基于PCS7的蒸發器控制優化和抗干擾策略設計

錢琳琳， 張福貴， 王德政

（1.北京聯合大學城市軌道交通與物流學院，北京100101；2.重慶工程學院大數據與人工智能學院，重慶400056）

0 引 言

蒸發器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，廣泛應用于濃縮、提純等工藝。同時蒸發器又是一個比較復雜的工業過程，具有多輸入、多輸出、溫度高、壓力大、非線性、大時滯以及大慣性等特性，因此如何使蒸發器中各變量的控制達到“穩、準、快”，一直是流程行業自動控制領域的難點。

真實的工業過程設備不僅價格昂貴，而且往往具有高危險性，因此高校選擇采用半實物實驗裝置進行實驗和研究。綜合多功能過程控制實訓裝置（SMPT1000）是將全數字仿真技術與半實物實驗裝置結合，可用于工業鍋爐、加熱爐、聚合反應器、蒸發器等多種流程行業生產過程的實驗仿真。該裝置提供了典型的4～20 mA、DI／DO、Profibus DP、OPC等信號接口，可與多種控制廠商的控制器互連［1-2］。

本文針對SMPT1000中蒸發器的工藝流程和控制要求，設計了蒸發器各個變量的控制回路，核心算法采用具有初始開度的改進式PID控制算法。通過控制手段確保快速開車，提高產量與過熱蒸汽用量的比值；優化開車流程，在通過升溫達到提升組分的過程中“自然”降低液位并全程保持低液位運行，以降低過熱蒸汽用量；“干擾抵消法”克服了提升產量過程中對蒸發器溫度的嚴重沖擊，保證平穩開車。在西門子PCS7過程控制系統平臺和SMPT1000上實施了上述優化方案和抗干擾策略，各被控變量的穩態指標和動態指標都遠超用戶控制要求。

1 蒸發器工藝流程、控制要求和開車流程

如圖1所示為蒸發器的工藝流程圖。本文以生產濃縮果汁為例說明蒸發器的工藝流程和控制要求。

圖1 蒸發器工藝流程圖

（1）蒸發器工藝流程。待濃縮的稀液由上部進入蒸發器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。稀液流量為FI1201，稀液流量管線上設調節閥FV1201；濃縮液流量為FI1202，濃縮液流量管線上設調節閥FV1202；二次蒸汽流量為FI1203，二次蒸汽流量管線上設調節閥FV1203［3］。

滿足工藝要求的過熱蒸汽由蒸發器中部通入蒸發器夾套，過熱蒸汽壓力為3.8 MPa，溫度為450℃，流量為FI1105，過熱蒸汽管線上設調節閥FV1105。經過換熱后的過熱蒸汽變為冷凝水排出；蒸發器為真空操作，蒸發器壓力為PI1201，蒸發器溫度為TI1201，蒸發器液位為LI1201，濃縮液組分為AI1201。

（2）蒸發器控制要求。控制要求包括生產指標、節能指標和全自動控制三方面。生產指標指在濃縮液流量穩定的前提下，保證濃縮液中組分維持在7.4%～7.6%。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工況。節能指標主要出于對效能、環境等因素的考慮，要求在控制系統的設計和實施中對過熱蒸汽用量等能耗等指標予以充分考慮。要求從生產單元冷態起，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［4］。

（3）蒸發器的開車流程。

①啟動前檢查所有的閥門都處于關閉狀態。

②打開FV1201，將稀液緩緩注入蒸發器，使蒸發器液位維持在80%左右。

③打開FV1105和蒸發器頂部FV1203，向蒸發器夾套通入過熱蒸汽，使蒸發器溫度達到108℃，并保持穩定。

④待濃縮液取樣濃度達到7.5%時，打開FV1202，開始連續出料，使濃縮液出口流量逐步達到4.63 kg／s，并保持穩定。

⑤蒸發器正常運行的工況要求：在開啟FV1202后，濃縮液組分AI1201維持在7.4%～7.6%；TI1201不允許超過200℃，以防止結焦；在開啟FV1202后，TI1201不允許低于105℃，以保證衛生要求，確保滅菌效果；LI1201不允許高于90%或低于50%。

2 蒸發器被控變量特性和用戶需求

按照工藝流程對蒸發器對象的各個被控變量進行特性分析以及相互關系分析，結合用戶提出的控制需求和節能需求，設計被控變量的控制回路和降低能耗的策略。

2.1 對象特性分析

（1）蒸發器壓力和蒸發器溫度間的關系。蒸發器壓力PI1201和蒸發器溫度TI1201是高度耦合的兩個變量，兩者的變化幾乎是一致的。如果蒸發器溫度增加，則稀液蒸發量增大，蒸發器上部的汽相組分增多，蒸發器壓力必然增加。蒸發器壓力與二次蒸汽管線閥有直接關系，FV1203開得越大，PI1201會降低；FV1203開的越小，PI1201會升高，過熱蒸汽帶入蒸發器的熱量就都留在蒸發器里面，TI1201必然上升［5］。

（2）蒸發器液位對蒸發器壓力和蒸發器溫度的影響。當蒸發器液位增加時，即冷量上升，那么使用同樣熱量能蒸發出的汽相組成就會減少，蒸發器壓力和蒸發器溫度就會連帶著降低。但蒸發器液位增大到較高液位時，會擠壓汽相空間，反而造成壓力增加。

（3）蒸發器壓力對稀液入口流量和濃縮液出口流量的影響。當蒸發器壓力PI1201增加時，蒸發量也相應增加，稀液入口流量調節閥的閥后壓力也增加，稀液入口流量調節閥的閥后壓力會阻礙稀液流入，因此稀液入口流量就會減少。蒸發器壓力上升，濃縮液出口流量調節閥的閥前壓力也增加，會造成濃縮液出口流量增加［6］。

（4）蒸發器液位和蒸發器溫度對濃縮液組分的影響。濃縮液組分AI1201受蒸發器溫度TI1201的影響非常明顯，溫度越高，稀液的蒸發量越大，蒸發器底部出來的濃縮液的組分也就越大。濃縮液AI1201還受蒸發器液位LI1201的影響，蒸發器液位LI1201越低，蒸發器上部的空間就越大，稀液的汽化空間就越大，而通入的過熱蒸汽量沒變，等量的熱量給更少的稀液加熱，稀液的蒸發量就更大了，那么蒸發器底部的濃縮液組分也就會增大。

（5）蒸發器二次蒸汽閥門開度對濃縮液組分的影響。根據物料守恒原理，進入蒸發器的總物料量等于蒸發器輸出的總物料量，即進入蒸發器的稀液總量等于由蒸發器流出的濃縮液總量加上二次蒸汽的總量。在系統進入平衡狀態下，即液位保持穩定后，二次蒸汽閥門開度增大，二次蒸汽流量濃增大，濃縮液濃度會提高。

2.2 用戶控制需求分析

（1）液位控制系統分析。用戶要求液位控制系統保證液位處于50%～90%，液位低于50%容易造成蒸發器干燒，液位高于90%則易造成漫灌，也不利于蒸發。因此把液位控制在50%～90%之間，一方面是安全生產的需要；另一方面也能保證稀液較快蒸發，使濃縮液組分達到要求。液位的控制范圍要求比較寬泛，但考慮到與濃縮液組分指標的關系密切，涉及物料平衡的計算的基礎，因此只要保證濃液閥開啟后液位維持穩定即可。設計液位單回路控制系統，通過控制稀液閥門開度，最終控制蒸發器液位［7］。

（2）溫度控制系統分析。影響蒸發器溫度的主要因素有過熱蒸汽的流量、二次蒸汽閥的開度、稀液閥的流量，其中過熱蒸汽的流量是最主要因素；二次蒸汽閥的開度變化導致蒸發器E1201頂部壓力的變化，間接地影響溫度；稀液閥的流量則對溫度的影響較小。為減小過熱蒸汽流量變化對溫度的影響，設計蒸發器溫度-過熱蒸汽流量串級控制系統，溫度為主被控量，副控制量為過熱蒸汽流量，通過控制過熱蒸汽閥門開度，最終控制蒸發器的溫度。

（3）濃縮液組分分析。由于蒸發器的濃縮液組分無法直接測量，故采用建立蒸發器濃縮液組分的機理模型的軟測量手段，實現組分的間接測量。根據物料守恒原理，進入蒸發器的總物料量等于蒸發器輸出的總物料量，即進入蒸發器的稀液總量等于蒸發器出口流出的濃縮液加上二次蒸汽的流出量。稀液的組成成分可以簡單分為純水和果料，組分的公式為

由于濃縮液的組分大于稀液濃度，而二次蒸汽閥輸出為水蒸汽，故要想使組分上升，必須蒸發出一部分水，而水只可能以蒸汽的形式從二次蒸汽閥排出蒸發器外，所以可以通過對二次蒸汽閥門開度的調節，間接改變濃縮液的組分［8］。組分計算如下式所示：

式中：SumFI1201為稀液流量調節閥最大開時度對應的流量累計，kg；SumFI1203為二次蒸汽流量調節閥最大開時度對應的流量累計，kg。

通過上式可間接測量出濃縮液組分的實時數據，實現組分的軟測量。通過控制二次蒸汽調節閥FV1203也就可以間接地控制濃縮液的組分。

（4）濃縮液流量單回路控制。流量變量響應速度快，對濃縮液出口流量進行單回路控制，控制器采用復合PID控制算法，被控變量為濃縮液流量FI1202，執行器為濃縮液調節閥FV1202，控制器采用反作用。

2.3 節能降耗策略分析

出于對效能、環境等因素的考慮，要求在控制系統的設計和實施中對過熱蒸汽用量等能耗等指標予以充分考慮。以下主要從液位方面和開車流程優化方面進行分析。

（1）蒸發器液位對能耗影響。系統完全進入穩定生產狀態后，把蒸發器液位控制在60%左右。蒸發器液位低了，蒸發效率就較高，從而保證消耗較低的過熱蒸汽，在較快的蒸發時間內使濃縮液組分達到標準，用于保持60%液位的要求溫度使用的過熱蒸汽量會比較低，而且發生干擾，液位也不會跌破下限50%，從而達到安全、節能的生產目標。

（2）開車流程對能耗影響。在符合設計要求的前提下，合理優化開車流程，降低過熱蒸汽用量；提高開車速度，迅速進入穩態生產階段，提高產量（即濃縮液的流量累計）與過熱蒸汽流量的累計之比，也是滿足節能目標的一種方法［9］。

3 蒸發器開車流程優化和干擾抵消策略

按照用戶要求，生產單元冷態起步，按照開車步驟實施全自動順序控制，并針對開車流程進行優化，既保證系統無擾投運、穩定運行，又降低過熱蒸汽消耗，同時采取抗干擾策略。

系統開車先后經過提升液位、提升溫度、提升組分、提升產量等步驟，其中提升產量（暨打開濃縮液閥門）時，蒸發器的液位、溫度、組分都將受到較大的影響。用戶在液位的控制方面要求相對寬松，而組分存在較大的滯后，只有溫度較為敏感，受影響比較嚴重。因此在設計開車流程時，采用“干擾抵消法”，最大限度地減小了開車過程中對蒸發器溫度的不利影響。

（1）FV1203開度對TI1201的影響。由于TI1201除受FI1105影響之外，PI1201也會影響TI1201，而FV1203的開度大小直接決定PI1201的大小。所以FV1203的開度將間接影響TI1201。

（2）FI1201對TI1201的影響。在FV1202打開時，由于要保證LI1201穩定，故FI1201的流量將會增加，FI1201增加將會導致TI1201的降低。

（3）FI1201、FI1202和FI1203之間的物料守恒關系。根據物料守恒定律，FI1201、FI1202和FI1203之間的物料守恒關系，同時考慮所使用的閥門均為線性閥，閥門的流量與閥門開度成正比關系，于是可以推導出組分AI1201為7.5%時閥門FV1203開度為70%。為保證TI1201基本維持恒定，在FV1202開啟之前，將二次蒸汽閥門設為70%＋σ（其中，σ約為2%～5%）。這樣在開啟FV1202時，將二次蒸汽閥門關小，讓FV1203關小和FV1201開大這兩個“干擾”幾乎“同步”，使其相互抵消。這種設計思路即可最大限度地減小在開車過程中打開濃縮液閥門對溫度的影響。

根據上述分析，開車流程如下。如圖2所示，按下開車按鈕，進行初始化；打開稀液入口流量調節閥FV201并設置其開度為100%，當LI1201≥77%，將FV201切換至自動控制，蒸發器液位控制器設定值設為80%；當LI1201＞80%且TT1201＜107℃時，打開FV1105并令其開度為50%，并且將FV1203手動設為77%；當溫度≥107℃，將FV1105切換至自動控制，將蒸發器溫度控制器設定值設為108℃；根據上述組分公式，測得組分AI1201＞7.45%時，打開FV1202，并將濃縮液出口流量控制器設定值設為4.63 kg／s，同時設置FV1203開度為70%，延時20 s，將二次蒸汽閥設為自動狀態，蒸發器系統進入穩定運行狀態［10］。

圖2 開車至平穩運行的順序邏輯圖

4 蒸發器控制策略在PCS7上的實現

根據工藝流程確定輸入／輸出變量類型及數量，選擇西門子公司的PCS7過程控制系統作為控制平臺，確定系統網絡架構和硬件模塊；將德普教育的SMPT1000高級多功能過程控制實訓裝置中分蒸發器作為仿真被控對象；在PCS7平臺上進行AS站、OS站以及網絡連接的硬件組態，用結構化控制語言（SCL）編寫核心控制算算，用連續功能圖表（CFC）編寫控制程序，用順序功能圖表（SFC）編寫開車流程程序，用WinCC7.2實現監控功能［11］。

（1）蒸發器系統網絡結構。本系統在網絡結構上由下至上依次為現場級、車間級和管理級，現場級與車間級的通信使用西門子的PROFTBUS-DP通信協議，車間級和管理級之間的通信符合西門子的PROFTNET工業以太網通信協議。控制站（AS站，暨西門子S7-400-3H型PLC）、工程師站（ES站）以及操作員站（OS站）置于控制室內，AS站通過工業以太網模塊CP443-1與工程師站、操作員站通信，AS站通過PROFTBUSDP網絡實現與放置在現場的ET200M遠程I／O的通信［5］。蒸發器控制系統網絡組態如圖3所示［12-13］。

圖3 蒸發器系統網絡組態圖

（2）控制算法結構設計。工業過程控制最為常用的算法當屬PID控制算法，它通過當前偏差、偏差的累積以及偏差變化趨勢來調節閥門開度，參數整定也容易掌握。但該算法不能從根本上解決動態指標和穩態指標的矛盾，也因此誕生了很多改進式的PID控制算法。本系統各個回路的（主）控制器控制算法均采用具有初始開度的改進式PID控制算法，這種算法在被控變量上升階段有效克服了積分飽和問題，在進入穩態之后又能提高抗干擾能力，算法的程序編寫流程如圖4所示［14］。

圖4 具有初始開度的改進式PID控制算法流程

在被控變量的起步階段，手動將閥門置為全開，這樣既能克服PID算法中積分飽和問題，又能使被控變量迅速上升到給定值附近；當過程值大于等于給定值的一定百分比時，切換到具有初始開度的改進式PID控制算法的自動控制狀態；這里切換的百分比取決于被控變量的特性，例如對于慣性較小的變量可以設為95%左右，對于慣性較大的設為85%～90%。具有初始開度的改進式PID控制算法中的初始開度u0取該變量進入穩態后的閥門開度的十位數，事先通過調試得到，這個開度也與給定值有比例關系；這種算法抑制超調，盡快消除穩態誤差，協調了動態和穩態的矛盾；但也可以看出此時這種PID算法的調節能力較小，為此，當被控變量進入穩態并延時一段時間后，增大比例系數和積分系數，提高回路的調節能力和抗干擾能力［15］。

具有初始開度的改進式PID控制算法程序塊用SCL語言編寫，然后按照上面設計的控制回路，用CFC語言編寫控制程序，調用具有初始開度的改進式PID控制算法塊；用SFC語言編寫來車流程程序，按照用戶要求實現冷態起步、全自動開車，直至穩定運行。

（3）被控變量控制效果分析。由圖5蒸發器液位、溫度、濃縮液流量的趨勢曲線和圖6蒸發器工藝動態監控圖可以分析出各變量的動態性能和穩態性能。圖5藍色曲線顯示的蒸發器液位值按照開車方案到達標準液位80%之后，在蒸發器升溫過程中自然降低液位，最后穩定在61%上下，保證了液位值由始至終在50%～90%之間，即節能又符合設計要求。圖5紅色曲線顯示的蒸發器溫度趨勢曲線基本無超調，穩態誤差在－0.005%，在打開二次濃縮液閥門后的調節時間為零，完全符合控制要求。圖5淺綠色曲線顯示的濃縮液流量的調節時間為20 s，無超調，穩態誤差為＋0.033 kg／s，在設計要求的±0.05 kg／s的范圍之內。

圖5 蒸發器被控變量趨勢曲線

圖6為蒸發器工藝過程的動態顯示圖，實時反映了各個工藝變量的狀態。其中右下角濃縮液組分為7.498 6%，距離要求的組分7.5%的穩態誤差為0.001 4%，處于系統設計要求組分的誤差范圍是±0.1%之內。

由上述分析可以看出，在PCS7平臺上的實施完成了設計要求，動態指標和穩態指標均非常理想。

5 結 語

按照用戶要求設計的控制回路方案和開車流程控制方案，通過在西門子公司過程控制系統平臺PCS7上的完整實現，完成了從生產單元冷態起車，按照開車步驟實施全自動順序控制，保證開車快速平穩、無擾投運；優化開車流程，工況保持全程穩定，同時兼顧過熱蒸汽用量。其中核心算法具有初始開度的改進式PID控制算法協調了動態指標和穩態指標的矛盾，在工程上容易實現、整定方便，具有較好的應用價值。“干擾抵消法”是分析變量特性和工藝開車過程特點得出的巧妙方法，便于實現。

圖6 蒸發器工藝過程動態監控