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电磁流量计在质子加速器冷却水自控系统的应用研究

来源:作者:发表时间:2018-03-07 09:02:39

 [摘 要]论述质子加速器冷却水自控系统,对冷却水系统设备合理地联动控制和监测,实现冷却水系统的自动运行。以二次循环水控制系统为例,系统采用 PID 控制方法,实现系统自动调节,保证出水温度满足工艺要求。

 
        质子加速器主体设备由数量巨大的磁铁构成,在运行过程中将产生巨大的热能,且由于其辐射防护要求,设备安装在一个密闭的区域,故能更好地管理,做到现场无人值守及管理调度,数据便可自动存储及分析自动化。由于二次循环水温度的稳定性直接影响一次水的控制质量,故在实际工程中与相关高校科研人员共同应用开发了这套冷却水自控系统。
 
1 系统组成及功能
        冷却水自控系统以 DCS 为核心,通过以太网连接上位机,配以各类物理传感器,包括电磁流量计、物位计、一体化压力变送器、温度传感器等,同时针对工艺要求配备了各类水质仪表,包括 pH 检测仪、电导率等分析仪。工况网络控制站采用 HC900控制器和 I/O 硬件,DCS 柜内控制器及 I/O 模块。
 
1.1 HC900硬件概述
        霍尼韦尔 HC900集成控制器具有32个回路控制功能,256个输入输出点,超过100多种类型的功能块。整个控制器的控制组态策略可超过2 000个功能块。通过以太网络 HC900集成控制器间可进行点对点的通讯。高精度的通用模拟量输入和具有自整定功能的 PID 控制算法可满足各种控制精度的要求。HC900集成控制器通过10 MB 的 TCP/IP 以太网络与监控
 
        管理网络上的 PlantScapeVista 系统工程师站和操作员站互联。开放的 Modbus/TCP 协议可以和 PlantScapeVista 系统整合,为用户提供精美互动的人机操作界面。同时通过 OPC 连接功能可与许多第三方系统互联并进行双向的系统访问。通过以太网络连接的远程扩展机架可放置在现场设备附近,节省现场敷设电缆的成本。
 
        另外,用户可通过电子邮件方式发送报警信息或事件消息给工厂的消息管理中心或远方的管理机构。PlantScapeVista/HC900集散控制系统采用具备工厂网络管理功能的 Microsoft-
Windows2000服务器 / 客户机系统结构,其主要技术特征如下。
        (1)HC900集成控制器为您提供灵活可靠的控制功能。(2)采用面向对象的组态,开发工具 HCDesigner 能帮助用户快速地创建各种应用要求的控制策略。(3)采用 ModbusTCP 以太网络,为用户提供安全开放的网络连接。用户采用阵列式设定点程序功能非常方便地完成处方和预置模型的批量过程控制要求。每个 HC900集成控制器支持逻辑控制和64步时序控制,方便用户完成大多回路和逻辑的混合控制要求。紧凑的4槽、8槽或12槽控制机架与高密度的输入输出模件大幅节省了机柜的占用空间。
 
1.2 HC900界面优势
        自控系统下位机 DCS 编程软件为 HC900 Designer,用于DCS 软件编辑 ;上位机采用霍尼韦尔集成安全的 Internet 浏览器功能并采用霍尼韦尔专利技术 HMIWEB 的用户管理操作界面并为用户提供各种在线生产管理信息,特点如下。
        (1)提供逼真的三维工业图库并预制300幅过程监控画面。
        (2)采用最新的开放技术标准如 ODBC、高级 DDE、VisualBasic、OPC 和 ActiveX 构成开放型控制与信息管理系统。(3)在线的资料手册和操作规程辅助工具为用户的工程组态、维护和操作提供了极大的方便。(4)以太网络支持 HC900集成控制器之间点对点的通讯。(5)报警或事件信息不仅可在操作员站上显示,也可通过电子邮件的方式送出相关信息。PlantScapeVista 系统实时数据库包括 HC900控制器和1042彩色液晶操作员盘一体化及各种第三方控制单元的完整数据信息,提供并行监控操作和数据分析、实时的过程画面网络浏览功能及与第三方系统的 OPC 数据交换功能等。集成了高可靠性的控制单元 HC900并采用先进的工程师组态维护工具 HCDesigner 和开放通讯网络 ModBusTCP 以太网络。该系统包含了当今控制领域各种最新的技术,如基于MicrosoftWindows2000的 PlantScapeVista 服务器采用高速动态数据管理,为用户提供报警和事件管理、人机接口界面、历史数据采集和自动报表生成等功能。
 
        上位机主要功能为 :(1)数据采集功能,自动显示、连续地检测并以工艺流程图的形式显示出系统的设备运行状态,温度、压力、流量、水质参数等数据 ;(2)报警显示,自动报警和主动采取事故预处理措施,防止事故的发生和扩大,达到保护人身和设备的安全 ;(3)趋势显示,根据 DCS 上传的数据信息,绘制趋势曲线图,并制作报告和报表、系统诊断报告。冷却水自控系统主要对工艺水流量、液位、压强、温度、悬浮物 pH 值等及各水泵风机等运行参数进行数据采集。根据水温度设定对二次循环水三通阀进行开度控制,同时根据温度控制板式交换器水量达到自动控制一次水温目的,对冷却塔风机控制及二通阀开度调节控制维持二次要求水温 ;通过管道压强反馈控制一、二次循环水补水量等。
 
2 二次循环水PID控制
2.1 二次冷却水系统设备
        二次循环水系统主要设备包括循环水泵、冷却塔、板热交换器、闭式水箱、旁通调节阀以及水温、水位、水量、水压等传感器(图1)
二次冷却水系统流程
2.2 二次冷却水控制流程
        (1)系统启动后,主要运行参数及设备状态需进行检测,包括冷却塔进水阀门、风机状态、水箱温度、阀门开度、二次水水泵状态、压力及电导率等。(2)根据一次水温,判定系统是否需要运行,若运行则先开启冷却塔进水阀,然后启动二次水泵。若水阀故障无法启动,则发送报警信号。(3)在水泵开启后,若水泵与旁通阀运行正常,调节冷却塔台数、冷却塔风机台数和频率及旁通阀开度,混合控制二次水温度。
 
2.3 二次循环水冷却塔风机和冷冻水旁通阀控制流程二次冷却水出水要求设定为26 ℃,要保证出水温度为26±2 ℃,PID 控制包含两种手段。
        (1)以26 ℃为控制目标,当冷却塔出水温度反馈高于26 ℃,则调高风机频率,若温度还是无法下降至26 ℃则增加一台风机 ;反之当冷却塔出水温度反馈低于26 ℃,则调低风机频率,若温度还是无法上升至26 ℃,则减少1台风机,控制逻辑如图2所示。
二次循环水冷却塔风机控制逻辑
        (2)冷冻水温度为7 ℃,当室外气候不适宜,冷却塔达到满负荷后水温仍然高于26 ℃,冷冻水将参与二次冷却水调控。以26 ℃为控制目标,二次循环水在经过冷却塔冷却后进入板式交换器,依据板式交换器出水温度反馈 PID 控制调节旁通阀的开度控制冷冻水流量,从而稳定水温为26 ℃,控制逻辑如图3所示。
冷冻水旁通阀控制逻辑PID控制结构
2.4 PID控制分析
        本系统使用霍尼韦尔的 HC900控制器,从软件上已集成了常规的 PID 控制功能模块。在使用时可直接调用该模块,设定输入输出和 PID 参数,然后根据现场实际运行情况进行参数整定,PID 控制结构如图4所示。二次循环水系统冷却塔控制系统,将冷却塔出水温度 T2(图1)作为控制对象,设定值是二次循环水的设定温度。同时,PID控制模块与水泵的开关信号连锁,当水泵处于运行状态时,PID控制模块才能正常运行。对于旁通阀的控制,板式交换器出水温度T3(图1)作为控制对象,设定值是二次循环水的设定温度。
 
        正常情况下,单位反馈下冷却塔控制系统扰动下输出和误差信号 :
        20171227090704.jpg
 
        式中 :G1(s),G2(s) 为传递函数 ;T(s) 为输入信号 ;T1(s)为扰动输入。
当 |G1(s)G2(s)>>1 且 |G1(s)|>>1 时,T2(s) ≈ T(s),E(s) →0,这样实现了输出值近似等于要求设定输入值,满足控制要求并对扰动具有较强的抑制能力。同理,冷冻水直接调节水温时,该控制系统扰动下输出及误差同上述结果。
 
3 结束语
        本文主要论述了基于上海瑞金医院肿瘤(质子)中心工程项目的质子加速器冷却水自控系统硬件配置组成和上位机图控界面设计及功能,同时以二次循环水控制系统为例,为达到工艺要求水温,详细地研究了二次循环水冷却塔风机和冷冻水旁通阀的 PID 控制方法。目前依照本文研究的控制方法现场调试成功,系统已进入试运行状态,整个系统运行稳定可靠。
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