高 哲， 李旭東， 王 珊， 羅會(huì)遙， 汪 沛

(遼寧大學(xué) 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036)

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SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的蒸發(fā)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 哲， 李旭東， 王 珊， 羅會(huì)遙， 汪 沛

(遼寧大學(xué) 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036)

針對(duì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中存在的一些缺陷，設(shè)計(jì)了基于SMPT-1000仿真設(shè)備的蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)，模擬了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的蒸發(fā)器裝置的工藝流程。利用PCS7集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和西門(mén)子PLC400控制器，完成了基于PROFIBUS總線(xiàn)的硬件組態(tài)。利用CFC功能, 實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)器的溫度、液位和流量的PID控制及其控制器參數(shù)整定。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，控制方案具有較好的實(shí)用性和可靠性，設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際裝置, 是一個(gè)較為理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái); PCS7; 過(guò)程控制系統(tǒng); 蒸發(fā)器; PID參數(shù)整定

0 引 言

蒸發(fā)器設(shè)備是一類(lèi)有相變的換熱裝置，是通過(guò)加熱,使溶液濃縮或者從溶液中析出物質(zhì)的設(shè)備，主要控制指標(biāo)是最終產(chǎn)品的濃度，在過(guò)程工業(yè)中廣泛應(yīng)用于濃縮、提純等工藝[1]。然而，蒸發(fā)器是一個(gè)比較復(fù)雜的被控過(guò)程,其多輸入、多輸出、非線(xiàn)性的特性，因此對(duì)蒸發(fā)器的控制就顯得十分重要[2]。采用SMPT-1000蒸發(fā)器仿真設(shè)備，避免了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作的危險(xiǎn)性，極大地減少了各方面消耗[3]。同時(shí)，采用仿真設(shè)備，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)不合規(guī)定的狀況，可及時(shí)停工，從而可重啟實(shí)驗(yàn)， 而這種情況對(duì)于實(shí)物操作是不允許的。因此，通過(guò)西門(mén)子SMPT-1000蒸發(fā)器裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行先進(jìn)PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而在蒸發(fā)器投運(yùn)后達(dá)到對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程的理想控制。

目前，基于西門(mén)子SMPT-1000的蒸發(fā)器裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了加熱爐物料出口溫度、煙氣含氧量、爐膛壓力和物料入口流量的控制[4]。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)了加熱器供氣系統(tǒng)的各組分氣體的流量控制轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫刂品桨竅5]。對(duì)SMPT1000 中的自循環(huán)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行控制，在西門(mén)子PCS7上完成STEP7 和WinCC 的組態(tài)設(shè)計(jì)、編程以及調(diào)試[6]。 以鍋爐過(guò)程為被控對(duì)象, 以SIMATIC PCS 7 BOX 為控制設(shè)備, 設(shè)計(jì)了完整的鍋爐控制系統(tǒng)等[7]。

本文以SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，詳細(xì)介紹了蒸發(fā)器設(shè)備的相關(guān)工藝流程以及控制參數(shù)的調(diào)節(jié)?；赑CS7的先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)，通過(guò)在SIMATIC 400中進(jìn)行硬件組態(tài)以及在CFC中進(jìn)行軟件組態(tài),利用PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行連接。同時(shí)采用臨界比力度法與經(jīng)驗(yàn)整定法相結(jié)合的PID參數(shù)整定方法，以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器液位、出口流量及溫度的控制。

1 蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 蒸發(fā)器的工藝流程[8]

蒸發(fā)器作為典型的換熱裝置，實(shí)現(xiàn)了稀液的提純和過(guò)熱蒸汽的循環(huán)利用，輸出的濃縮液不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，更重要的是，蒸發(fā)器控制了濃縮液的出口流量，使提純過(guò)程可以有條不紊的持續(xù)運(yùn)行著。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)器的自動(dòng)過(guò)程的準(zhǔn)確控制是當(dāng)務(wù)之急，利用西門(mén)子公司研制的SMPT-1000鍋爐裝置的蒸發(fā)器自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用過(guò)程控制的思路來(lái)對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行自動(dòng)控制，進(jìn)行先進(jìn)PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)器入口稀液進(jìn)行濃縮并達(dá)到對(duì)濃縮液的出口流量、蒸發(fā)器腔內(nèi)液位、溫度等一系列參數(shù)的穩(wěn)定控制，以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

圖1 蒸發(fā)器工藝流程圖

蒸發(fā)器主要由兩個(gè)部分組成：加熱室和蒸發(fā)室。加熱室向液體提供蒸發(fā)所需的熱量，促使液體沸騰汽化；蒸發(fā)室使氣液兩相完全分離，通常除沫器設(shè)在蒸發(fā)器的頂部。過(guò)熱蒸汽由控制閥輸入蒸發(fā)器，待濃縮的稀液由蒸發(fā)器的上部進(jìn)入蒸發(fā)器，輸入的稀液與過(guò)熱蒸汽進(jìn)行換熱，通過(guò)吸收過(guò)熱蒸汽的熱量而使稀液中的水分蒸發(fā)，變?yōu)槎握羝麖恼舭l(fā)器的頂部通過(guò)輸出控制閥排出，被帶走大量水分的稀液變?yōu)闈饪s液經(jīng)控制閥從蒸發(fā)器底部排出。最終，過(guò)熱蒸汽經(jīng)歷了一系列的換熱過(guò)程之后，變?yōu)槔淠畯恼舭l(fā)器內(nèi)排出。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

依據(jù)蒸發(fā)器的工藝流程，針對(duì)西門(mén)子公司研制的SMPT-1000的蒸發(fā)器裝置，稀液進(jìn)口控制閥：FV1201；過(guò)熱蒸汽控制閥：FV1105；二次蒸汽控制閥：FV1203；濃縮液出口控制閥：FV1202。其中，蒸發(fā)器液位為L(zhǎng)I1201，壓力為PI1201，溫度為T(mén)I1201。

分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)在國(guó)內(nèi)自控行業(yè)又稱(chēng)之為集散控制系統(tǒng)。針對(duì)此被控對(duì)象即SMPT_1000蒸發(fā)器，選擇中型規(guī)模的DCS系統(tǒng)。

軟件采用西門(mén)子公司的SIMATIC PCS7作為先進(jìn)的過(guò)程控制平臺(tái)，具有較高的穩(wěn)定性、可靠性，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于過(guò)程工業(yè)控制領(lǐng)域。

根據(jù)系統(tǒng)中的控制和安全需要，并充分考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，合理地選擇DCS系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備。選擇西門(mén)子SIMATIC S7-400系列CPU 414-5H作為過(guò)程系統(tǒng)控制器[9]。

工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速度非?？?， 通常用于連接管理級(jí)與控制級(jí)，PC機(jī)作為上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控[10]。PROFIBUS- DP由于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性較好，通常用于連接控制級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳[11-13]。過(guò)程控制級(jí)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)進(jìn)行通信，AS和分布式I/O之間通過(guò)PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行連接[14]。

圖2 電氣連接示意圖

2 蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用工程整定中的臨界比例度法的PID控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式以及適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)法進(jìn)行PID參數(shù)的整定[15]。

表1 臨界比例度法PID控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式

本實(shí)驗(yàn)選定蒸發(fā)器的溫度、液位、濃縮液出口流量為被控變量，以液位LI1201維持在50%的蒸發(fā)器，通以壓強(qiáng)3.8 MPa、溫度450 ℃的過(guò)熱蒸汽，使腔內(nèi)溫度穩(wěn)定在97 ℃，最終達(dá)到出口流量FI1202穩(wěn)定在2 kg/s的控制過(guò)程為例，并使其可以克服液位在40%～80%的擾動(dòng)，溫度在95～100 ℃的擾動(dòng)，說(shuō)明SMPT-1000蒸發(fā)器裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)先進(jìn)PID參數(shù)的調(diào)節(jié)過(guò)程。

2.1 控制方案

此次過(guò)程控制的最終目的是在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)液位、溫度的改變，設(shè)備經(jīng)短時(shí)自動(dòng)調(diào)整會(huì)最終穩(wěn)定在一個(gè)新的狀態(tài)，而對(duì)進(jìn)、出口流量影響甚小。對(duì)蒸發(fā)器來(lái)說(shuō)，溫度、液位、壓強(qiáng)、進(jìn)出口閥開(kāi)度這些量是相互耦合的。當(dāng)對(duì)其中某一變量進(jìn)行控制時(shí)，要先確定影響最直接的因素，將其作為操作變量，然后根據(jù)變量的變化規(guī)律，選擇適合的自動(dòng)控制方法，比如反饋控制、串級(jí)控制、前饋控制等。

與此不同的是，對(duì)于蒸發(fā)器上部的二次蒸汽出口閥，它是將稀液經(jīng)過(guò)熱蒸汽加熱后，形成的二次蒸汽排除的裝置，即為抽真空裝置。如果閥門(mén)FV1203處于全開(kāi)狀態(tài)，蒸發(fā)器頂部是處于微負(fù)壓狀態(tài)，相應(yīng)的壓力PI1201會(huì)降低，TI1201也會(huì)降低，此時(shí)若增加過(guò)熱蒸汽的進(jìn)料量，稀液蒸發(fā)加快，使?jié)饪s液量減少；如果FV1203全關(guān)，則由于稀液的蒸發(fā)無(wú)法排出，蒸發(fā)器的壓力增大，同時(shí)溫度急劇上升。所以，綜合本次實(shí)驗(yàn)考慮，將二次蒸汽出口閥FV1203開(kāi)度控制在5%較為合適。

(1) 進(jìn)行蒸發(fā)器出口流量控制。液位、溫度、壓力等均會(huì)對(duì)液位產(chǎn)生影響。在蒸發(fā)器液位為50%左右的條件下，針對(duì)流量響應(yīng)速度快的特性，對(duì)濃縮液出口流量采取單回路控制。

(2) 進(jìn)行蒸發(fā)器液位控制。蒸發(fā)器的進(jìn)口流量直接影響液位高低。而液位易受多種因素影響而發(fā)生擾動(dòng)，其本身抗干擾強(qiáng)度弱，因此對(duì)蒸發(fā)器液位采取液位—稀液入口流量串級(jí)控制，并以出口流量的前饋加以輔助。

(3) 進(jìn)行蒸發(fā)器溫度控制。過(guò)熱蒸汽的流量是影響蒸發(fā)器溫度的直接因素，濃縮液的出口流量及二次蒸汽的出口流量對(duì)蒸發(fā)器的影響微乎其微，為使對(duì)蒸發(fā)器溫度的控制有較強(qiáng)的抗干擾能力，采取蒸發(fā)器的溫度—過(guò)熱蒸汽流量的串級(jí)控制。

2.2 蒸發(fā)器的組態(tài)

本實(shí)驗(yàn)基于西門(mén)子公司新一代DCS產(chǎn)品PCS7的先進(jìn)冗余過(guò)程控制系統(tǒng)，對(duì)SMPT-1000蒸發(fā)器裝置的部分進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的配合，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制要求。其中，上位機(jī)通過(guò)wincc 6.0組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)器狀態(tài)的監(jiān)控；下位機(jī)通過(guò)S7-400的硬件組態(tài)與軟件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)SMPT-1000的數(shù)據(jù)采集和PID參數(shù)控制。PCS7先進(jìn)冗余過(guò)程控制系統(tǒng)由軟件和硬件2部分組成：

第1部分是硬件組態(tài)，基本步驟如下：

在SIMATIC 400中進(jìn)行硬件組態(tài)。在SIMATIC 400找到Hardware中，框架選擇SIMATIC 400中的RACK-400，框架型號(hào)為UR2ALU-H，CPU選擇CPU414-5H PN/DP模塊，在X2端口處接一條PROFIBUS DP總線(xiàn)，在總線(xiàn)上掛件：在PROFIBUS DP中Additional Field Devices的下級(jí)文件General，General的下級(jí)文件夾CONVERTER中找到PM125。在PM125中，設(shè)置Parameters中的address為7，設(shè)置I/O口數(shù)量及標(biāo)號(hào)所對(duì)應(yīng)的控制參量。設(shè)置16 b數(shù)字量通道 DI、DO 以及 8 b模擬量通道 AI、AO。在此步驟中可將各I/O口對(duì)應(yīng)的控制參量命名到相應(yīng)編號(hào)中，方便軟件組態(tài)控制。如圖3(a)所示。

建立網(wǎng)絡(luò)連接：首先，組態(tài)網(wǎng)卡，從硬件目錄中選擇SIMATIC PC Station的下級(jí)文件夾CP Industrial Ethernet文件夾，在其中找到IE General，選擇型號(hào)為SW V7.1，在硬件結(jié)構(gòu)窗口會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)虛擬機(jī)架。同樣的，在硬件目錄中選擇SIMATIC HMI Station中找到HMI文件夾，在其中找到WinCC Appl.，完成了OS的基本配置，如圖3(b)所示，最終的NetPro窗口見(jiàn)圖3(c)。

第2部分是軟件組態(tài)，基本步驟如下：

PCS7控制系統(tǒng)的軟件組態(tài)主要在CFC、SFC中設(shè)置完成。

在組態(tài)CFC之前，通過(guò)SIMATIC 400的下級(jí)文件CPU414-5H PN/DP，找到S7 Program，通過(guò)Sources對(duì)SCL Sources編程，編寫(xiě)一段SCL語(yǔ)言。為接下來(lái)在CFC中設(shè)置控制塊，提供了初始?jí)K連接。

打開(kāi)工具欄View，找到Plant View視圖，打開(kāi)其中CFC，可以在CFC中構(gòu)建需要的過(guò)程控制模塊。

(a) OS站組態(tài)

(b) AS站組態(tài)

(c) NetPro窗口

(a) 液位的前饋-串級(jí)控制

(b) 溫度的串級(jí)控制

(c) 出口流量控制環(huán)

(d) 二次蒸汽出口流量

3 仿真結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)研究出口流量控制環(huán)、液位的前饋-串級(jí)控制環(huán)以及溫度的串級(jí)控制環(huán)3個(gè)方面。

3.1 出口流量控制環(huán)PI參數(shù)的調(diào)節(jié)

流量對(duì)象本身具有時(shí)間常數(shù)小的特點(diǎn)，在微分作用下容易引起振蕩，故采用PI參數(shù)調(diào)節(jié)。先將PI參數(shù)中的Ti調(diào)整為99 999，只看比例kc的作用，由經(jīng)驗(yàn)先將kc的值設(shè)定為20，出口流量曲線(xiàn)呈發(fā)散狀態(tài)，根據(jù)最小二分法，將kc的值設(shè)定為10，曲線(xiàn)呈衰減狀態(tài)，據(jù)此調(diào)節(jié)，最終在kc值為15.5時(shí)，出口流量曲線(xiàn)呈現(xiàn)等幅振蕩狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)流量臨界比例度法參數(shù)整定完畢,如圖5(a)所示，振蕩周期Tk為10。由經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式求得kc值為7.1，Ti為8.5。不過(guò)由此得出的曲線(xiàn)并不滿(mǎn)足控制要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將二者的值都除以2，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，最終確定出口流量控制環(huán)PI參數(shù)kc值為3.7，Ti為4。

3.2 液位的前饋-串級(jí)控制環(huán)PI參數(shù)的調(diào)節(jié)

液位對(duì)象本身具有滯后時(shí)間較小，靈敏度不高的特點(diǎn)，故采用PI參數(shù)調(diào)節(jié)。首先通過(guò)一系列的內(nèi)控實(shí)驗(yàn)，我們大概得出稀液進(jìn)口管道大概是濃縮液出口管道粗細(xì)的3倍，因此首先采用出口流量前饋控制，比例系數(shù)為3，用以調(diào)整出口流量對(duì)液位的控制。如此，對(duì)液位的控制，采用的是出口流量的前饋控制和入口流量及液位的串級(jí)控制。接下來(lái)，對(duì)串級(jí)控制部分的PID參數(shù)調(diào)節(jié)，首先斷開(kāi)外環(huán)液位的控制，僅單一的入口流量控制，根據(jù)臨界比例帶的方法，調(diào)試出液位等幅振蕩圖像，說(shuō)明此時(shí)液位臨界比例度法參數(shù)整定完畢,如圖5(b)所示。此過(guò)程中使液位有些許超調(diào)是符合規(guī)定的。然后，將外環(huán)接入，調(diào)整液位控制環(huán)的PID參數(shù)，找到使液位變化呈等幅振蕩的PI參數(shù)。按照表中公式計(jì)算，進(jìn)行微調(diào)，最終確定液位控制環(huán)PI參數(shù)kc值為6，Ti為50，入口流量控制環(huán)PI參數(shù)kc值為1.5，Ti為5.2，得到滿(mǎn)足要求的液位變化曲線(xiàn)。

3.3 溫度的串級(jí)控制環(huán)PI參數(shù)的調(diào)節(jié)

溫度的變化十分迅速，在控制過(guò)程中一定要快速調(diào)節(jié)，才能保證溫度維持在控制范圍之內(nèi)。過(guò)熱蒸汽的進(jìn)入量是影響蒸發(fā)器溫度的主要因素，因此采取過(guò)熱蒸汽入口流量和溫度的串級(jí)控制來(lái)對(duì)蒸發(fā)器溫度進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。有了以上2個(gè)參數(shù)整定的基礎(chǔ)，同樣是切斷外環(huán)溫度控制環(huán)的控制，先調(diào)節(jié)單獨(dú)內(nèi)環(huán)過(guò)熱蒸汽流量的作用，再加入溫度控制外環(huán)，按照以上計(jì)算方法，最終得到外環(huán)溫度控制環(huán)PI參數(shù)kc值為0.4，Ti為7.5，內(nèi)環(huán)過(guò)熱蒸汽流量控制環(huán)PI參數(shù)kc值為2.5，Ti為100，得到滿(mǎn)足要求的溫度變化曲線(xiàn)。

從圖5中可以看出,在穩(wěn)定狀態(tài)下 增加些許擾動(dòng),液位、流量、溫度均能很快達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，雖有波動(dòng)和超調(diào)存在，但均在可控范圍之內(nèi)。

(a) 出口流量等幅振蕩曲線(xiàn)

(b) 液位等幅振蕩曲線(xiàn)

(c) 流量液位溫度最終變化曲線(xiàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要基于PCS7的先進(jìn)冗余過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)SMPT-1000蒸發(fā)器裝置的部分進(jìn)行控制。采用SMPT-1000仿真設(shè)備進(jìn)行操作，相比于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)控制，更具備可行性和環(huán)保性。以蒸發(fā)器為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)器的出口流量、液位、溫度的自動(dòng)控制。在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上驗(yàn)證了其可靠性，并且經(jīng)過(guò)整定后的參數(shù)符合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,控制方案可行,控制結(jié)果良好。

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好奇——?jiǎng)?chuàng)新意識(shí)的萌芽；

興趣——?jiǎng)?chuàng)新思維的營(yíng)養(yǎng)；

質(zhì)疑——?jiǎng)?chuàng)新行為的舉措；

探索——?jiǎng)?chuàng)新學(xué)習(xí)的方法。

Design of Evaporator Control System Based on SMPT-1000 Experimental Platform

GAOZhe,LIXu-dong,WANGShan,LUOHui-yao，WANGPei

(College of Light Industry，Liaoning University，Shenyang 110036, China)

A control system of evaporator experimental platform is designed based on SMPT-1000 simulation device. It can overcome some disadvantages of experimental devices used for the process control, and also achieves the simulation of technological process on practical production for the evaporator device. By the integrated development environment PCS7 and the controller Siemens PLC400, the hardware configuration is established. The PID control schemes for the temperature, liquid, level and flow rates of the evaporator and the tuning methods of the PID controllers are achieved by using the CFC function of PCS7. The control scheme owns good practicability and reliability by the analysis of the experimental results. The designed evaporator experimental system can simulate the practical device in the industrial field, and is an ideal teaching platform.

SMPT-1000 experimental platform; PCS7; process control systems; evaporator; PID parameter tuning

2015-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(61304094);遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2015194)

高 哲(1983-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，講師，研究方向：分?jǐn)?shù)階控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。

Tel.:15004058807; E-mail:gaozhe83@gmail.com

TP 273

A

1006-7167(2016)03-0100-05