荀鵬飛，荀延龍

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080）

基于PCS7及SMPT-1000的蒸發(fā)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

荀鵬飛，荀延龍

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080）

本文介紹了基于SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺蒸發(fā)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。以西門子S7-400系列PLC為核心控制器，使用西門子過程控制的編程軟件PCS7中連續(xù)功能模塊（CFC）和順序功能模塊（SFC）及仿真設(shè)備SMPT-1000，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)器出口流量、液位、溫度的控制策略。并采用WinCC作為上位機(jī)的組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互和系統(tǒng)監(jiān)控。同時(shí)給出了系統(tǒng)的硬件組成、PLC與現(xiàn)場儀表的連接方式和通訊方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的過程控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。且超調(diào)量小，響應(yīng)速度快。

PCS7；SMPT-1000；蒸發(fā)器；過程控制

蒸發(fā)器是通過加熱完成稀溶液的濃縮或從溶液中析出物質(zhì)的設(shè)備。鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，給蒸發(fā)器內(nèi)稀溶液提供熱量，使得稀溶液沸騰并氣化，最終實(shí)現(xiàn)氣液分離，蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于化工、食品等行業(yè)。對蒸發(fā)器的控制是要保證濃縮液濃度維持在允許的范圍，同時(shí)使?jié)饪s液流量平穩(wěn)。

1 系統(tǒng)分析

1.1 被控對象分析

蒸發(fā)器的工作流程示意圖如圖1所示，待濃縮的稀液從上部閥門FV1201進(jìn)入，管線上有流量指示，稀溶液的濃度不變，稀溶液的進(jìn)料溫度是90℃。過熱蒸汽從閥門FV1105進(jìn)來，溫度為450℃，壓力是3.8MPa。稀液中的水份變成二次蒸汽從頂部閥門FV1203排出。在工業(yè)生產(chǎn)上，粘稠性的物質(zhì)通常用高壓操作，而果汁提純是熱敏性物質(zhì)，一般用減壓操作，所以該蒸發(fā)器是抽真空操作，濃縮液從蒸發(fā)器底部排出，濃縮液濃度不能在線測量。流量指示：稀液FI1201，濃縮液FI1202，二次蒸汽FI1203，過熱蒸汽FI1105，換熱后的過熱蒸汽變?yōu)槔淠懦?。蒸發(fā)器液位 LI1201，溫度TI1201，壓力PI1201。

圖1 工藝流程示意圖

1.2 工藝流程分析

蒸發(fā)器的工藝流程描述如下：

1）打開進(jìn)料閥FV1201，向蒸發(fā)器注入稀液，并使液位達(dá)到80％左右。

2）打開過熱蒸汽和二次蒸汽進(jìn)料閥FV1105、FV1203，向蒸發(fā)器通入過熱蒸汽，使蒸發(fā)器溫度達(dá)到108℃，并保持穩(wěn)定。

3）待濃縮液濃度達(dá)到7.5％±0.1％時(shí)，開啟濃縮液出料閥FV1202，開始連續(xù)出料，使?jié)饪s液流量達(dá)到4.63kg/s，并保持流量平穩(wěn)。

2 控制要求和控制技術(shù)指標(biāo)

2.1 控制要求

過程控制的基本任務(wù)是保證蒸發(fā)器溫度、濃縮液濃度及濃縮液流量都符合工藝要求。根據(jù)任務(wù)要求，過程控制可分為以下幾步：建立蒸發(fā)器液位；提升蒸發(fā)器溫度；蒸發(fā)器提升負(fù)荷；蒸發(fā)器溫度控制；蒸發(fā)器液位控制；濃縮液流量控制。

2.2 蒸發(fā)器被控變量間影響關(guān)系分析

過熱蒸汽加熱量對蒸發(fā)器溫度和壓力的影響；

二次蒸汽管線閥開度對蒸發(fā)器溫度和壓力的影響；

蒸發(fā)器溫度和壓力的相互影響；

蒸發(fā)器壓力對進(jìn)、出口流量的影響；

蒸發(fā)器液位對蒸發(fā)器溫度和壓力的影響。

2.3 控制技術(shù)指標(biāo)

蒸發(fā)器液位：打開閥FV1201，使蒸發(fā)器液位達(dá)到80％左右。

蒸發(fā)器液位控制：液位保持在80％左右，上限不高于90％，下限不低于50％。

提升蒸發(fā)器溫度：打開閥FV1105和FV1203，使蒸發(fā)器溫度達(dá)到108℃。

蒸發(fā)器溫度控制：溫度維持在105～110℃范圍內(nèi)。

蒸發(fā)器提負(fù)荷：濃縮液濃度達(dá)到7.5％，打開閥FV1202，濃縮液流量達(dá)到4.63kg/s左右。

濃縮液流量控制：濃縮液流量達(dá)到4.63kg/s左右。

濃縮液濃度控制：濃縮液組分保持在7.4％～7.6％。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制方式

SMPT-1000 可以通過 AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC與各種PLC、DCS或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等控制器相連接，同時(shí)配備有操作控制臺?？梢耘c西門子的PCS7組成現(xiàn)場站、控制站、操作站三級完整的工業(yè)過程控制系統(tǒng)。

本控制系統(tǒng)采用Profibus-DP通訊方式來完成過程控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。Profibus-DP的設(shè)計(jì)可以代替自動(dòng)化中傳統(tǒng)的24V并行信號傳輸；自動(dòng)化中4～20 mA或HART模擬信號傳輸[2]。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解了多種蒸發(fā)器工藝過程及相關(guān)知識[3-8]，包括數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化控制等方法[9-13]。結(jié)合西門子PCS7的過程控制實(shí)際功能，確定本設(shè)計(jì)的控制策略，根據(jù)控制過程操作規(guī)程[14-15]，其基本控制方案如表1所示。

表1 蒸發(fā)器基本控制回路一覽表

2）硬件連接及組態(tài)。在使用連續(xù)功能圖CFC和順序功能圖SFC實(shí)現(xiàn)全部控制方案之前，首先要完成以下兩方面的工作。

① 完成SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺與PCS7的連接。為了實(shí)現(xiàn)信號之間的相互通訊，Profibus-DP從站通訊模塊包含所需的模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊。如圖2控制系統(tǒng)PCS7網(wǎng)絡(luò)連接。

圖2 控制系統(tǒng)PCS7的網(wǎng)絡(luò)連接

②完成PCS7的硬件組態(tài)。在HW-Config中，選擇機(jī)架UR2ALU，依次在機(jī)架上插入電源PS 407 10 A，CPU421-5H，WinCC Station 等，在 Profibus-DP上插入DP模塊板卡PM125。編譯保存后安裝，硬件組態(tài)完畢。硬件組態(tài)結(jié)果如圖3。

圖3 硬件組態(tài)

3）CFC組態(tài)。依據(jù)前面的控制策略，將CFC程序設(shè)計(jì)為3部分：

①蒸發(fā)器出口流量單回路控制；

②蒸發(fā)器溫度-過熱蒸汽流量串級控制；

③蒸發(fā)器液位-稀液流量串級控制；

下面以單回路為例對CFC組態(tài)進(jìn)行簡單介紹。采用PCS7 V8.0提供的連續(xù)功能圖實(shí)現(xiàn)控制方案[8]，根據(jù)方框圖進(jìn)行CFC組態(tài)。從模塊庫中選擇模擬輸入模塊CH_AI、模擬輸出模塊CH_AO、PID控制器CTRL_PID以及模擬操作模塊OP_A_LIM等。在進(jìn)行CFC組態(tài)時(shí)，被控變量的測量值要通過模擬輸入模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，將CH_AI的V管腳與所對應(yīng)的CTRL_PID模塊的PV_IN管腳相連，將控制器PID模塊的輸出LMN管腳與LMNR_IN相連，控制器PID模塊的輸出LMN管腳與CH_AO的V相連，完成的單回路的CFC組態(tài)如圖4所示。

圖4 單回控制系統(tǒng)的CFC程序

4）OS組態(tài)。在完成硬件組態(tài)和CFC組態(tài)后，對OS進(jìn)行編譯，此時(shí)進(jìn)入OS站的編輯器中，會看到CFC組態(tài)中的各類面板會出現(xiàn)，將所需要的畫面縱觀畫面、趨勢畫面等按照用戶的要求創(chuàng)建。編譯后保存、下載、運(yùn)行。建好的OS趨勢畫面如圖5所示。

圖5 OS趨勢畫面

5）運(yùn)行程序。先將PCS7的OS站操作到監(jiān)控畫面，準(zhǔn)備進(jìn)行監(jiān)控。然后打開SMPT-1000系統(tǒng)的正常工況的工程，建立所需曲線并按要求設(shè)置閥門的類型。以上準(zhǔn)備工作完成后，接下來將控制器參數(shù)調(diào)到最優(yōu)。

待蒸發(fā)器系統(tǒng)穩(wěn)定后就可以提負(fù)荷了。

4 運(yùn)行結(jié)果及分析

根據(jù)上述操作流程，得到的控制效果曲線如圖6所示，圖中的曲線分別對應(yīng)溫度、液位、出口流量、壓力、組分等被控變量的參數(shù)值，以及閥的開度、入口流量等操縱變量的參數(shù)值。

在蒸發(fā)器穩(wěn)定運(yùn)行后，提升濃縮液流量的給定值SP可以看到，在FIC1202的作用下，F(xiàn)V1201迅速開大，F(xiàn)11202的流量迅速上升。

圖6 控制效果曲線

隨著蒸發(fā)器出口流量FI1202的上升，蒸發(fā)器液位LI1201有下降趨勢。LIC1201和FIC1201組成的串級控制系統(tǒng)開始動(dòng)作，開大FV1201，F(xiàn)I1201上升，維持LI1201在80％左右。

將蒸發(fā)器溫度的SP值升高，系統(tǒng)中的所有變量都受到了影響。TIC1201的設(shè)定值提高，TIC1201和FIC1105組成的串級控制系統(tǒng)將開大FV1105，通入更多的過熱蒸汽，提升蒸發(fā)器的溫度?？梢钥吹皆贔V1105的作用下，TI1201穩(wěn)步上升，并穩(wěn)定在108℃。相應(yīng)的FV1105的開度也高于未提升溫度之前的開度，F(xiàn)I1105的流量增大。

隨著蒸發(fā)器溫度的上升，蒸發(fā)器內(nèi)稀液的蒸發(fā)量會增加，蒸發(fā)器液位會下降，但在液位串級控制系統(tǒng)作用下，會維持在80％?？梢钥吹紽V1201的開度增加，F(xiàn)I1201的流量增加。

由于蒸發(fā)量的增加，由稀液中蒸發(fā)出來的二次蒸汽FI1203會增加，蒸發(fā)器壓力會隨之升高。蒸發(fā)器壓力上升相當(dāng)于增加了濃縮液出口管線閥前壓力，F(xiàn)I1202會增加，在FIC1202的作用下，濃縮液出口流量FI1202最終會提升到6kg/s。

5 結(jié)束語

文中介紹了利用SMPT-1000W實(shí)驗(yàn)平臺，以蒸發(fā)器為控制對象，西門子PCS7為控制手段，設(shè)計(jì)了完整的蒸發(fā)器控制系統(tǒng)，完成了蒸發(fā)器控制系統(tǒng)的運(yùn)行，從控制結(jié)果上看，文中給出的設(shè)計(jì)方案能夠滿足生產(chǎn)的指標(biāo)，有工業(yè)實(shí)用性。

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Design of evaporator control system based on PCS7 and SMPT-1000

XUN Peng-fei，XUN Yan-long
（College of Information Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Huhhot 010080，China）

This paper describes the design and implementation of evaporator control system based on experimental platform SMPT-1000.Siemens S7-400 PLC is used to be the core controller，In the Siemens PCS7 process control programming software environment，using a continuous function module（CFC） and sequential function modules （SFC） and simulation platform SMPT-1000 by controlling the evaporator outlet flow， level， temperature， to achieve a stable concentrate component control strategy.and using WinCC to Design configuration interface of the host computer，to achieve human-machine interaction and system monitoring.Also given hardware system architecture， connection and communication between PLC and field instrumentation.Experimental results show that the designed process control system is stable and has a strong anti-jamming capability.And small overshoot，fast response.

PCS7；SMPT-1000；evaporator；process control

TN602

：A

：1674－6236（2017）15-0113-04

2016-05-28稿件編號：201605273

荀鵬飛（1997—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用。