荀鵬飛,荀延龍
(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010080)
基于PCS7及SMPT-1000的蒸發(fā)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
荀鵬飛,荀延龍
(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010080)
本文介紹了基于SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)蒸發(fā)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。以西門子S7-400系列PLC為核心控制器,使用西門子過程控制的編程軟件PCS7中連續(xù)功能模塊(CFC)和順序功能模塊(SFC)及仿真設(shè)備SMPT-1000,實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)器出口流量、液位、溫度的控制策略。并采用WinCC作為上位機(jī)的組態(tài)軟件,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互和系統(tǒng)監(jiān)控。同時(shí)給出了系統(tǒng)的硬件組成、PLC與現(xiàn)場(chǎng)儀表的連接方式和通訊方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的過程控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。且超調(diào)量小,響應(yīng)速度快。
PCS7;SMPT-1000;蒸發(fā)器;過程控制
蒸發(fā)器是通過加熱完成稀溶液的濃縮或從溶液中析出物質(zhì)的設(shè)備。鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽,給蒸發(fā)器內(nèi)稀溶液提供熱量,使得稀溶液沸騰并氣化,最終實(shí)現(xiàn)氣液分離,蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于化工、食品等行業(yè)。對(duì)蒸發(fā)器的控制是要保證濃縮液濃度維持在允許的范圍,同時(shí)使?jié)饪s液流量平穩(wěn)。
1.1 被控對(duì)象分析
蒸發(fā)器的工作流程示意圖如圖1所示,待濃縮的稀液從上部閥門FV1201進(jìn)入,管線上有流量指示,稀溶液的濃度不變,稀溶液的進(jìn)料溫度是90℃。過熱蒸汽從閥門FV1105進(jìn)來,溫度為450℃,壓力是3.8MPa。稀液中的水份變成二次蒸汽從頂部閥門FV1203排出。在工業(yè)生產(chǎn)上,粘稠性的物質(zhì)通常用高壓操作,而果汁提純是熱敏性物質(zhì),一般用減壓操作,所以該蒸發(fā)器是抽真空操作,濃縮液從蒸發(fā)器底部排出,濃縮液濃度不能在線測(cè)量。流量指示:稀液FI1201,濃縮液FI1202,二次蒸汽FI1203,過熱蒸汽FI1105,換熱后的過熱蒸汽變?yōu)槔淠懦?。蒸發(fā)器液位 LI1201,溫度TI1201,壓力PI1201。
圖1 工藝流程示意圖
1.2 工藝流程分析
蒸發(fā)器的工藝流程描述如下:
1)打開進(jìn)料閥FV1201,向蒸發(fā)器注入稀液,并使液位達(dá)到80%左右。
2)打開過熱蒸汽和二次蒸汽進(jìn)料閥FV1105、FV1203,向蒸發(fā)器通入過熱蒸汽,使蒸發(fā)器溫度達(dá)到108℃,并保持穩(wěn)定。
3)待濃縮液濃度達(dá)到7.5%±0.1%時(shí),開啟濃縮液出料閥FV1202,開始連續(xù)出料,使?jié)饪s液流量達(dá)到4.63kg/s,并保持流量平穩(wěn)。
2.1 控制要求
過程控制的基本任務(wù)是保證蒸發(fā)器溫度、濃縮液濃度及濃縮液流量都符合工藝要求。根據(jù)任務(wù)要求,過程控制可分為以下幾步:建立蒸發(fā)器液位;提升蒸發(fā)器溫度;蒸發(fā)器提升負(fù)荷;蒸發(fā)器溫度控制;蒸發(fā)器液位控制;濃縮液流量控制。
2.2 蒸發(fā)器被控變量間影響關(guān)系分析
過熱蒸汽加熱量對(duì)蒸發(fā)器溫度和壓力的影響;
二次蒸汽管線閥開度對(duì)蒸發(fā)器溫度和壓力的影響;
蒸發(fā)器溫度和壓力的相互影響;
蒸發(fā)器壓力對(duì)進(jìn)、出口流量的影響;
蒸發(fā)器液位對(duì)蒸發(fā)器溫度和壓力的影響。
2.3 控制技術(shù)指標(biāo)
蒸發(fā)器液位:打開閥FV1201,使蒸發(fā)器液位達(dá)到80%左右。
蒸發(fā)器液位控制:液位保持在80%左右,上限不高于90%,下限不低于50%。
提升蒸發(fā)器溫度:打開閥FV1105和FV1203,使蒸發(fā)器溫度達(dá)到108℃。
蒸發(fā)器溫度控制:溫度維持在105~110℃范圍內(nèi)。
蒸發(fā)器提負(fù)荷:濃縮液濃度達(dá)到7.5%,打開閥FV1202,濃縮液流量達(dá)到4.63kg/s左右。
濃縮液流量控制:濃縮液流量達(dá)到4.63kg/s左右。
濃縮液濃度控制:濃縮液組分保持在7.4%~7.6%。
3.1 控制方式
SMPT-1000 可以通過 AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC與各種PLC、DCS或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等控制器相連接,同時(shí)配備有操作控制臺(tái)。可以與西門子的PCS7組成現(xiàn)場(chǎng)站、控制站、操作站三級(jí)完整的工業(yè)過程控制系統(tǒng)。
本控制系統(tǒng)采用Profibus-DP通訊方式來完成過程控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。Profibus-DP的設(shè)計(jì)可以代替自動(dòng)化中傳統(tǒng)的24V并行信號(hào)傳輸;自動(dòng)化中4~20 mA或HART模擬信號(hào)傳輸[2]。
3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn),了解了多種蒸發(fā)器工藝過程及相關(guān)知識(shí)[3-8],包括數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化控制等方法[9-13]。結(jié)合西門子PCS7的過程控制實(shí)際功能,確定本設(shè)計(jì)的控制策略,根據(jù)控制過程操作規(guī)程[14-15],其基本控制方案如表1所示。
表1 蒸發(fā)器基本控制回路一覽表
2)硬件連接及組態(tài)。在使用連續(xù)功能圖CFC和順序功能圖SFC實(shí)現(xiàn)全部控制方案之前,首先要完成以下兩方面的工作。
① 完成SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與PCS7的連接。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的相互通訊,Profibus-DP從站通訊模塊包含所需的模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊。如圖2控制系統(tǒng)PCS7網(wǎng)絡(luò)連接。
圖2 控制系統(tǒng)PCS7的網(wǎng)絡(luò)連接
②完成PCS7的硬件組態(tài)。在HW-Config中,選擇機(jī)架UR2ALU,依次在機(jī)架上插入電源PS 407 10 A,CPU421-5H,WinCC Station 等,在 Profibus-DP上插入DP模塊板卡PM125。編譯保存后安裝,硬件組態(tài)完畢。硬件組態(tài)結(jié)果如圖3。
圖3 硬件組態(tài)
3)CFC組態(tài)。依據(jù)前面的控制策略,將CFC程序設(shè)計(jì)為3部分:
①蒸發(fā)器出口流量單回路控制;
②蒸發(fā)器溫度-過熱蒸汽流量串級(jí)控制;
③蒸發(fā)器液位-稀液流量串級(jí)控制;
下面以單回路為例對(duì)CFC組態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。采用PCS7 V8.0提供的連續(xù)功能圖實(shí)現(xiàn)控制方案[8],根據(jù)方框圖進(jìn)行CFC組態(tài)。從模塊庫中選擇模擬輸入模塊CH_AI、模擬輸出模塊CH_AO、PID控制器CTRL_PID以及模擬操作模塊OP_A_LIM等。在進(jìn)行CFC組態(tài)時(shí),被控變量的測(cè)量值要通過模擬輸入模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,將CH_AI的V管腳與所對(duì)應(yīng)的CTRL_PID模塊的PV_IN管腳相連,將控制器PID模塊的輸出LMN管腳與LMNR_IN相連,控制器PID模塊的輸出LMN管腳與CH_AO的V相連,完成的單回路的CFC組態(tài)如圖4所示。
圖4 單回控制系統(tǒng)的CFC程序
4)OS組態(tài)。在完成硬件組態(tài)和CFC組態(tài)后,對(duì)OS進(jìn)行編譯,此時(shí)進(jìn)入OS站的編輯器中,會(huì)看到CFC組態(tài)中的各類面板會(huì)出現(xiàn),將所需要的畫面縱觀畫面、趨勢(shì)畫面等按照用戶的要求創(chuàng)建。編譯后保存、下載、運(yùn)行。建好的OS趨勢(shì)畫面如圖5所示。
圖5 OS趨勢(shì)畫面
5)運(yùn)行程序。先將PCS7的OS站操作到監(jiān)控畫面,準(zhǔn)備進(jìn)行監(jiān)控。然后打開SMPT-1000系統(tǒng)的正常工況的工程,建立所需曲線并按要求設(shè)置閥門的類型。以上準(zhǔn)備工作完成后,接下來將控制器參數(shù)調(diào)到最優(yōu)。
待蒸發(fā)器系統(tǒng)穩(wěn)定后就可以提負(fù)荷了。
根據(jù)上述操作流程,得到的控制效果曲線如圖6所示,圖中的曲線分別對(duì)應(yīng)溫度、液位、出口流量、壓力、組分等被控變量的參數(shù)值,以及閥的開度、入口流量等操縱變量的參數(shù)值。
在蒸發(fā)器穩(wěn)定運(yùn)行后,提升濃縮液流量的給定值SP可以看到,在FIC1202的作用下,F(xiàn)V1201迅速開大,F(xiàn)11202的流量迅速上升。
圖6 控制效果曲線
隨著蒸發(fā)器出口流量FI1202的上升,蒸發(fā)器液位LI1201有下降趨勢(shì)。LIC1201和FIC1201組成的串級(jí)控制系統(tǒng)開始動(dòng)作,開大FV1201,F(xiàn)I1201上升,維持LI1201在80%左右。
將蒸發(fā)器溫度的SP值升高,系統(tǒng)中的所有變量都受到了影響。TIC1201的設(shè)定值提高,TIC1201和FIC1105組成的串級(jí)控制系統(tǒng)將開大FV1105,通入更多的過熱蒸汽,提升蒸發(fā)器的溫度??梢钥吹皆贔V1105的作用下,TI1201穩(wěn)步上升,并穩(wěn)定在108℃。相應(yīng)的FV1105的開度也高于未提升溫度之前的開度,F(xiàn)I1105的流量增大。
隨著蒸發(fā)器溫度的上升,蒸發(fā)器內(nèi)稀液的蒸發(fā)量會(huì)增加,蒸發(fā)器液位會(huì)下降,但在液位串級(jí)控制系統(tǒng)作用下,會(huì)維持在80%??梢钥吹紽V1201的開度增加,F(xiàn)I1201的流量增加。
由于蒸發(fā)量的增加,由稀液中蒸發(fā)出來的二次蒸汽FI1203會(huì)增加,蒸發(fā)器壓力會(huì)隨之升高。蒸發(fā)器壓力上升相當(dāng)于增加了濃縮液出口管線閥前壓力,F(xiàn)I1202會(huì)增加,在FIC1202的作用下,濃縮液出口流量FI1202最終會(huì)提升到6kg/s。
文中介紹了利用SMPT-1000W實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以蒸發(fā)器為控制對(duì)象,西門子PCS7為控制手段,設(shè)計(jì)了完整的蒸發(fā)器控制系統(tǒng),完成了蒸發(fā)器控制系統(tǒng)的運(yùn)行,從控制結(jié)果上看,文中給出的設(shè)計(jì)方案能夠滿足生產(chǎn)的指標(biāo),有工業(yè)實(shí)用性。
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Design of evaporator control system based on PCS7 and SMPT-1000
XUN Peng-fei,XUN Yan-long
(College of Information Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Huhhot 010080,China)
This paper describes the design and implementation of evaporator control system based on experimental platform SMPT-1000.Siemens S7-400 PLC is used to be the core controller,In the Siemens PCS7 process control programming software environment,using a continuous function module(CFC) and sequential function modules (SFC) and simulation platform SMPT-1000 by controlling the evaporator outlet flow, level, temperature, to achieve a stable concentrate component control strategy.and using WinCC to Design configuration interface of the host computer,to achieve human-machine interaction and system monitoring.Also given hardware system architecture, connection and communication between PLC and field instrumentation.Experimental results show that the designed process control system is stable and has a strong anti-jamming capability.And small overshoot,fast response.
PCS7;SMPT-1000;evaporator;process control
TN602
:A
:1674-6236(2017)15-0113-04
2016-05-28稿件編號(hào):201605273
荀鵬飛(1997—),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人。研究方向:物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用。