溶解性溶液濃度的控制方法設計及PLC實現

尹向雷 馬曉虹

（1.陜西理工學院電氣工程學院，陜西 漢中 723003；2.陜西理工學院電工電子實驗中心，陜西 漢中 723003）

果汁具有天然的果實風味，含有多種對人體健康有益的維生素、礦物質、微量元素及生物活性物質，具有極高的營養價值和保健功能。市場上存在的果汁類產品通常有新鮮果汁和濃縮果汁兩種。濃縮后的果汁體積變小，便于運輸和儲藏，還可以提高其儲藏的穩定性［1］。果汁濃縮是生產果汁最重要的工序，關鍵在于如何保證果汁的質量和減少能耗。對于懸浮溶液的濃度測量可以用在線濃度變送器測量，如刀式變送器［2］，但對于溶解性的稀液果汁，由于其濃度測量方法的限制，采用的濃度控制方法通常是離線含糖量的測量［3］，或者通過軟測量方法［4，5］，目前還很少采用在線測量方法。離線測量方法的缺點不言而喻，但溶解性溶液的在線測量變送器目前還很少見且很貴，這就提出了能否用更經濟有效的方法去控制濃度的問題。本設計針對SMPT－1000實驗裝置中的蒸發器單元進行糖水濃度控制，以此模擬果汁濃度的控制，提出用串級和比值控制結合的濃度軟測量控制方法，并在仿真對象上進行了測試。

1 控制問題的提出

以模擬典型工業自動化系統為對象，對蒸發器中溶液的濃度進行控制方案的設計分析和PCS7的實現。

1.1 控制要求

圖1是一類有相變的典型換熱裝置——蒸發器的工藝流程圖［6］，其在過程工業中廣泛應用于濃縮、提純等工藝。待濃縮的稀液由蒸發器上部進入蒸發器E1201，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器頂部排出，濃縮液從蒸發器底部排出。濃縮液濃度無法實時測量。稀液流量為F1201，稀液流量管線上設調節閥V1201。濃縮液流量為F1202，濃縮液流量管線上設調節閥V1202。二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽流量管線上設調節閥V1203。

1.2 工藝要求

（1）過熱蒸汽由蒸發器中部通入蒸發器夾套，過熱蒸汽壓力為3.8MPa，溫度為450℃；

（2）蒸發器為真空操作，蒸發器壓力為PT1201，蒸發器溫度為TT1201，蒸發器液位為LT1201；

圖1 蒸發器工藝流程圖Figure 1 Process flowchart of evaporator

（3）待濃縮稀液初始濃度為5%，初始溫度為90℃；

（4）要求濃縮后產品的濃度控制在7.4%～7.6%，產量達到4.63kg／s；

農業部農技推廣服務中心節水處處長高祥照針對“節水農業與水肥一體”進行了深度解讀。他指出節水農業是中國現代農業發展的戰略方向，節水農業不僅僅是節約，更重要的是調節，是高效利用，包括“灌溉農業”和“旱作農業”兩大部分。

（5）蒸發器溫度TT1201不允許超過200℃，以防止結焦，在開啟濃縮液出口閥V1202后，TT1201不允許低于105℃，以保證確保滅菌效果；

（6）蒸發器液位LT1201不允許高于90%或低于50%；

（7）滿足節能、安全等其它工程要求；

（8）要求在理解被控對象的基礎上完成工程方案的設計及工程現場的實施。

2 控制方案設計

此次設計的最大難點在于濃度無法實時測量。對此必須找出跟濃度有關的量，并對其合理組合或測量來達到要求。

和濃度有關的量有蒸發器中物料的液位、溫度以及二次蒸汽產生的壓力。當液位和溫度一定時，二次蒸汽壓力越大，則待濃縮物料的沸點越高，蒸發越慢，濃度下降；當液位和壓力保持不變時，溫度越高，蒸發越快，則濃度上升；當溫度和壓力不變時，液位下降會使二次蒸汽的空間變大，壓力在短時間內出現偏小的擾動，從而物料蒸發加快，物料濃度上升，當液位升高時，物料濃度下降。要說明的是，液位的變化會對濃度產生擾動影響，而不像溫度和壓力那樣會直接控制濃度，為了濃度的穩定，液位最好設成定值。

2.1 液位、溫度以及壓力的確定

（1）液位的確定。蒸發器要求液位位于50%～90%，液位太低過熱蒸汽得不到有效利用，浪費資源，液位太高，過熱蒸汽雖然和物料熱交換會更有效，但二次蒸汽的蒸發空間變小不利于蒸發，而且換熱具有更大的滯后時間，系統更難控制。綜合以上，設計蒸發器液位為80%，既有利于二次蒸汽有足夠的空間，又使熱能交換更合理。為了減少對濃度的擾動，控制過程中保持液位不變。

（2）溫度的確定。工藝要求溫度不允許低于105℃，以保證確保滅菌效果，也不允許超過200℃，以防止結焦。設定溫度不能太高，因為在系統擾動時有可能會超過最大溫度要求，而且溫度過高會對過熱蒸汽造成浪費，不利于節能。溫度也不能太低，溫度低雖然節能，但擾動可能會使工藝不能達到最低溫度以上。基于此，設計溫度為108℃，給最低溫度以3℃的擾動欲量，而且能更有效的利用熱能。

2.2 間接測量法和物料守恒法

（1）間接測量法的原理如下，首先將稀液注入蒸發器至80%液位，并進行液位自動保持，再將過熱蒸汽閥打開進行稀液加熱蒸發，并將二次蒸汽閥打開到一定程度（不能太大，否則可導致系統嚴重振蕩，可取20%）進行二次蒸汽排放，同時對物料溫度及二次蒸汽壓力進行監測，當溫度達到108℃時進行保持。隨著二次蒸汽的排放，物料的濃度將會緩慢上升，對物料濃度進行離線測量，當物料濃度達到7.5%時記錄當前二次蒸汽的壓力。這時，溫度、壓力以及液位都是確定值，且三者組合如果維持不變則物料濃度將維持不變。當濃度達到要求時，在保持當前溫度、壓力及液位不變的情況下，將濃縮后的物料緩慢從出料口放出，從而達到控制目的。

此種方法優點：思路簡單，容易理解。缺點：① 要離線測量濃度，這是不符合設計要求的，那么只有在測試階段就記錄符合濃度對應的壓力值；② 二次蒸汽閥門的開度不能太大，否則會導致系統不穩定，從而很難確定壓力值，后果是系統調節時間太長。

（2）物料守恒法的原理如下，通過前面的分析可知，壓力的確定必須在濃度符合要求的時候記錄，而設計要求不能監測濃度，這就給濃度的判定帶來不便。通過對象特性分析可知，蒸發器的注入物料是稀液，而蒸發器的排出物是二次蒸汽和濃縮后的產品。這就是說在整個過程中物料是守恒的，即：稀液 ＝ 濃縮液 ＋ 二次蒸汽。如果利用物料守恒的法則計算這三者的總量之比，可以得到滿足濃度的比值，那么這個比值滿足時對應的二次蒸汽壓力也就是需要控制的壓力。

為了計算這個比值，設稀液總量為A，排出二次蒸汽的總量為x，由于蒸發過程中糖的總量是不變的，則可得到式（1）方程式：

也就是說，當排出二次蒸汽的總量和注入稀液的總量之比為1∶3時濃縮液的濃度恰好就是7.5%，此時對應的壓力就是要穩定的壓力值，只要控制住這個壓力就可以控制濃度。

這個方法的優點是不需要離線測量濃度，滿足了設計的要求，而且調節過程會大大縮短。但這個方法要注意的是，在調節過程中，當二次蒸汽和稀液的總量之比接近條件時盡量不要超調，否則記錄的壓力可能偏低，這就要求控制方法不能片面要求速度。

2.3 控制的具體方案

根據以上分析，濃度控制方案采用物料守恒法。對蒸發器分4個回路進行控制，分別控制物料液位、物料溫度、二次蒸汽壓力、濃縮液流量。

2.3.1 物料液位的液位流量串級控制 影響液位的因素有閥門的開度和流量，可以使用液位流量串級控制［7］，流量作為副控制回路，液位作為主控回路，其框圖見圖2。液位控制設定在80%，當液位有擾動時，主控回路可直接控制，當流量發生擾動時，副回路可提前動作，以減少對液位的影響。副回路進行粗調，主回路進行液位細調，可達到更好的控制效果。

2.3.2 物料溫度的溫度流量串級控制 當過熱蒸汽的溫度一定時，影響物料溫度的因素有過熱蒸汽的流量和閥門開度。因此按照液位的控制策略，同樣采用溫度流量串級控制［8］，控制框圖見圖3。設定溫度為108℃，流量控制為副回路，溫度控制為主回路。

2.3.3 二次蒸汽的控制 二次蒸汽的控制是整個控制的關鍵部分，其直接決定著濃度的控制。設計中主要應用了比值控制的思想［9］，但又有其自身的特點，其控制框圖見圖4。

圖2 物料液位控制回路Figure 2 Control loop of material level

圖3 物料溫度控制回路Figure 3 Control loop of material temperature

圖4 二次蒸汽控制回路Figure 4 Control loop of secondary steam

二次蒸汽的閥門V1203由兩路PID調節器進行控制，并由開關K進行必要的切換。開始時，開關K打在下方，以二次蒸汽和稀液的流量累計進行閥門控制。待濃縮的稀液由左側進入并進行累計，同時右側的二次蒸汽流量通過累計并乘以3倍然后與稀液總量A進行比較，從而使控制器對閥門進行控制，其目的是使二次蒸汽的總量迅速逼近稀液總量的1／3，當這個條件滿足時，通過比較器給CPU 1個信號從而對當前的壓力值進行記錄，并將開關K達到上方進行壓力回路的閥門控制。

要指出的是：① 開關K在整個控制過程中只動作1次，即切換之后就一直保持為壓力回路控制二次蒸汽的調節閥；② 壓力值P0的記錄也只記錄1次，以免壓力值不斷變化從而影響給定壓力和最終的濃度控制；③ 因為壓力只記錄1次，則要求流量控制回路盡量不要超調，否則會由于二次蒸汽的總量迅速逼近稀液總量的1／3而使記錄的壓力偏小，導致濃度偏大，所以流量累計控制回路中的調節器要進行保守設計，不能太快。

2.3.4 濃縮液產量的流量單回路控制 濃縮液的產量控制比較簡單，只要用單回路就可以很好地進行控制，其控制框圖見圖5。

以上就是各個控制回路的設計，當濃度第1次滿足要求時就要開始釋放濃縮液，并使濃縮液的產量達到4.63kg／s，如果直接給出產量的最終值則會使系統出現嚴重振蕩，而且濃度也會大幅振蕩。為此，應設置1個緩慢增加產量設定值的環節，該環節可用1個斜坡函數或者幾個積分函數來實現。

圖5 濃縮液控制回路Figure 5 Control loop of concentrated solution

2.4 狀態轉移設計

整個系統的狀態轉移設計見圖6。

圖6 狀態轉移方框圖Figure 6 Block diagram of state transition

3 控制方案的PCS7實現

系統的整體框架如圖7所示。上位機PC通過通信卡和主控機PLC相連接，PLC通過Profibus－DP電纜和從站泗博PM125相連，PM125下連接各個現場執行器和變送器，軟件設計在西門子PCS7下進行。

西門子PCS7是Step－7的升級軟件，更適合過程控制系統的控制設計，是完全無縫集成的自動化解決方案，可以應用于所有工業領域，包括過程工業、制造工業以及工業所涉及的所有制造和過程自動化產品。PCS7是帶有典型過程組態特征的全集成系統，具有許多自動功能，可協助用戶快捷方便的創建項目。

PCS7的項目設計分為3步：硬件組態，CFC過程設計，SFC狀態轉移設計。

將所用到的硬件如機架、CPU、電源以及各種模塊進行組態。CFC的設計和Step7中的設計有很大區別，相對來說PCS7更加簡單、直觀，其界面和使用方法就和流行的EDA軟件一樣好用，設計中要用到的各種模塊就如同電子芯片一樣可以拖放并連線。建立一個CFC文件，將前面所設計的4個回路控制（圖2～5）設計好。SFC的設計類似于流程圖，將圖6的狀態轉移設計在此文件中即可。

圖7 系統硬件構架Figure 7 Framework of system hardware

需要注意的是本次設計中采用了的泗博PM125模塊，要使該模塊能正確通信，必須在CFC的設計中加入一段通信程序模塊，否則系統將不能正常工作，該通信程序可以參考泗博手冊。

4 結論

控制系統的設計在沒有專用在線濃度變送器的情況下，應用壓力、液位、溫度等過程量以及與比值控制相結合的軟測量控制方法來進行濃度控制，穩定的控制了溶解性溶液的濃度，也得到了較好的控制效果，對溶解性果汁的濃縮液濃度控制設計具有很高的參考價值。

1 王煥，秦英杰，劉立強，等.多效膜蒸餾技術用于果汁濃縮［J］.化學工業與工程，2012，29（4）：50～56.

2 劉天鵬，陳郁.鹽水濃度控制在水處理工作中的應用［J］.中國設備工程，2012（7）：40～42.

3 李琳，周國雄.紙漿濃度混合控制算法研究［J］.制造業自動化，2011，33（10）：31～34.

4 于曉明.支持向量機及其在制漿過程重要參數軟測量中的應用研究［D］.西安：陜西科技大學，2012.

5 黃杰，張相勝，于春海，等.洗滌劑濃度傳感器裝置的研制及濃度控制［J］.計算機與應用化學，2011，28（7）：899～902.

6 西門子（中國）有限公司，中國系統仿真學會.2012年西門子杯全國大學生工業自動化挑戰賽設計開發型競賽組分賽區考題［EB／OL］.［2012－06－29］.http：／／www.siemenscup.buct.edu.cn／Admin／CompetitionMaterial／Examination／55.pdf.

7 程啟明，汪明媚，薛陽，等.基于自抗擾串級控制的蒸汽發生器水位多模型控制方法［J］.電力自動化設備，2012，32（3）：66～70.

8 卓旭升，楊帆，秦實宏，等.火電機組協調系統的非線性串級控制研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2012，40（4）：43～45.

9 梁開，李力，劉超.比值控制在緊套光纖外徑控制中的應用［J］.機械設計與制造，2011（11）：57～59.