王效

摘 要：由于過程工業(yè)流程相對(duì)復(fù)雜，生產(chǎn)過程往往伴有高溫、高壓、強(qiáng)非線性等特性，把生產(chǎn)裝置移到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行控制是非常困難的。SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是運(yùn)用高精度動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)將實(shí)際工業(yè)裝置的各種對(duì)象特性用數(shù)字化手段完整地在小型化半實(shí)物實(shí)驗(yàn)裝置上得到再現(xiàn)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠很好地模擬實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的狀況，方便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有針對(duì)性地控制實(shí)驗(yàn)和研究。

關(guān)鍵詞：SMPT-1000；蒸發(fā)器；溫度控制；工業(yè)控制方案

一、控制要求及工藝流程

本文主要對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行控制。根據(jù)“西門子杯全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽設(shè)計(jì)開發(fā)型競(jìng)賽組”的參賽題目，在濃縮液產(chǎn)量穩(wěn)定4.63的前提下，保證濃縮液中組分（糖分）維持在7.4%～7.6%的波動(dòng)范圍之內(nèi)。所有操作要保證有序進(jìn)行，工況要保持全程穩(wěn)定，并要充分考慮生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的異常情況。從生產(chǎn)單元冷態(tài)起，按照開車步驟實(shí)施全自動(dòng)順序控制，保證開車穩(wěn)步進(jìn)行，保證系統(tǒng)無(wú)擾投運(yùn)。

蒸發(fā)器的工藝流程為：濃縮的稀液由蒸發(fā)器上部進(jìn)入，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發(fā)器頂部排出，濃縮液從蒸發(fā)器底部排出。

二、特性分析

1.對(duì)象特性分析

通過綜合分析，蒸發(fā)器裝置是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，主要輸入變量包括稀液輸入量、稀液濃度、過熱蒸汽輸入量等；主要輸出變量是蒸發(fā)器的液位、蒸發(fā)器的溫度、蒸發(fā)器的壓力、濃縮液輸出量、濃縮液濃度、二次蒸汽輸出量等。上述輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。本文主要對(duì)蒸發(fā)器的溫度進(jìn)行控制，蒸發(fā)器的溫度主要由過熱蒸汽的輸入量決定，過熱蒸汽輸入量增加，蒸發(fā)器溫度升高，同時(shí)蒸發(fā)器的溫度受稀液的輸入量的影響，當(dāng)稀液輸入量增加，會(huì)降低蒸發(fā)器的溫度。

2.被控參數(shù)特性分析

本文主要對(duì)蒸發(fā)器的溫度進(jìn)行控制。溫度動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)：其一，慣性大，容量滯后大，有些過程的時(shí)間常數(shù)達(dá)到十幾分鐘；其二，溫度對(duì)象通常是多容的。由于溫度滯后大，控制起來(lái)不靈敏，但傳統(tǒng)的PID控制方法也能達(dá)到很好的控制效果。

三、蒸發(fā)器控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng)

包括對(duì)蒸發(fā)器液位、濃縮液流量、蒸發(fā)器溫度、二次蒸汽流量和濃縮液濃度控制，分析各個(gè)被控量的影響因素，確定控制方案，選擇調(diào)節(jié)閥類型，控制器正反作用的確定以及控制規(guī)律的選擇。

這三套系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為三層：（1）現(xiàn)場(chǎng)層，PLC通過遠(yuǎn)程I/O模塊與蒸發(fā)器系統(tǒng)相連；（2）監(jiān)控層，即上位機(jī)，在工控機(jī)里實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器控制系統(tǒng)；（3）網(wǎng)絡(luò)層，包括PLC與遠(yuǎn)程I/O模塊ProfiBus總線和PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)控制總線相連。

2.控制系統(tǒng)的設(shè)備選擇及連接

ES/OS通過工業(yè)以太網(wǎng)與AS相連，AS與外圍設(shè)備模板ET200M之間是用PROFIBUS DP連接?，F(xiàn)場(chǎng)的4～20mA信號(hào)以及數(shù)字量信號(hào)通過輸入輸出模塊連接在ET200M上。SIMATIC PCS7 PC機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)工程師站和操作員站的功能，可以與ET 200M IM153-2直接通信，簡(jiǎn)化了上層網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)潔，清晰。

通過硬件配置器（HW Config，Hardware Function Environment）進(jìn)行硬件組態(tài)。在WinCC上的控制面板，直接調(diào)節(jié)傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)。CFC組態(tài)主要用于設(shè)計(jì)庫(kù)、自動(dòng)化邏輯、連鎖、算法和控制等。對(duì)蒸發(fā)器系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制可以采用CFC實(shí)現(xiàn)控制功能，這些功能在CFC編輯器中以圖形塊的形式表示。通過SFC組態(tài)可以創(chuàng)建和調(diào)試工藝順序控制系統(tǒng)。蒸發(fā)器系統(tǒng)的自動(dòng)開車過程，SFC組態(tài)實(shí)現(xiàn)控制。使用PCS7內(nèi)置的WinCC組態(tài)軟件對(duì)操作員站進(jìn)行組態(tài)，能夠構(gòu)建良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)器裝置的實(shí)時(shí)控制與調(diào)整、安全運(yùn)行監(jiān)控和管理功能。

四、運(yùn)行狀態(tài)分析

系統(tǒng)處于冷態(tài)時(shí)所有閥門關(guān)閉。根據(jù)蒸發(fā)器開車順序，首先建立蒸發(fā)器液位，打開稀液流量閥，使液體進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器液位不斷的升高，并達(dá)到設(shè)定值80%左右，這時(shí)，液位的平衡建立完畢，之后建立溫度控制，將過熱蒸汽閥V1105打開，向蒸發(fā)器中通入過熱蒸汽，同時(shí)打開二次蒸汽閥V1203，蒸發(fā)器的溫度也隨之上升，二次蒸汽的流量也隨之上升。當(dāng)蒸發(fā)器的溫度穩(wěn)定在108℃時(shí)，過熱蒸汽流量和二次蒸汽流量穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值。由于蒸發(fā)器液位越高，過熱蒸汽的流量越大，在滿足工藝要求的前提下，生產(chǎn)過程中將蒸發(fā)器的液位穩(wěn)定在55%，這樣既保證了生產(chǎn)要求，同時(shí)也節(jié)約了過熱蒸汽的使用量。將蒸發(fā)器液位控制器的設(shè)定值改為55%。由于濃縮液濃度這個(gè)量不能在線測(cè)量，當(dāng)蒸發(fā)器液位和溫度一定時(shí)，通過軟測(cè)量的方法建立了濃縮液濃度與稀液流入量、二次蒸汽流出量和濃液流出量之間的關(guān)系，控制好二次蒸汽的輸出量就可以間接地控制好濃液的濃度。當(dāng)二次蒸汽量增加，濃液的濃度逐漸增加，當(dāng)濃度到達(dá)7.5%時(shí)，將濃液輸出閥打開。

五、小結(jié)

本文以SMPT-1000蒸發(fā)器為研究對(duì)象，根據(jù)“西門子杯全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽設(shè)計(jì)開發(fā)型競(jìng)賽組”的參賽題目的要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程。根據(jù)蒸發(fā)器的工作流程，對(duì)各個(gè)流程、被控對(duì)象特性、被控參數(shù)特性進(jìn)行了分析，從而設(shè)計(jì)出蒸發(fā)器控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，再根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案確定控制系統(tǒng)的設(shè)備選擇及連接，最終完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。從最終的結(jié)果來(lái)看，達(dá)到穩(wěn)定的控制效果，很好地控制實(shí)驗(yàn)和研究。

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編輯 楊國(guó)蓉