基于S7-400PLC的动态矩阵预测控制在甲醇汽油在线调配过程中的应用

2014-08-02师亚娟

化工自动化及仪表 2014年10期

师亚娟

(陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西咸阳 712000)

甲醇汽油是车用燃料替代品，以其经济、安全及环保等优点受到青睐，是新能源的重要组成部分[1]。现代工业对象结构、参数和环境的不确定性，导致按理想模型得到的最优控制往往不能保证最优[2]。如何实现高精度、高效率的配料是生产甲醇汽油的关键。于是，人们开始打破传统方法的约束，试图寻找对模型要求低、控制综合质量好、在线计算方便的优化控制新算法[3]。目前，在工业高级过程控制中多使用集散控制系统，其核心部分是PID控制算法，但其无法较好地解决现代工业生产中的新问题[4]。因此，笔者对传统PID控制算法进行改进，提出一种基于动态矩阵预测控制的控制策略[5]，具有适应性强、响应速度快、超调小、调节时间短及鲁棒性强等优点。

1 动态矩阵预测控制①

1.1 DMC控制算法

DMC算法是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法，适用于有时滞、开环渐近的非最小相位系统，对系统的模型要求不高，而且具有在线滚动优化、反馈校正的特征，使得控制效果优于其他算法。利用预测模型来预测未来时刻被控对象的输出变化和被控变量与其给定值的偏差，可以得到比常规控制更好的控制效果。预测控制不是用一个全局相同的优化性能指标，而是优化在每一采样时刻点的相对优化性能。不同时刻的优化性能指标是不同的，因此优化不是一次进行，而是反复在线修正，这就是滚动优化。为了防止模型失配或者环境干扰引起控制对理想状态的偏离，对未来的误差预测加以补偿或者根据在线辨识原理直接修改模型。因此DMC算法不仅基于模型，而且利于反馈信息，可构成闭环优化。

1.2 DMC算法的参数设定

(1)

式中M——控制时域；

P——优化时域；

qi、rj——权系数，表示对跟踪误差和控制量变化的抑制。

2 硬件设备和硬件组态

2.1 控制系统配置要求

DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物，适应各种过程控制的要求，工业现场DCS的控制原理如图1所示。某石油化工有限公司甲醇汽油控制系统共有原料储罐和调合储罐16座、甲醇汽油配比和罐区监控管理控制系统一套(包括两条在线调合控制系统)、汽车定量发油控制系统一套。该项目中16个罐区要求全部设置液位报警；罐区、调合区、发油区要求设置可燃气浓度超限报警；对汽油、甲醇和添加剂3种液体实现按照比例自动调配控制。

图1 工业现场DCS控制系统原理

2.2 硬件组态

该项目DCS控制系统采用西门子最新S7-400系列的PLC，由于S7-400的CPU处理速度较S7-300、200快，具有冗余功能存储容量大、I/O扩展功能强、运行速度高及通信能力强等优点，其CPU资源裕量增加，内存空间变大，工作中循环周期更短，现场级通信连接性能好，选用的主控制模块为CPU412-1(型号6ES7 412-1XJ05-0AB0)。根据系统要求和功能选择合适的系统模块、通信网络及余量等，具体为：

a. 将液位传感器、压力传感器、温度传感器、浓度传感器采集的信号作为模拟信号输入，传感器输出的4～20mA标准电流信号传送给PLC系统的模拟量输入通道，最大阻抗为250Ω，I/O模件能直接连接二线制变送器，而不采用电压分配器方式，选用模块为SM331/AI8。

b. 数字量输入为阀门开度状态反馈，选用模块为SM321/DI8。

c. 模拟量输出为阀门开度控制，驱动回路阻抗大于750Ω的负载能力，选用模块SM332/AO4。

d. 数字量输出为控制泵的启、停，用电隔离输出，隔离电压不小于250V，选用模块SM323/DO16。

e. PLC系统的供电系统为PS407，是西门子公司设计的S7-400PLC专用24V直流电源。电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块的消耗功率之和，并且要留有30%左右的余量。根据这个原则，选择系统的供电模块为额定电流是4A的PS407模块。

f. 采用工业以太网通信处理器CP443-1，直接将S7-400集成到100Mbit/s的工业以太网中，通过工业以太网直接调试，不需要现场PG。

g. 系统扩展，根据厂家提供的控制要求和对现场设备进行远程操作的需要，确定整个系统所需I/O点数为156点，其中模拟量输入为136点，模拟量输出为4点，数字量输入为6点，数字量输出为10点，主要包括仪表控制点、电机控制点、调节阀和电动控制点。另外，考虑到一些未知情况，需额外预留15%的备用控制点数。控制器CPU负荷率不大于60%，操作员站服务器CPU负荷率不大于40%。

3 软件设计

PLC编程软件采用西门子的STEP7 V5.4 SP2版本开发平台。在离线状态下，可模拟与现场设备相连接进行离线仿真，得到良好的控制效果。用户程序包括组织块(OB)、数据块(DB)、功能块(FC、FB)，系统使用循环扫描的方式执行程序。根据工艺生产过程和系统控制要求，主要有模拟量采集子程序、量程标度变换子程序、电机联锁启/停子程序和故障报警子程序。

采用WinCC V7.0 SP2开发平台组态人机界面，包括控制画面、报表打印、流量累计记录、可燃气体超限报警及历史趋势等，为整个项目DCS控制系统提供安全、可靠的生产前提。甲醇汽油调配监控管理系统(上位机)、容积式流量计、防爆电动调节阀及西门子S7-400PLC系统控制柜等设备构成甲醇汽油调配控制子系统(图2)。

图2 甲醇汽油调配控制子系统示意图

FB41为连续控制的PID(图3)，用于控制连续变化的模拟量，实现不同控制功能的数值接口和地址参数。主要包括PID控制中比例、积分、微分的控制参数接口和使能控制端口、系统设定值、外部检测输入端口、功能块参数重新设置及手/自动转换等。

图3 FB41功能模块

4 动态矩阵预测控制算法在DCS控制系统中的实现

DMC是一种基于对象阶跃响应的预测模型，具有在线滚动优化、反馈校正的特征，使得其控制效果优于其他算法，适用于有时滞、开环渐近稳定的非最小相位系统。该项目中的控制对象是电动阀门，其阶跃响应参数采样简单，易于获得DMC算法的模型向量。若模型失配时，可获得无静差控制。在甲醇汽油调配控制系统中,汽油、甲醇、添加剂分别是独立的流量调节系统，给定值通过计算机输出，采用流量计监测管道流量计算瞬时流量，调节阀开度调节各管道物料的分流速度，达到比例调节控制的目的，图4为该项目物料自动调合界面。

图4 物料自动调合界面

PID控制系统有手动控制和自动控制两种方式。选择手动控制时，操作人员手动操作现场控制柜，实现变频器手动控制，完成电机的启动及停止等动作。选择自动控制时，控制系统实时检测现场设备的压力及液位等信号，自动对电机的转速进行调整。需要注意的是：在切换到自动前，一定要先手动调节，当实际检测值和设定值相差不大时再切换到自动控制状态。这样既提高了调节速度，又减少了阀门的动作次数，延长了阀门寿命。甲醇流量的PID控制如图5所示。

图5 甲醇流量PID控制

5 仿真结果

在集散控制系统中，通常将OPC接口作为监控计算机、其他计算机和来自不同厂家的设备之间进行通信的方式。由于OPC技术有可移植性强、代码可重复利用率高及开发难度小等优点，所以在DMC算法应用到本项目的DCS系统时，把WinCC和Matlab设置成OPC接口，WinCC可将现场采样的数据样本通过OPC送到上位机Matlab中，用DMC算法对现场数据进行分析计算，得到最优控制方案，实现对现场设备的实时控制。

被控对象传递函数为：

(2)

在DMC仿真中，令时域P=8，控制时域M=2，输出设定值与参考轨迹r=1，对于小时滞过程，其余参数选取与PID同样的值。经过仿真可得其阶跃响应如图6所示。

图6 常规PID控制和DMC的阶跃响应

由图6可知，DMC的超调量明显小于PID控制，调节时间比PID控制的短，而且抗干扰能力比较强。P参数越小，动态响应越快，但该系统是有惯性的，P参数变化后，实际的PV值变化需要一个过程，因此实际系统中比例作用不宜过强，过大的比例系数会使系统产生较大的超调量和振荡，稳定性会下降。将积分调节引入对稳态误差进行积分，使系统的PV值保持稳定，PV值逼近于SP值，达到无差调节，进而微分调节对比例和积分控制进行补偿，使超调减小，稳定性增加，对系统扰动的抑制能力减弱。整个过程中的数据都是在线进行，两种方式的仿真结果表1。可以看出，系统有很好的跟踪性能、鲁棒性和强大的抗干扰能力。