溶解性溶液濃度的控制方法設(shè)計(jì)及PLC實(shí)現(xiàn)

尹向雷 馬曉虹

（1.陜西理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723003；2.陜西理工學(xué)院電工電子實(shí)驗(yàn)中心，陜西 漢中 723003）

果汁具有天然的果實(shí)風(fēng)味，含有多種對人體健康有益的維生素、礦物質(zhì)、微量元素及生物活性物質(zhì)，具有極高的營養(yǎng)價(jià)值和保健功能。市場上存在的果汁類產(chǎn)品通常有新鮮果汁和濃縮果汁兩種。濃縮后的果汁體積變小，便于運(yùn)輸和儲藏，還可以提高其儲藏的穩(wěn)定性［1］。果汁濃縮是生產(chǎn)果汁最重要的工序，關(guān)鍵在于如何保證果汁的質(zhì)量和減少能耗。對于懸浮溶液的濃度測量可以用在線濃度變送器測量，如刀式變送器［2］，但對于溶解性的稀液果汁，由于其濃度測量方法的限制，采用的濃度控制方法通常是離線含糖量的測量［3］，或者通過軟測量方法［4，5］，目前還很少采用在線測量方法。離線測量方法的缺點(diǎn)不言而喻，但溶解性溶液的在線測量變送器目前還很少見且很貴，這就提出了能否用更經(jīng)濟(jì)有效的方法去控制濃度的問題。本設(shè)計(jì)針對SMPT－1000實(shí)驗(yàn)裝置中的蒸發(fā)器單元進(jìn)行糖水濃度控制，以此模擬果汁濃度的控制，提出用串級和比值控制結(jié)合的濃度軟測量控制方法，并在仿真對象上進(jìn)行了測試。

1 控制問題的提出

以模擬典型工業(yè)自動化系統(tǒng)為對象，對蒸發(fā)器中溶液的濃度進(jìn)行控制方案的設(shè)計(jì)分析和PCS7的實(shí)現(xiàn)。

1.1 控制要求

圖1是一類有相變的典型換熱裝置——蒸發(fā)器的工藝流程圖［6］，其在過程工業(yè)中廣泛應(yīng)用于濃縮、提純等工藝。待濃縮的稀液由蒸發(fā)器上部進(jìn)入蒸發(fā)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(fā)器頂部排出，濃縮液從蒸發(fā)器底部排出。濃縮液濃度無法實(shí)時(shí)測量。稀液流量為F1201，稀液流量管線上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1201。濃縮液流量為F1202，濃縮液流量管線上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1202。二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽流量管線上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1203。

1.2 工藝要求

（1）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℃；

（2）蒸發(fā)器為真空操作，蒸發(fā)器壓力為PT1201，蒸發(fā)器溫度為TT1201，蒸發(fā)器液位為LT1201；

圖1 蒸發(fā)器工藝流程圖Figure 1 Process flowchart of evaporator

（3）待濃縮稀液初始濃度為5%，初始溫度為90℃；

（4）要求濃縮后產(chǎn)品的濃度控制在7.4%～7.6%，產(chǎn)量達(dá)到4.63kg／s；

農(nóng)業(yè)部農(nóng)技推廣服務(wù)中心節(jié)水處處長高祥照針對“節(jié)水農(nóng)業(yè)與水肥一體”進(jìn)行了深度解讀。他指出節(jié)水農(nóng)業(yè)是中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，節(jié)水農(nóng)業(yè)不僅僅是節(jié)約，更重要的是調(diào)節(jié)，是高效利用，包括“灌溉農(nóng)業(yè)”和“旱作農(nóng)業(yè)”兩大部分。

（5）蒸發(fā)器溫度TT1201不允許超過200℃，以防止結(jié)焦，在開啟濃縮液出口閥V1202后，TT1201不允許低于105℃，以保證確保滅菌效果；

（6）蒸發(fā)器液位LT1201不允許高于90%或低于50%；

（7）滿足節(jié)能、安全等其它工程要求；

（8）要求在理解被控對象的基礎(chǔ)上完成工程方案的設(shè)計(jì)及工程現(xiàn)場的實(shí)施。

2 控制方案設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)在于濃度無法實(shí)時(shí)測量。對此必須找出跟濃度有關(guān)的量，并對其合理組合或測量來達(dá)到要求。

和濃度有關(guān)的量有蒸發(fā)器中物料的液位、溫度以及二次蒸汽產(chǎn)生的壓力。當(dāng)液位和溫度一定時(shí)，二次蒸汽壓力越大，則待濃縮物料的沸點(diǎn)越高，蒸發(fā)越慢，濃度下降；當(dāng)液位和壓力保持不變時(shí)，溫度越高，蒸發(fā)越快，則濃度上升；當(dāng)溫度和壓力不變時(shí)，液位下降會使二次蒸汽的空間變大，壓力在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)偏小的擾動，從而物料蒸發(fā)加快，物料濃度上升，當(dāng)液位升高時(shí)，物料濃度下降。要說明的是，液位的變化會對濃度產(chǎn)生擾動影響，而不像溫度和壓力那樣會直接控制濃度，為了濃度的穩(wěn)定，液位最好設(shè)成定值。

2.1 液位、溫度以及壓力的確定

（1）液位的確定。蒸發(fā)器要求液位位于50%～90%，液位太低過熱蒸汽得不到有效利用，浪費(fèi)資源，液位太高，過熱蒸汽雖然和物料熱交換會更有效，但二次蒸汽的蒸發(fā)空間變小不利于蒸發(fā)，而且換熱具有更大的滯后時(shí)間，系統(tǒng)更難控制。綜合以上，設(shè)計(jì)蒸發(fā)器液位為80%，既有利于二次蒸汽有足夠的空間，又使熱能交換更合理。為了減少對濃度的擾動，控制過程中保持液位不變。

（2）溫度的確定。工藝要求溫度不允許低于105℃，以保證確保滅菌效果，也不允許超過200℃，以防止結(jié)焦。設(shè)定溫度不能太高，因?yàn)樵谙到y(tǒng)擾動時(shí)有可能會超過最大溫度要求，而且溫度過高會對過熱蒸汽造成浪費(fèi)，不利于節(jié)能。溫度也不能太低，溫度低雖然節(jié)能，但擾動可能會使工藝不能達(dá)到最低溫度以上?；诖?，設(shè)計(jì)溫度為108℃，給最低溫度以3℃的擾動欲量，而且能更有效的利用熱能。

2.2 間接測量法和物料守恒法

（1）間接測量法的原理如下，首先將稀液注入蒸發(fā)器至80%液位，并進(jìn)行液位自動保持，再將過熱蒸汽閥打開進(jìn)行稀液加熱蒸發(fā)，并將二次蒸汽閥打開到一定程度（不能太大，否則可導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重振蕩，可取20%）進(jìn)行二次蒸汽排放，同時(shí)對物料溫度及二次蒸汽壓力進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)溫度達(dá)到108℃時(shí)進(jìn)行保持。隨著二次蒸汽的排放，物料的濃度將會緩慢上升，對物料濃度進(jìn)行離線測量，當(dāng)物料濃度達(dá)到7.5%時(shí)記錄當(dāng)前二次蒸汽的壓力。這時(shí)，溫度、壓力以及液位都是確定值，且三者組合如果維持不變則物料濃度將維持不變。當(dāng)濃度達(dá)到要求時(shí)，在保持當(dāng)前溫度、壓力及液位不變的情況下，將濃縮后的物料緩慢從出料口放出，從而達(dá)到控制目的。

此種方法優(yōu)點(diǎn)：思路簡單，容易理解。缺點(diǎn)：① 要離線測量濃度，這是不符合設(shè)計(jì)要求的，那么只有在測試階段就記錄符合濃度對應(yīng)的壓力值；② 二次蒸汽閥門的開度不能太大，否則會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而很難確定壓力值，后果是系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間太長。

（2）物料守恒法的原理如下，通過前面的分析可知，壓力的確定必須在濃度符合要求的時(shí)候記錄，而設(shè)計(jì)要求不能監(jiān)測濃度，這就給濃度的判定帶來不便。通過對象特性分析可知，蒸發(fā)器的注入物料是稀液，而蒸發(fā)器的排出物是二次蒸汽和濃縮后的產(chǎn)品。這就是說在整個(gè)過程中物料是守恒的，即：稀液 ＝ 濃縮液 ＋ 二次蒸汽。如果利用物料守恒的法則計(jì)算這三者的總量之比，可以得到滿足濃度的比值，那么這個(gè)比值滿足時(shí)對應(yīng)的二次蒸汽壓力也就是需要控制的壓力。

為了計(jì)算這個(gè)比值，設(shè)稀液總量為A，排出二次蒸汽的總量為x，由于蒸發(fā)過程中糖的總量是不變的，則可得到式（1）方程式：

也就是說，當(dāng)排出二次蒸汽的總量和注入稀液的總量之比為1∶3時(shí)濃縮液的濃度恰好就是7.5%，此時(shí)對應(yīng)的壓力就是要穩(wěn)定的壓力值，只要控制住這個(gè)壓力就可以控制濃度。

這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要離線測量濃度，滿足了設(shè)計(jì)的要求，而且調(diào)節(jié)過程會大大縮短。但這個(gè)方法要注意的是，在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)二次蒸汽和稀液的總量之比接近條件時(shí)盡量不要超調(diào)，否則記錄的壓力可能偏低，這就要求控制方法不能片面要求速度。

2.3 控制的具體方案

根據(jù)以上分析，濃度控制方案采用物料守恒法。對蒸發(fā)器分4個(gè)回路進(jìn)行控制，分別控制物料液位、物料溫度、二次蒸汽壓力、濃縮液流量。

2.3.1 物料液位的液位流量串級控制 影響液位的因素有閥門的開度和流量，可以使用液位流量串級控制［7］，流量作為副控制回路，液位作為主控回路，其框圖見圖2。液位控制設(shè)定在80%，當(dāng)液位有擾動時(shí)，主控回路可直接控制，當(dāng)流量發(fā)生擾動時(shí)，副回路可提前動作，以減少對液位的影響。副回路進(jìn)行粗調(diào)，主回路進(jìn)行液位細(xì)調(diào)，可達(dá)到更好的控制效果。

2.3.2 物料溫度的溫度流量串級控制 當(dāng)過熱蒸汽的溫度一定時(shí)，影響物料溫度的因素有過熱蒸汽的流量和閥門開度。因此按照液位的控制策略，同樣采用溫度流量串級控制［8］，控制框圖見圖3。設(shè)定溫度為108℃，流量控制為副回路，溫度控制為主回路。

2.3.3 二次蒸汽的控制 二次蒸汽的控制是整個(gè)控制的關(guān)鍵部分，其直接決定著濃度的控制。設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用了比值控制的思想［9］，但又有其自身的特點(diǎn)，其控制框圖見圖4。

圖2 物料液位控制回路Figure 2 Control loop of material level

圖3 物料溫度控制回路Figure 3 Control loop of material temperature

圖4 二次蒸汽控制回路Figure 4 Control loop of secondary steam

二次蒸汽的閥門V1203由兩路PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并由開關(guān)K進(jìn)行必要的切換。開始時(shí)，開關(guān)K打在下方，以二次蒸汽和稀液的流量累計(jì)進(jìn)行閥門控制。待濃縮的稀液由左側(cè)進(jìn)入并進(jìn)行累計(jì)，同時(shí)右側(cè)的二次蒸汽流量通過累計(jì)并乘以3倍然后與稀液總量A進(jìn)行比較，從而使控制器對閥門進(jìn)行控制，其目的是使二次蒸汽的總量迅速逼近稀液總量的1／3，當(dāng)這個(gè)條件滿足時(shí)，通過比較器給CPU 1個(gè)信號從而對當(dāng)前的壓力值進(jìn)行記錄，并將開關(guān)K達(dá)到上方進(jìn)行壓力回路的閥門控制。

要指出的是：① 開關(guān)K在整個(gè)控制過程中只動作1次，即切換之后就一直保持為壓力回路控制二次蒸汽的調(diào)節(jié)閥；② 壓力值P0的記錄也只記錄1次，以免壓力值不斷變化從而影響給定壓力和最終的濃度控制；③ 因?yàn)閴毫χ挥涗?次，則要求流量控制回路盡量不要超調(diào)，否則會由于二次蒸汽的總量迅速逼近稀液總量的1／3而使記錄的壓力偏小，導(dǎo)致濃度偏大，所以流量累計(jì)控制回路中的調(diào)節(jié)器要進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，不能太快。

2.3.4 濃縮液產(chǎn)量的流量單回路控制 濃縮液的產(chǎn)量控制比較簡單，只要用單回路就可以很好地進(jìn)行控制，其控制框圖見圖5。

以上就是各個(gè)控制回路的設(shè)計(jì)，當(dāng)濃度第1次滿足要求時(shí)就要開始釋放濃縮液，并使?jié)饪s液的產(chǎn)量達(dá)到4.63kg／s，如果直接給出產(chǎn)量的最終值則會使系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重振蕩，而且濃度也會大幅振蕩。為此，應(yīng)設(shè)置1個(gè)緩慢增加產(chǎn)量設(shè)定值的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可用1個(gè)斜坡函數(shù)或者幾個(gè)積分函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖5 濃縮液控制回路Figure 5 Control loop of concentrated solution

2.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)移方框圖Figure 6 Block diagram of state transition

3 控制方案的PCS7實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的整體框架如圖7所示。上位機(jī)PC通過通信卡和主控機(jī)PLC相連接，PLC通過Profibus－DP電纜和從站泗博PM125相連，PM125下連接各個(gè)現(xiàn)場執(zhí)行器和變送器，軟件設(shè)計(jì)在西門子PCS7下進(jìn)行。

西門子PCS7是Step－7的升級軟件，更適合過程控制系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)，是完全無縫集成的自動化解決方案，可以應(yīng)用于所有工業(yè)領(lǐng)域，包括過程工業(yè)、制造工業(yè)以及工業(yè)所涉及的所有制造和過程自動化產(chǎn)品。PCS7是帶有典型過程組態(tài)特征的全集成系統(tǒng)，具有許多自動功能，可協(xié)助用戶快捷方便的創(chuàng)建項(xiàng)目。

PCS7的項(xiàng)目設(shè)計(jì)分為3步：硬件組態(tài)，CFC過程設(shè)計(jì)，SFC狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)。

將所用到的硬件如機(jī)架、CPU、電源以及各種模塊進(jìn)行組態(tài)。CFC的設(shè)計(jì)和Step7中的設(shè)計(jì)有很大區(qū)別，相對來說PCS7更加簡單、直觀，其界面和使用方法就和流行的EDA軟件一樣好用，設(shè)計(jì)中要用到的各種模塊就如同電子芯片一樣可以拖放并連線。建立一個(gè)CFC文件，將前面所設(shè)計(jì)的4個(gè)回路控制（圖2～5）設(shè)計(jì)好。SFC的設(shè)計(jì)類似于流程圖，將圖6的狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)在此文件中即可。

圖7 系統(tǒng)硬件構(gòu)架Figure 7 Framework of system hardware

需要注意的是本次設(shè)計(jì)中采用了的泗博PM125模塊，要使該模塊能正確通信，必須在CFC的設(shè)計(jì)中加入一段通信程序模塊，否則系統(tǒng)將不能正常工作，該通信程序可以參考泗博手冊。

4 結(jié)論

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在沒有專用在線濃度變送器的情況下，應(yīng)用壓力、液位、溫度等過程量以及與比值控制相結(jié)合的軟測量控制方法來進(jìn)行濃度控制，穩(wěn)定的控制了溶解性溶液的濃度，也得到了較好的控制效果，對溶解性果汁的濃縮液濃度控制設(shè)計(jì)具有很高的參考價(jià)值。

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