摘要：“理实一体”教学实训平台是现在主流的实训装置，其中浙江中控的JX-300XPDCS控制系统是主要的控制系统，但是JX-300XPDCS控制系统的控制对象中温度控制和液位控制一直存在时滞、非线性、时变性的问题，通过分析和数据梳理，将DCS与先进控制方法Smith相结合，利用Matlab针对其进行仿真研究，且以理论的控制方法与实际的DCS控制相结合，为复杂控制对象提供新的控制参考方式，从而完善DCS的控制。
关键词：JX-300XP；模糊Smith控制；DCS控制
0引言
在工业生产过程中，时间延迟现象普遍存在。工业生产过程中温度控制是极其重要的一个环节，在石油、化工、热电行业中显得尤为重要。其中锅炉是上述行业中重要的动力设备。温度控制的精确和响应时间是锅炉控制的关键所在。在锅炉的温度控制中PID控制是主要的控制手段，在石油、化工、热电行业的温度控制中已经普遍应用。但是，随着工业的飞速发展，常规的PID控制已不能满足大时滞对象和一些温度控制相关性强的对象过程控制要求[1]。本文以吉林工业职业技术学院的教学培训平台为研究对象，通过分析该平台在常规温度控制和液位控制中存在的问题，设计了改进的模糊史密斯控制的先进控制方法。它们在MATLAB中进行了仿真。在此基础上将先进的控制算法应用于DCS系统。
1控制对象
控制对象是吉林工业职业技术学院自行研制的“DCS&FCS生产过程控制实训装备”，其工艺流程图如图1所示。1#精馏塔工艺流程叙述：来自罐区的乙醇和水进入原料储罐（G-101）中进行混合与预热，预热至30℃的原料混合液经进料泵B-102送入1#精馏塔（T-101）中进行气液分离。塔顶蒸气经塔顶冷凝器（H-101）冷却至45℃流入塔顶回流罐（G-102）中，回流罐内的液体用回流泵（B-104）抽出，一路打入精馏塔塔顶作冷回流，以稳定塔顶的温度和压力；另一路作为塔顶产品出装置，出装置液体分为二路：一路经管线去2#精馏塔（T-102），第二路经管线去进料罐（G-104）。塔顶温度控制在91℃左右，塔顶压力控制在0.2MPa以下。其主要控制的加热和储水设备如表1所示。“DCS&FCS生产过程控制实训装备”在实际的运行过程中，现场的检测参数有物位、压力、流量、温度、成分等多种参数，现场仪表对于在现场参数的检测也是对应着不同型号、不同检测原理的多样检测仪表[2]，所以仪表的选型是一项操作性、理论性较强的工作，即使用方便、安全、性价比较高[3]。下面是按照主要的工艺设备板式精馏塔对其进行检测仪表的选型工作。具体仪表选型如表2所示。由于篇幅有限，本文仅对下列重要检测仪表进行选型。1）差压变送器。工艺介质为乙醇水溶液，工艺要求操作压力为0～0.1MPa，环境温度为-40℃～37℃，操作温度为98.9℃～120℃。智能型输出信号为4mA～20mA，电源为24V外部供电。根据工艺要求，测精度为±0.75%，选择罗斯蒙特3051差压变送器，量程为0.3MPa，仪表的性能特点是：罗斯蒙特3051差压变送器通过基于互联网的CoPla-narTM平台可以进行升级，操作方式简单方便。罗斯蒙特3051C差压变送器其性能保证了不同情况下的准确度和鲁棒性。其工作原理是在压力通过灌充液传导给在高低测的隔离膜片使其受压，受压的同时通过灌充液将压力传导到中心的膜片传感器上。传感膜片主要的性能是可产生形变的弹性元件，它的弹性位移随着压力的变化而进行形变。传感膜片的移动范围是0～0.1mm，压力的大小与实际位移量成正比例关系[4]。传感膜片在空间中的位移通过在两侧的电容基板进行检测。在检测过程中的膜片和极板之间的电容量转换成对应的电流量，输出对应数字量(HART通讯协议)或电压。2）弹簧管压力表。工艺介质为乙醇水溶液，工艺要求操作压力为0～0.1MPa，环境温度为-40℃～37℃，操作温度为98.9℃～120℃。工艺参数要求不高，可以就地指示，根据工艺要求，测精度为±1.6%，根据以上要求，选择弹簧管压力表，量程为0～0.16MPa，该仪表的特点是：结构简单，使用方便，价格低廉，易于操作，精度较高，方便维护维修。3）执行器选择。气动单座调节阀：管段号P-10103，工艺条件介质是乙醇、水，流量正常是100kg/h，最大120kg/h，操作温度97.9℃，阀前压力0.2MPa，阀后压力0.3MPa，最大关闭压差0.2MPa。根据工艺要求，选择设计温度为120℃，流量特性为等百分比，定位器为智能型、单作用，定位器输入信号4mA～20mA，电源24V的气动单座调节阀，根据介质的安全性选择本质安全防爆的气动调节阀，选择经济性实用的执行器，具体型号为ZJHP系列气动薄膜单座调节阀，其优点是：该系列产品单座阀顶导向式，在使用过程中具有结实耐用的特点。同时具有简单的结构、密封性好、介质流量大的特点。在实际使用过程中，在小开度时发生震动其本身自带的顶部导向系统具有克服机械位移，工作时间更长，工作效果更加明显。ZJHP型气动薄膜单座调节阀主要由阀座和执行机构组成，执行机构由气动多弹簧薄膜组成，阀座是低流阻单座阀体。执行机构整体组成严密、流体流动通畅，整体质量小、高度低、装卸调校方便，整个的流量系数较大。气动薄膜单座调节阀使用方便，有较高的准确性、动作行程稳定、可调行程大的特点。在实际使用过程中取得了高品质的控制效果。
2改进的模糊Smith控制在DCS控制系统中应用
经过前期仿真，改进的模糊史密斯控制算法在对时滞系统中的应用是可以解决以上问题的，目前在工业控制领域中浙江中控的jx300XPDCS控制系统是主流，通过对浙江中控jx300XPDCS控制系统的二次开发，将先进控制算法融入到DCS系统中，使其达到先进控制的目的。针对实训教学平台总的DCS控制系统，选取其中的控制站、工程师站进行控制算法的的融合，具体操作如下：BSCX模块是在自定义的回路中用来声明单回路的程序模块，用它来确定控制回路的输入输出，组成一个完整的控制回路。模块中的序号N和自定义回路中的声明对应，并通过该序号将自定义回路中的位号引入到监控画面中，操作员可以通过监控画面对BSCX进行参数设置。在BSCX中有很多参数可以供选择，具体的设置参数符号如图2所示，模块的所有运算过程如图3所示[5]。由于在实际的底层控制算法中，没有改进型算法适用于DCS控制系统中，在DCS中采用SCX语言编程来实现改进型控制算法。本语言建立的控制算法是离线计算，通过Matlab软件进行仿真计算输出，通过此操作可以大大减少计算量。通过以上操作对DCS控制系统进行自定义组态，同时进行工艺流程图的绘制，标明其中监控对象和控制点，做好温度控制对象和液位控制对象的组态工作，其中对液位控制对象其控制作用是电动调节阀，利用电动调节阀的开合程度来调节液位的高低。在具体程序编写时，需要充分考虑设备内部联锁的功能、设备与外部联锁功能和设备当前状态判断等。另外，出于生产安全考虑，对于电动阀门的启动和停止按钮必须采用一字节变量定义，并且必须在输出端用普通线圈进行复位。进料阀电动阀门XV_10114需要进行控制，其中K_10114和G_10114一字节变量，分别控制电动阀门的开与关；ZS0_10114和ZSC_10114为开入量，分别显示电动阀门已开（开反馈）和电动阀门已关（关反馈）；XV_10114为开出量，代表这个输出开关信号。S_10114为确定复位按钮，D_10114为设备状态，数据类型为整型，具体图形化程序如图4所示。
3结论
通过以上的研究在DCS组态上做了一些新的尝试，使先进算法中的史密斯与模糊控制有机的结合，实现了DCS控制在功能上的扩展，可以快速消除迟滞控制，方便地调整和改进参数，对控制器中的误差量化因子、滤波时间常数进行调整，通过两种先进控制算法的结合解决了在实际控制中的一些现实问题，改变了实训装置过程控制装置局限于常规PID控制的状态，由以前的控制算法的仿真到控制应用的转变，对生产过程中的时滞、响应时间较长等具有一定的借鉴作用。
作者:王升升 单位:吉林工业职业技术学院