基于PCS7的蒸發(fā)器自控系統(tǒng)

郭 帆

(西安科技大學電氣與控制工程學院，西安 710054)

蒸發(fā)器是一類有相變的典型換熱裝置，在過程工業(yè)中廣泛應用于濃縮及提純等工藝。蒸發(fā)器通過加熱，向稀液提供蒸發(fā)所需要的熱量，使稀液濃縮或者從稀液中析出物質(zhì)，以確保最終產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。對蒸發(fā)器控制的準確性和靈活性，直接關(guān)系到被加熱液體的合格率和產(chǎn)量。筆者采用SIMATIC PCS7控制系統(tǒng)對蒸發(fā)器進行控制，實現(xiàn)了換熱過程的自動控制。

1 蒸發(fā)器工藝簡述①

蒸發(fā)器的工藝流程如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)器的工藝流程

待濃縮的稀液由蒸發(fā)器上部進入蒸發(fā)器E1201，吸收由蒸發(fā)器中部通入的過熱蒸汽提供的熱量進行濃縮過程，完成后，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發(fā)器頂部排出，濃縮液從蒸發(fā)器底部排出。稀液流量為FT1201，稀液流量管線上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1201。滿足工藝要求的過熱蒸汽由蒸發(fā)器中部通入蒸發(fā)器夾套，過熱蒸汽壓力為3.8MPa、溫度為450℃、流量為FT1105。過熱蒸汽管線上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1105。經(jīng)過換熱后的過熱蒸汽變?yōu)槔淠懦?。二次蒸汽流量為FT1203，二次蒸汽流量管線上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1203。濃縮液流量為FT1202，濃縮液流量管線上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1202。蒸發(fā)器為真空操作，蒸發(fā)器壓力為PT1201、溫度為TT1201、液位為LT1201。

2 PCS7的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)是西門子公司在TELEPERM系列集散系統(tǒng)和S7系列可編程控制器的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)的新型DCS控制系統(tǒng)。PCS7將傳統(tǒng)的DCS與PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點相結(jié)合，是面向所有過程控制應用場合的先進過程控制系統(tǒng)。PCS7基于全集成自動化系列的模塊化硬件和軟件部件，可進行無縫擴展和改進，可以根據(jù)需要選用不同的功能組件進行系統(tǒng)組態(tài)。利用開放的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和系統(tǒng)通信，采用S7自動化系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制單元實現(xiàn)過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場傳感檢測信號。

本次系統(tǒng)控制的對象是SMPT-1000蒸發(fā)器，PCS7控制系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)和過程現(xiàn)場總線Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)由操作員站OS、工程師站ES和冗余的AS控制站組成，通過過程現(xiàn)場總線Profibus-DP進行通信[1]。其中，該系統(tǒng)的AS控制處理單元、過程現(xiàn)場總線Profibus-DP均采用冗余配置。在整個系統(tǒng)的控制中設(shè)有手動操作臺儀表顯示和控制，在采集現(xiàn)場傳感器信號時，采用隔離器進行信號隔離、分配。執(zhí)行器一般有兩路接口，一路為執(zhí)行器控制信號接口，另一路則為執(zhí)行器反饋接口。

3 重要控制回路的設(shè)計

3.1 蒸發(fā)器溫度控制系統(tǒng)

影響蒸發(fā)器溫度TT1201的主要因素有過熱蒸汽流量FT1105和稀液流量FT1201，次要因素有二次蒸汽流量FT1203和濃縮液流量FT1202[2]。由于稀液流量要作為蒸發(fā)器液位LT1201控制的操縱變量，因此可以選擇蒸發(fā)器溫度TT1201為被控變量、過熱蒸汽流量FT1105為操縱變量設(shè)計蒸發(fā)器溫度TT1201(濃縮液沸點)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)器溫度串級-前饋控制系統(tǒng)框圖

3.2 蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)

蒸發(fā)器壓力穩(wěn)定是實現(xiàn)濃縮液濃度穩(wěn)定的前提條件，可選蒸發(fā)器壓力PT1201作為直接被控變量、二次蒸汽流量FT1203作為操縱變量實現(xiàn)蒸發(fā)器的壓力控制。為了及時消除二次蒸汽出口一側(cè)壓力波動對流量的影響，可增加二次蒸汽流量副回路，快速消除二次蒸汽出口側(cè)壓力波動對二次蒸汽流量FT1203的擾動，保證蒸發(fā)器壓力PT1201的控制精度，進而提高濃縮液濃度的控制精度。可設(shè)計以蒸發(fā)器壓力PT1201為主被控變量、二次蒸汽流量FT1203為副變量的串級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)器壓力串級控制系統(tǒng)框圖

3.3 蒸發(fā)器液位控制系統(tǒng)

對蒸發(fā)器液位產(chǎn)生影響的因素較多，稀液流量FT1201和濃縮液流量FT1202是影響蒸發(fā)器液位LT1201的兩個主要變量，二者作用方向相反，權(quán)重相同。濃縮液流量FT1202代表生產(chǎn)過程的產(chǎn)量，應維持穩(wěn)定，可選稀液流量FT1201作為蒸發(fā)器液位LT1201控制的操縱變量。另外，稀液上游壓力波動會引起稀液流量FT1201變化，導致蒸發(fā)器液位LT1201出現(xiàn)偏差。對此，可設(shè)計稀液流量FT1201控制副回路，及時消除稀液上游壓力(還有蒸發(fā)器壓力)波動對稀液流量的影響，保持蒸發(fā)器液位穩(wěn)定。基于以上分析，可設(shè)計以蒸發(fā)器液位LT1201為主被控變量、稀液流量FT1201為副變量的串級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 蒸發(fā)器液位串級控制系統(tǒng)框圖

3.4 蒸發(fā)器濃縮液出口流量控制

對蒸發(fā)器濃縮液出口流量控制，可設(shè)計以濃縮液出口流量FT1202為被控變量，以調(diào)節(jié)閥V1202開度為操縱變量的濃縮液流量FT1202單回路控制系統(tǒng)，控制框圖如圖6所示。

圖6 濃縮出口流量控制系統(tǒng)框圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用PCS7的綜合監(jiān)視系統(tǒng)，該軟件是一個基于多任務(wù)、多平臺、實時性好、開放性好的集成軟件包，組態(tài)簡便、高效，內(nèi)置所有SCADA功能[3]，具有報警實時記錄和運行參數(shù)曲線記錄的功能，便于發(fā)生故障時的數(shù)據(jù)分析。

4.1 實時過程監(jiān)控

在蒸發(fā)器工藝流程圖中，可以對每一個控制器進行參數(shù)設(shè)置，也可以進行報警參數(shù)設(shè)置和報警確認。對于工業(yè)領(lǐng)域常見的蒸發(fā)器單元，應裝設(shè)高低限報警和高高、低低限報警(且高、低報警信號能夠區(qū)分)。當流量和溫度處于極限位置時，聲光報警系統(tǒng)指示燈通過亮或滅、閃爍或顏色來顯示報警狀態(tài)，并通過聲音報警裝置發(fā)出報警聲提醒操作人員注意。實時過程監(jiān)控界面如圖7所示。

4.2 實時數(shù)據(jù)記錄

在系統(tǒng)正常運行時，監(jiān)控界面對出現(xiàn)的緊急故障停車記錄和在運行過程中參數(shù)的數(shù)據(jù)記錄曲線提供技術(shù)分析，從而使故障及時消除，同時為濃縮液的合格提供分析依據(jù)。

圖7 蒸發(fā)器實時監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

筆者采用SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)對蒸發(fā)器進行控制，詳細分析了SMPT-1000蒸發(fā)器單元的工藝流程，實現(xiàn)了蒸發(fā)器出口濃縮液濃度的實時控制。該系統(tǒng)的成功投運使整個蒸發(fā)系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，控制過程簡單安全，產(chǎn)量得到顯著提高。