溶液中溫度、壓力、濃度同時控制的方法與實現(xiàn)

韋瑞錄 趙英

[摘 要]蒸發(fā)器的工藝流程圖在過程工業(yè)中廣泛應用于濃縮、提純等工藝。工業(yè)上對于濃度時時測量有難度大、成本高的特點。在本項目中濃液的濃度無法測量，因此本方案先用軟測量的方法。把自動控制理論與生產(chǎn)過程知識有機的結合起來，應用計算機技術對難以測量或者暫時不能測量的重要變量，選擇一些容易測量的變量，通過構成某種數(shù)學關系來推斷或者估計，以軟件來替代硬件的功能。應用軟測量技術實現(xiàn)元素組分含量的在線檢測，達到經(jīng)濟可靠的目。且動態(tài)響應迅速、可連續(xù)給出濃縮過程中容質的含量，易于達到對產(chǎn)品質量的控制。

[關鍵詞]蒸發(fā)器;濃度;溫度;控制算法

[中圖分類號]X781.1 [文獻標識碼]A

1 工藝流程分析

被控對象為多功能過程控制系統(tǒng)（SMPT-1000）中的蒸發(fā)器單元，為連續(xù)蒸發(fā)系統(tǒng)。（圖1）

過熱蒸汽由蒸發(fā)器E1201中部通入蒸發(fā)器夾套，過熱蒸汽流量為FI1105，過熱蒸汽管道設有調節(jié)閥FV1105。經(jīng)過換熱后的熱蒸汽變?yōu)槔淠懦?。待濃縮的稀液由蒸發(fā)器上部進入蒸發(fā)器，在與過熱蒸汽換熱后，稀液中的水分變成二次蒸汽由蒸發(fā)器頂部排出，濃縮液則由蒸發(fā)器底部排出。稀液流量為FI1201，稀液流量管線設調節(jié)閥FV1201。濃縮液流量為FI1202，濃縮液流量管線設調節(jié)閥FV1202。二次蒸汽流量為FT1203，二次蒸汽流量管線設調節(jié)閥FV1203。蒸發(fā)器壓力為PI1201，溫度為TI1201，液位為LI1201。

2 穩(wěn)定控制需求分析

蒸發(fā)器工作原理是將稀液中的水分蒸發(fā)掉，從而得到一定濃度的濃液。在這個過程中存在著這樣的關系：稀液的質量=濃液的質量+水的蒸發(fā)量。雖然濃度在現(xiàn)實連續(xù)生產(chǎn)中較難檢測，但只要保證這三個量的關系一定，濃度就可以通過公式計算出來。由于管道的流量單位都是相同的，使用公式進行計算也方便，如果不相同還需要進一步轉化。立式蒸發(fā)器選用了一個較大的容器作為液體的緩沖，將進口與出口分開，蒸發(fā)器里面有許多管道，稀液進入蒸發(fā)器后就沿著管道流到蒸發(fā)器頂部再沿著管道流到蒸發(fā)器底部，然后又沿著管道流上蒸發(fā)器頂部再流到底部，濃縮液就這樣從底部出液。如果進口量大，多出的部分會留在蒸發(fā)器內(nèi)，從而達到穩(wěn)定輸出的效果。并且蒸發(fā)器里面有大的管道提供了熱傳遞所需的接觸面積及增大液體表面積，從而提高熱源的使用效率。但也加大了調節(jié)過程中的滯后。給溫度控制帶來了一定的困難。而且大量的液體溫度升高意味著，要消耗掉大量的能量。所以蒸發(fā)器內(nèi)有一個合適且穩(wěn)定的液位，會大大提高系統(tǒng)的性能。由于水有沸點這一特性，所以蒸發(fā)器內(nèi)的壓強關系到液體的溫度。當水溫度達到沸點時，溫度增加，那么溶液的蒸發(fā)量也增加，進而增加容器內(nèi)水汽的量，迫使壓強增大改變沸點，所以控制好水汽出量也能調節(jié)水的蒸發(fā)量。水蒸氣的蒸發(fā)離不開“動力”，壓強一定的情況下，溫度高蒸發(fā)量就大，反之就小，但高溫意味著高壓，不僅會使能耗增加，另外高壓會給閥門造成一定的負擔，而且高壓會帶來更大的安全隱患。所以保持一個合理穩(wěn)定的溫度是非常重要的。它關系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。穩(wěn)定的濃液輸出，能夠保證產(chǎn)量，在質量得到保證的前提下，需使?jié)庖旱妮敵隽口呌诜€(wěn)定。

為了確保這幾個參數(shù)滿足要求，需要對幾個變量進行控制：（1）要對稀液流量、蒸發(fā)量進行調節(jié)，為了使?jié)舛确€(wěn)定在某個值，將會對液位有一定的影響;（2）要對液位進行調節(jié)，液位是連續(xù)蒸發(fā)中液體質量的一個緩沖區(qū)，關系到熱傳遞效率和容器的壓強，影響到濃液的穩(wěn)定輸出;（3）對溫度的調節(jié)，主要是出于系統(tǒng)能耗、安全性考慮和滿足工藝要求;（4）濃液流量要趨于穩(wěn)定，這就保證了輸出穩(wěn)定。

在滿足工藝要求的前提下，要提高系統(tǒng)的安全性和減少能耗，這就要求在工藝允許的前提下，濃縮液的濃度盡量低些，因為多蒸掉一些水就意味著多耗能。但必須要把系統(tǒng)的波動考慮在其中，所以濃度在7.4%～7.6%中選擇7.5%。液位要盡量低些，因為當溫度波動時，較多的水意味著要消耗更多的熱量來改變溫度。濃液的出口在工藝允許的前提下要盡可能大，以保證產(chǎn)量。溫度也要盡在能低，高溫會帶來一些安全問題，且高溫水蒸汽會帶走很多熱量，選擇108℃。

3 對象特性分析

本項目控制對象是溶液。第一，水的溫度越高，蒸發(fā)量越高，但在密閉的容器里溫度越高，蒸發(fā)量越大，壓強越大;第二，水有沸點，如果壓強太低就無法升高溫度;第三，水的比熱容較大，利用熱傳遞溫度改變較慢，利用壓強改變水的沸點，來調溫以減少滯后。

流體經(jīng)過閥的流量：Q=A*?*（2*P/ρ）^0.5

式中：Q—流量， A—閥開口面積，?—流量系數(shù)，ρ—流體密度，P-通過閥的壓強差。由式子可知，各個閥的流量與蒸發(fā)器內(nèi)的壓強有關，蒸發(fā)器內(nèi)壓強越大，進口流量越小，出口流量越大。從式子可以看出，壓強對流量的影響是非線性的，影響壓強的因素有溫度和體積。溫升高不僅使氣體熱脹，壓強升高，還會使稀液加快蒸發(fā)，增加氣體量。稀液的改變也會改變氣體的體積，同樣也會改變壓強。所以流體的流量間接地受到溫度和液位的影響。

所選對象是一個多輸出、多干擾的非線性對象，且各個變量之間存在著密切的聯(lián)系，一個變量的改變，可能使整個系統(tǒng)出現(xiàn)擾動。如果單獨對一兩個變量進行調定，會使系統(tǒng)增加擾動范圍。濃度作為重要的指標，所以在溫度、液位一定情況下，稀液流量、濃液流量要滿足：P稀-P濃=K（K為定值）

4 基礎控制系統(tǒng)

4.1 溫度、壓力控制方案

溫度關系到生產(chǎn)過程中的能耗，產(chǎn)品的殺菌作用，保證溫度的穩(wěn)定還可以為其他的變量的控制提供便利的條件，所以溫度的控制是基礎。由于壓力對閥的流量、蒸發(fā)量有影響，溫度和水的蒸發(fā)也有一定的關系。所以溫度、壓力控制會使液位產(chǎn)生影響，從而影響濃液的濃度。所以先對溫度、壓力進行調控，使它們趨于穩(wěn)定。根據(jù)杜林直線，溫度和壓力呈線性關系。所以只需要控制其中一個變量，就可以改變另一個變量。選用溫度作為控制對象，控制目標是使溫度保持在某個相對較穩(wěn)定的值或者是較小的范圍內(nèi)，以便于其他變量的調節(jié)。熱量的損失是多方面的，二次蒸汽流量、稀液流量和濃液流量都是影響的因素。蒸發(fā)過程中，稀液流量變大，會使蒸發(fā)器內(nèi)的液體溫度下降;濃液流量變大，液位下降，氣體體積變大，壓強變小，蒸發(fā)增加溫度下降。二次蒸汽流量變大同樣會使壓力變小，溫度下降。因為水的比熱容較大，溫度改變較慢，所以會有一定的滯后。

4.1.1 控制回路及控制算法。各個變量之間存在著密切的聯(lián)系，一個變量的改變，可能使整個系統(tǒng)出現(xiàn)擾動。所以在調節(jié)時選用串級調節(jié)，如圖2所示。蒸發(fā)器內(nèi)溫度改變時，過熱蒸汽通道內(nèi)的溫改變較小，可以不作考慮。

為了減少調節(jié)時的擾動，內(nèi)環(huán)只使用比例PI。內(nèi)環(huán)主要用于穩(wěn)定流量，減少外環(huán)調節(jié)時的擾動。外環(huán)則是用來調節(jié)溫度，使用比例P、積分I、微分D。要使溫度快速穩(wěn)定、誤差小且要快速響應，以便后面調節(jié)。

4.1.2 操控變量——過熱蒸汽流量。過熱蒸汽溫度為450oC，壓強為3.8MPa，過熱蒸汽進入蒸發(fā)器后通過熱傳遞的方式把熱量傳給液體，過熱變成冷凝水從冷凝水口排出，從而使稀液受熱蒸發(fā)，變成濃液排出。蒸發(fā)器內(nèi)的溫度，包括液體和二次蒸汽溫度都來自過熱蒸汽。所以選擇過熱蒸汽作為操控變量。

4.1.3 被控變量——蒸發(fā)器溫度。蒸發(fā)器是利用熱量來蒸發(fā)水達到濃縮和滅菌的作用，溫度的高低與水蒸發(fā)量密切相關。蒸發(fā)過程中對濃度有很大的影響，所以調節(jié)的好壞直接關系到產(chǎn)品的質量。溫度也關系到壓強過大會給閥門帶來一定的負擔，也是系統(tǒng)安全性的保障，因此選擇溫度作為被控變量。

4.2 濃度控制方案

4.2.1 濃度的測量。工業(yè)上對于濃度時時測量有難度大、成本高的特點。而在本項目中濃液的濃度無法測量，因此本方案先用軟測量的方法。把自動控制理論與生產(chǎn)過程知識有機地結合起來，應用計算機技術對難以測量或者暫時不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構成某種數(shù)學關系來推斷或者估計，以軟件來替代硬件的功能。應用軟測量技術實現(xiàn)元素組分含量的在線檢測，達到經(jīng)濟可靠的目。且動態(tài)響應迅速、可連續(xù)給出濃縮過程中容質的含量，易于達到對產(chǎn)品質量的控制。

4.2.1.1 輔助變量的選取。從容易測量的變量中選取與濃度關系的輔助變量。因為溶液的濃度是由溶劑和溶質決定的，所以選取輔助變量時要圍繞這兩個因素進行。輔助變量一：稀液流量，因為無論是容質還是溶液都來自稀液的流進量，而流進量的大小由稀液流量進行表征，所以選取稀液流量作為主導變量。輔助變量二：二次蒸汽流量，稀液被濃縮的程度由二次蒸汽決定，輔助變量三：濃液流量，全部容質和部分溶液是通過濃縮液的流出減少，所以選取濃液流量。輔助變量四：液位，準確來說應當是蒸發(fā)器內(nèi)滯留液體的質量，這一部分同時包含了滯留溶液溶質。

4.2.1.2 數(shù)據(jù)處理?；谲洔y量的先進控制與優(yōu)化中，融合了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)通過安裝在現(xiàn)場的傳感器、變送器等儀表獲得。由于受到儀表精度、測量方法、生產(chǎn)環(huán)境等的影響，測量數(shù)據(jù)都不可避免地含有誤差，有時甚至是過失誤差。而任一數(shù)據(jù)的實效都會影響軟測量系統(tǒng)的性能，影響生產(chǎn)。因此，對原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行預處理以得到精確可靠的數(shù)據(jù)，以提高軟測量系統(tǒng)的準確度。

使用隨機誤差處理剔除跳變信號，常采用遞推數(shù)字濾波方法，過失誤差出現(xiàn)的幾率較小，但是它將嚴重影響輸入數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，從而影響軟測量模型的精度。因此，及時發(fā)現(xiàn)、剔除和校正含過失誤差的數(shù)據(jù)是誤差處理的重要環(huán)節(jié)。利用合適的方法對數(shù)據(jù)進行轉換，因為計算濃度的單位都是流量單位，需要換算成質量單位。以方便計算。

4.2.1.3 數(shù)學模型的建立。用An表示第n秒稀液流入的質量，Bn表示第n秒濃縮液流出的質量，Cn表示第n秒二次蒸汽流出的質量，LSn表示第n秒蒸發(fā)器內(nèi)液體的質量（因為液位變送傳回的信號不是質量信號，且轉變相對復雜，所以采用累積的方法計算）。AIn表示第n秒當時濃度，T表示時間，間隔為1秒。稀液濃度為0.5%則有以下關系

時間 蒸發(fā)器內(nèi)液體的質量 稀液流入的質量 濃縮液流出的質量 二次蒸汽流出質量 當時濃度

由濃度公式得以下關系：

此數(shù)學模型利用上一個時間的濃度計算當前濃度。并將蒸發(fā)器內(nèi)溶液的質考慮在其中，增加了算法的準確度。

5 結語

此算法采用了西門子S7-400PLC的PCS 7來實現(xiàn)，得到了圖3所示的實施效果。

[參考文獻]

[1] 王志凱，郭宗仁，李琰.用PLC 實現(xiàn)模糊控制的兩種設計方法[J].工業(yè)控制計算機，2002（02）.