基于SMPT—1000實驗平臺的蒸發器控制實驗設計

王效

摘 要：由于過程工業流程相對復雜，生產過程往往伴有高溫、高壓、強非線性等特性，把生產裝置移到實驗室進行控制是非常困難的。SMPT-1000實驗平臺是運用高精度動態仿真技術將實際工業裝置的各種對象特性用數字化手段完整地在小型化半實物實驗裝置上得到再現的一個實驗平臺，能夠很好地模擬實際工業現場的狀況，方便在實驗室進行有針對性地控制實驗和研究。

關鍵詞：SMPT-1000；蒸發器；溫度控制；工業控制方案

一、控制要求及工藝流程

本文主要對蒸發器進行控制。根據“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”的參賽題目，在濃縮液產量穩定4.63的前提下，保證濃縮液中組分（糖分）維持在7.4%～7.6%的波動范圍之內。所有操作要保證有序進行，工況要保持全程穩定，并要充分考慮生產過程中可能出現的異常情況。從生產單元冷態起，按照開車步驟實施全自動順序控制，保證開車穩步進行，保證系統無擾投運。

蒸發器的工藝流程為：濃縮的稀液由蒸發器上部進入，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器頂部排出，濃縮液從蒸發器底部排出。

二、特性分析

1.對象特性分析

通過綜合分析，蒸發器裝置是一個復雜的被控對象，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器的液位、蒸發器的溫度、蒸發器的壓力、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聯。本文主要對蒸發器的溫度進行控制，蒸發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，蒸發器溫度升高，同時蒸發器的溫度受稀液的輸入量的影響，當稀液輸入量增加，會降低蒸發器的溫度。

2.被控參數特性分析

本文主要對蒸發器的溫度進行控制。溫度動態特性的特點：其一，慣性大，容量滯后大，有些過程的時間常數達到十幾分鐘；其二，溫度對象通常是多容的。由于溫度滯后大，控制起來不靈敏，但傳統的PID控制方法也能達到很好的控制效果。

三、蒸發器控制系統總體方案設計

1.基礎過程控制系統

包括對蒸發器液位、濃縮液流量、蒸發器溫度、二次蒸汽流量和濃縮液濃度控制，分析各個被控量的影響因素，確定控制方案，選擇調節閥類型，控制器正反作用的確定以及控制規律的選擇。

這三套系統的實現分為三層：（1）現場層，PLC通過遠程I/O模塊與蒸發器系統相連；（2）監控層，即上位機，在工控機里實現蒸發器控制系統；（3）網絡層，包括PLC與遠程I/O模塊ProfiBus總線和PLC與上位機以太網控制總線相連。

2.控制系統的設備選擇及連接

ES/OS通過工業以太網與AS相連，AS與外圍設備模板ET200M之間是用PROFIBUS DP連接。現場的4～20mA信號以及數字量信號通過輸入輸出模塊連接在ET200M上。SIMATIC PCS7 PC機能夠實現工程師站和操作員站的功能，可以與ET 200M IM153-2直接通信，簡化了上層網絡，使網絡結構變得簡潔，清晰。

通過硬件配置器（HW Config，Hardware Function Environment）進行硬件組態。在WinCC上的控制面板，直接調節傳統PID控制器參數。CFC組態主要用于設計庫、自動化邏輯、連鎖、算法和控制等。對蒸發器系統的基礎控制可以采用CFC實現控制功能，這些功能在CFC編輯器中以圖形塊的形式表示。通過SFC組態可以創建和調試工藝順序控制系統。蒸發器系統的自動開車過程，SFC組態實現控制。使用PCS7內置的WinCC組態軟件對操作員站進行組態，能夠構建良好的人機界面，實現對蒸發器裝置的實時控制與調整、安全運行監控和管理功能。

四、運行狀態分析

系統處于冷態時所有閥門關閉。根據蒸發器開車順序，首先建立蒸發器液位，打開稀液流量閥，使液體進入蒸發器，蒸發器液位不斷的升高，并達到設定值80%左右，這時，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，向蒸發器中通入過熱蒸汽，同時打開二次蒸汽閥V1203，蒸發器的溫度也隨之上升，二次蒸汽的流量也隨之上升。當蒸發器的溫度穩定在108℃時，過熱蒸汽流量和二次蒸汽流量穩定在一個數值。由于蒸發器液位越高，過熱蒸汽的流量越大，在滿足工藝要求的前提下，生產過程中將蒸發器的液位穩定在55%，這樣既保證了生產要求，同時也節約了過熱蒸汽的使用量。將蒸發器液位控制器的設定值改為55%。由于濃縮液濃度這個量不能在線測量，當蒸發器液位和溫度一定時，通過軟測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。當二次蒸汽量增加，濃液的濃度逐漸增加，當濃度到達7.5%時，將濃液輸出閥打開。

五、小結

本文以SMPT-1000蒸發器為研究對象，根據“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”的參賽題目的要求設計實驗過程。根據蒸發器的工作流程，對各個流程、被控對象特性、被控參數特性進行了分析，從而設計出蒸發器控制系統總體設計方案，再根據總體設計方案確定控制系統的設備選擇及連接，最終完成了整個實驗過程。從最終的結果來看，達到穩定的控制效果，很好地控制實驗和研究。

參考文獻：

[1]程林，楊培毅，陸煌.換熱器運行導論[M].北京：石油工業出版社，1995：2-17.

[2]趙欽新，王宇峰，王學斌，等.我國余熱利用現狀與技術進展[J].工業鍋爐，2009（5）：8-15.

[3]李建鋒，呂後復.熱力塔系統用于濕冷火電廠余熱利用及水回收研究[J].中國電機工程學報，2010，30（23）：24-33.

[4]Wei DH，Lu XS，Lu Zet al.Dynamic modeling and simulation of an Organic Rankine Cycle（ORC）system for waste heat recovery[J].Applied Thermal Engineering，2008（28）：1216-1224.

[5]林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安：西安交通大學出版社，1994：24-33.

[6]閻皓峰，甘永平.新型換熱器及傳熱強化[M].北京：宇航出版社，1991：5-27.

[7]王鳴.一種換熱器的變PID參數的控制方法與實現[J].機電工程，2001（6）：47-49.

[8]史芙中，王中錚.熱交換器原理與設計[M].4版.南京：東南大學出版社，2009：4-10.

編輯 楊國蓉