SMPT-1000實驗平臺的蒸發器控制系統設計

高 哲， 李旭東， 王 珊， 羅會遙， 汪 沛

(遼寧大學 輕型產業學院，遼寧 沈陽 110036)

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SMPT-1000實驗平臺的蒸發器控制系統設計

高 哲， 李旭東， 王 珊， 羅會遙， 汪 沛

(遼寧大學 輕型產業學院，遼寧 沈陽 110036)

針對過程控制實驗裝置中存在的一些缺陷，設計了基于SMPT-1000仿真設備的蒸發器實驗平臺的控制系統，模擬了實際生產過程中的蒸發器裝置的工藝流程。利用PCS7集成開發環境和西門子PLC400控制器，完成了基于PROFIBUS總線的硬件組態。利用CFC功能, 實現了蒸發器的溫度、液位和流量的PID控制及其控制器參數整定。通過對實驗結果的分析，控制方案具有較好的實用性和可靠性，設計的蒸發器實驗系統可以模擬實際工業現場的實際裝置, 是一個較為理想的實驗教學平臺。

SMPT-1000實驗平臺; PCS7; 過程控制系統; 蒸發器; PID參數整定

0 引 言

蒸發器設備是一類有相變的換熱裝置，是通過加熱,使溶液濃縮或者從溶液中析出物質的設備，主要控制指標是最終產品的濃度，在過程工業中廣泛應用于濃縮、提純等工藝[1]。然而，蒸發器是一個比較復雜的被控過程,其多輸入、多輸出、非線性的特性，因此對蒸發器的控制就顯得十分重要[2]。采用SMPT-1000蒸發器仿真設備，避免了工業現場操作的危險性，極大地減少了各方面消耗[3]。同時，采用仿真設備，實驗中出現不合規定的狀況，可及時停工，從而可重啟實驗， 而這種情況對于實物操作是不允許的。因此，通過西門子SMPT-1000蒸發器裝置的自動控制系統，對蒸發器進行先進PID參數的調節，從而在蒸發器投運后達到對其生產過程的理想控制。

目前，基于西門子SMPT-1000的蒸發器裝置的自動控制系統，設計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]。根據風洞試驗要求設計了加熱器供氣系統的各組分氣體的流量控制轉變為壓力控制方案[5]。對SMPT1000 中的自循環鍋爐系統進行控制，在西門子PCS7上完成STEP7 和WinCC 的組態設計、編程以及調試[6]。 以鍋爐過程為被控對象, 以SIMATIC PCS 7 BOX 為控制設備, 設計了完整的鍋爐控制系統等[7]。

本文以SMPT-1000實驗平臺，詳細介紹了蒸發器設備的相關工藝流程以及控制參數的調節。基于PCS7的先進過程控制系統，通過在SIMATIC 400中進行硬件組態以及在CFC中進行軟件組態,利用PROFIBUS DP現場總線進行連接。同時采用臨界比力度法與經驗整定法相結合的PID參數整定方法，以實現蒸發器液位、出口流量及溫度的控制。

1 蒸發器實驗平臺

1.1 蒸發器的工藝流程[8]

蒸發器作為典型的換熱裝置，實現了稀液的提純和過熱蒸汽的循環利用，輸出的濃縮液不僅可以提高產品的質量，更重要的是，蒸發器控制了濃縮液的出口流量，使提純過程可以有條不紊的持續運行著。因此，實現對蒸發器的自動過程的準確控制是當務之急，利用西門子公司研制的SMPT-1000鍋爐裝置的蒸發器自動控制系統，利用過程控制的思路來對蒸發器進行自動控制，進行先進PID參數的調節，最終實現對蒸發器入口稀液進行濃縮并達到對濃縮液的出口流量、蒸發器腔內液位、溫度等一系列參數的穩定控制，以滿足工業生產的要求。

圖1 蒸發器工藝流程圖

蒸發器主要由兩個部分組成：加熱室和蒸發室。加熱室向液體提供蒸發所需的熱量，促使液體沸騰汽化；蒸發室使氣液兩相完全分離，通常除沫器設在蒸發器的頂部。過熱蒸汽由控制閥輸入蒸發器，待濃縮的稀液由蒸發器的上部進入蒸發器，輸入的稀液與過熱蒸汽進行換熱，通過吸收過熱蒸汽的熱量而使稀液中的水分蒸發，變為二次蒸汽從蒸發器的頂部通過輸出控制閥排出，被帶走大量水分的稀液變為濃縮液經控制閥從蒸發器底部排出。最終，過熱蒸汽經歷了一系列的換熱過程之后，變為冷凝水從蒸發器內排出。

1.2 實驗設備介紹

依據蒸發器的工藝流程，針對西門子公司研制的SMPT-1000的蒸發器裝置，稀液進口控制閥：FV1201；過熱蒸汽控制閥：FV1105；二次蒸汽控制閥：FV1203；濃縮液出口控制閥：FV1202。其中，蒸發器液位為LI1201，壓力為PI1201，溫度為TI1201。

分布式控制系統(Distributed Control System,DCS)在國內自控行業又稱之為集散控制系統。針對此被控對象即SMPT_1000蒸發器，選擇中型規模的DCS系統。

軟件采用西門子公司的SIMATIC PCS7作為先進的過程控制平臺，具有較高的穩定性、可靠性，已經被廣泛地應用于過程工業控制領域。

根據系統中的控制和安全需要，并充分考慮系統的經濟性，合理地選擇DCS系統所需的硬件設備。選擇西門子SIMATIC S7-400系列CPU 414-5H作為過程系統控制器[9]。

工業以太網的傳輸速度非常快， 通常用于連接管理級與控制級，PC機作為上位機對下位機進行監控[10]。PROFIBUS- DP由于數據的實時性較好，通常用于連接控制級與現場級，并進行數據傳[11-13]。過程控制級通過工業以太網PROFINET和現場控制級進行通信，AS和分布式I/O之間通過PROFIBUS DP現場總線進行連接[14]。

圖2 電氣連接示意圖

2 蒸發器實驗控制系統方案設計

本實驗采用工程整定中的臨界比例度法的PID控制器參數經驗公式以及適當的經驗法進行PID參數的整定[15]。

表1 臨界比例度法PID控制器參數經驗公式

本實驗選定蒸發器的溫度、液位、濃縮液出口流量為被控變量，以液位LI1201維持在50%的蒸發器，通以壓強3.8 MPa、溫度450 ℃的過熱蒸汽，使腔內溫度穩定在97 ℃，最終達到出口流量FI1202穩定在2 kg/s的控制過程為例，并使其可以克服液位在40%～80%的擾動，溫度在95～100 ℃的擾動，說明SMPT-1000蒸發器裝置自動控制系統先進PID參數的調節過程。

2.1 控制方案

此次過程控制的最終目的是在一定范圍內，實現液位、溫度的改變，設備經短時自動調整會最終穩定在一個新的狀態，而對進、出口流量影響甚小。對蒸發器來說，溫度、液位、壓強、進出口閥開度這些量是相互耦合的。當對其中某一變量進行控制時，要先確定影響最直接的因素，將其作為操作變量，然后根據變量的變化規律，選擇適合的自動控制方法，比如反饋控制、串級控制、前饋控制等。

與此不同的是，對于蒸發器上部的二次蒸汽出口閥，它是將稀液經過熱蒸汽加熱后，形成的二次蒸汽排除的裝置，即為抽真空裝置。如果閥門FV1203處于全開狀態，蒸發器頂部是處于微負壓狀態，相應的壓力PI1201會降低，TI1201也會降低，此時若增加過熱蒸汽的進料量，稀液蒸發加快，使濃縮液量減少；如果FV1203全關，則由于稀液的蒸發無法排出，蒸發器的壓力增大，同時溫度急劇上升。所以，綜合本次實驗考慮，將二次蒸汽出口閥FV1203開度控制在5%較為合適。

(1) 進行蒸發器出口流量控制。液位、溫度、壓力等均會對液位產生影響。在蒸發器液位為50%左右的條件下，針對流量響應速度快的特性，對濃縮液出口流量采取單回路控制。

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

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

2.2 蒸發器的組態

本實驗基于西門子公司新一代DCS產品PCS7的先進冗余過程控制系統，對SMPT-1000蒸發器裝置的部分進行控制，實現上位機與下位機的配合，以實現工業控制要求。其中，上位機通過wincc 6.0組態，實現對蒸發器狀態的監控；下位機通過S7-400的硬件組態與軟件編程，實現對SMPT-1000的數據采集和PID參數控制。PCS7先進冗余過程控制系統由軟件和硬件2部分組成：

第1部分是硬件組態，基本步驟如下：

在SIMATIC 400中進行硬件組態。在SIMATIC 400找到Hardware中，框架選擇SIMATIC 400中的RACK-400，框架型號為UR2ALU-H，CPU選擇CPU414-5H PN/DP模塊，在X2端口處接一條PROFIBUS DP總線，在總線上掛件：在PROFIBUS DP中Additional Field Devices的下級文件General，General的下級文件夾CONVERTER中找到PM125。在PM125中，設置Parameters中的address為7，設置I/O口數量及標號所對應的控制參量。設置16 b數字量通道 DI、DO 以及 8 b模擬量通道 AI、AO。在此步驟中可將各I/O口對應的控制參量命名到相應編號中，方便軟件組態控制。如圖3(a)所示。

建立網絡連接：首先，組態網卡，從硬件目錄中選擇SIMATIC PC Station的下級文件夾CP Industrial Ethernet文件夾，在其中找到IE General，選擇型號為SW V7.1，在硬件結構窗口會出現一臺虛擬機架。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窗口見圖3(c)。

第2部分是軟件組態，基本步驟如下：

PCS7控制系統的軟件組態主要在CFC、SFC中設置完成。

在組態CFC之前，通過SIMATIC 400的下級文件CPU414-5H PN/DP，找到S7 Program，通過Sources對SCL Sources編程，編寫一段SCL語言。為接下來在CFC中設置控制塊，提供了初始塊連接。

打開工具欄View，找到Plant View視圖，打開其中CFC，可以在CFC中構建需要的過程控制模塊。

(a) OS站組態

(b) AS站組態

(c) NetPro窗口

(a) 液位的前饋-串級控制

(b) 溫度的串級控制

(c) 出口流量控制環

(d) 二次蒸汽出口流量

3 仿真結果與分析

本實驗研究出口流量控制環、液位的前饋-串級控制環以及溫度的串級控制環3個方面。

3.1 出口流量控制環PI參數的調節

流量對象本身具有時間常數小的特點，在微分作用下容易引起振蕩，故采用PI參數調節。先將PI參數中的Ti調整為99 999，只看比例kc的作用，由經驗先將kc的值設定為20，出口流量曲線呈發散狀態，根據最小二分法，將kc的值設定為10，曲線呈衰減狀態，據此調節，最終在kc值為15.5時，出口流量曲線呈現等幅振蕩狀態，說明此時流量臨界比例度法參數整定完畢,如圖5(a)所示，振蕩周期Tk為10。由經驗計算公式求得kc值為7.1，Ti為8.5。不過由此得出的曲線并不滿足控制要求，根據經驗將二者的值都除以2，并在此基礎上進行微調，最終確定出口流量控制環PI參數kc值為3.7，Ti為4。

3.2 液位的前饋-串級控制環PI參數的調節

液位對象本身具有滯后時間較小，靈敏度不高的特點，故采用PI參數調節。首先通過一系列的內控實驗，我們大概得出稀液進口管道大概是濃縮液出口管道粗細的3倍，因此首先采用出口流量前饋控制，比例系數為3，用以調整出口流量對液位的控制。如此，對液位的控制，采用的是出口流量的前饋控制和入口流量及液位的串級控制。接下來，對串級控制部分的PID參數調節，首先斷開外環液位的控制，僅單一的入口流量控制，根據臨界比例帶的方法，調試出液位等幅振蕩圖像，說明此時液位臨界比例度法參數整定完畢,如圖5(b)所示。此過程中使液位有些許超調是符合規定的。然后，將外環接入，調整液位控制環的PID參數，找到使液位變化呈等幅振蕩的PI參數。按照表中公式計算，進行微調，最終確定液位控制環PI參數kc值為6，Ti為50，入口流量控制環PI參數kc值為1.5，Ti為5.2，得到滿足要求的液位變化曲線。

3.3 溫度的串級控制環PI參數的調節

溫度的變化十分迅速，在控制過程中一定要快速調節，才能保證溫度維持在控制范圍之內。過熱蒸汽的進入量是影響蒸發器溫度的主要因素，因此采取過熱蒸汽入口流量和溫度的串級控制來對蒸發器溫度進行自動控制調節。有了以上2個參數整定的基礎，同樣是切斷外環溫度控制環的控制，先調節單獨內環過熱蒸汽流量的作用，再加入溫度控制外環，按照以上計算方法，最終得到外環溫度控制環PI參數kc值為0.4，Ti為7.5，內環過熱蒸汽流量控制環PI參數kc值為2.5，Ti為100，得到滿足要求的溫度變化曲線。

從圖5中可以看出,在穩定狀態下 增加些許擾動,液位、流量、溫度均能很快達到新的穩定狀態，雖有波動和超調存在，但均在可控范圍之內。

(a) 出口流量等幅振蕩曲線

(b) 液位等幅振蕩曲線

(c) 流量液位溫度最終變化曲線

4 結 語

本文主要基于PCS7的先進冗余過程控制系統實驗平臺，對SMPT-1000蒸發器裝置的部分進行控制。采用SMPT-1000仿真設備進行操作，相比于實際現場控制，更具備可行性和環保性。以蒸發器為研究對象，通過對控制器參數的調節，實現對蒸發器的出口流量、液位、溫度的自動控制。在實驗對象上驗證了其可靠性，并且經過整定后的參數符合實際工業生產的要求。實驗結果表明,控制方案可行,控制結果良好。

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好奇——創新意識的萌芽；

興趣——創新思維的營養；

質疑——創新行為的舉措；

探索——創新學習的方法。

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

國家自然科學基金(61304094);遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015194)

高 哲(1983-)，男，遼寧沈陽人，博士，講師，研究方向：分數階控制系統分析與設計。

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

TP 273

A

1006-7167(2016)03-0100-05