:用以实时、动态地反映系统的运行状况。
　　(3)趋势曲线:对污垢热阻、pH、温度等进行实时曲线和历史曲线的绘制。
   　 (4)报警功能:对超过安全线的各参数进行报警、提醒故障类型、报告故障位置、进行历史记录。
   　 (5)校时功能:由于系统需不定期的记录碳钢试管和不锈钢试管的污垢热阻计算时间,实时性较高,为防止可编程控制器的内部时钟由于误差,或者掉电造成时间偏差,需要进行校时,按下校时按钮后会自动将可编程控制器的内部时钟设置为PC时钟。

   　 5.2　主要功能模块设计

  　  5.2.1　流量Fuzzy-PID控制器设计

　　本系统中有碳钢试管和不锈钢试管两个管路,两路的流量由系统总流量经过加权分配后得到,为保证两个管路流量的稳定,需对系统总流量进行控制,对控制精度,实时性要求比较高。由于存在气泡及控制机构的摩擦、噪声等干扰因素,在进行了传统PID流量控制试验的情况下发现超调及振荡都较大,效果不理想,控制精度达不到要求而且有明显滞后现象。采用模糊PID控制器进行改进,设计针对系统总流量的模糊控制器。采用二维模糊控制,流量给定值(设为4 000 L/h)与精确测量值偏差为e,偏差变化率为ec,E和EC分别为e和ec模糊化后的模糊量。控制器结构图如图3所示。
                   
　　当系统正常运行情况下,总流量设定值SV =4 000L/h,偏差e =SV-PV,PV为流量的实际测量值。设流量的变化e的基本论域为[-60, +60],选定E的离散论域X为{-3, -2, -1,0,1,2,3},e的量化因子Ke=3/60=0.05。

　　设流量的变化率ec的基本论域为[-15, +15],选定EC的离散论域Y为{-3, -2,-1,0,1,2,3},ec的量化因子Kec=3/15=0.2。设控制变化u的基本论域为[-10, +10],选定U的离散论域Z为{-4, -3, -2, -1,0,1,2,3,4},则得u的量化因子Ku=10/4=2.5。

　　语言变量E、EC、U分别选取七个语言值:NB、NM、NS、O、PS、PM和PB。

　　e, ec和u的隶属函数均取三角形,其中NB、NM、NS、O、PS、PM、PB分别表示很大、较大、偏大、适中、偏小、较小、很小。控制规则选用“ifeandecthenu”[4]的形式,通过对现场控制过程和专家控制经验得到控制规则表后,根据模糊推理法求出相应的模糊关系R,求出模糊控制查询表。如表1所示。

　　在设计好的模糊PID控制器的基础上,将模糊PID算法在PLC中实现: (1)量化比例因子的初始值存入PLC的数据存储区中; (2)通过流量计测量转换为4~20mA电流信号传送至EM231模拟量输入模块进行采集,同时根据流量量程(本系统中为0~5000L/h)进行量程转换计算后输出实际的流量值。计算时e(k) =给定值-测量值,ec(k) =
　　其中给定值为4 000 L/h, t为EM231模块转换时间,取为0.02 s。计算后将e(k),ec(k)存入PLC存储区中; (3)模糊化处理即通过量化因子将e(k)、ec(k)从其基本论域转换到相应的模糊论域中; (4)查询模糊控制查询表; (5)精确控制量参数输出给PLC中常规PID控制指令来对流量进行控制。

　　实际效果表明系统响应速度快、超调量和振荡幅度小、达到稳态所需的时间变短,滞后问题得到了解决。
                 

　　5.2.2　模拟量信号的量程转换

　　本系统中的所有模拟量输入均为4~20mA的标准信号,经过模拟量输入模块转化的数字信号为6 400~32 000[5],转换公式为:[(in1-6 400)×(Limit_h-Limit_l) /25 600]+Limit_l式中: in1———采集信号转化后的数字信号值;Limit_h、Limit_l———量程校正上、下限值。

　　5.2.3　模拟量采集数字滤波处理

　　由于现场干扰源比较多,为了尽可能的减少各种噪声干扰,本系统中的温度、流量、电导、pH等模拟量输入信号在由模拟量采集模块EM231进行采集后,均进行了数字滤波处理。处理流程分两步:(1)剔除采样数据中的奇异值。依据误差理论与数据处理理论,选择罗布斯准则[6]对奇异值进行剔除,设采样值为x服从正态分布,则采样值的数学期望
                 
6、结束语

　　利用PLC和W inCC开发的双腔换热器监测系统,界面友好,功能全面。根据系统对流量控制的要求,利用模糊PID控制器对流量控制进行改进,控制精度得到提高,滞后问题得到改善。目前该系统已经应用于新疆某石化企业,系统投入运行后稳定可靠,运行良好。

http://www.51spjx.com/tech-detail/t213564.html