溶液中溫度、壓力、濃度同時控制的方法與實現

韋瑞錄 趙英

[摘 要]蒸發器的工藝流程圖在過程工業中廣泛應用于濃縮、提純等工藝。工業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元素組分含量的在線檢測，達到經濟可靠的目。且動態響應迅速、可連續給出濃縮過程中容質的含量，易于達到對產品質量的控制。

[關鍵詞]蒸發器;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（SMPT-1000）中的蒸發器單元，為連續蒸發系統。（圖1）

過熱蒸汽由蒸發器E1201中部通入蒸發器夾套，過熱蒸汽流量為FI1105，過熱蒸汽管道設有調節閥FV1105。經過換熱后的熱蒸汽變為冷凝水排出。待濃縮的稀液由蒸發器上部進入蒸發器，在與過熱蒸汽換熱后，稀液中的水分變成二次蒸汽由蒸發器頂部排出，濃縮液則由蒸發器底部排出。稀液流量為FI1201，稀液流量管線設調節閥FV1201。濃縮液流量為FI1202，濃縮液流量管線設調節閥FV1202。二次蒸汽流量為FT1203，二次蒸汽流量管線設調節閥FV1203。蒸發器壓力為PI1201，溫度為TI1201，液位為LI1201。

2 穩定控制需求分析

蒸發器工作原理是將稀液中的水分蒸發掉，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+水的蒸發量。雖然濃度在現實連續生產中較難檢測，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，蒸發器里面有許多管道，稀液進入蒸發器后就沿著管道流到蒸發器頂部再沿著管道流到蒸發器底部，然后又沿著管道流上蒸發器頂部再流到底部，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器內，從而達到穩定輸出的效果。并且蒸發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。所以蒸發器內有一個合適且穩定的液位，會大大提高系統的性能。由于水有沸點這一特性，所以蒸發器內的壓強關系到液體的溫度。當水溫度達到沸點時，溫度增加，那么溶液的蒸發量也增加，進而增加容器內水汽的量，迫使壓強增大改變沸點，所以控制好水汽出量也能調節水的蒸發量。水蒸氣的蒸發離不開“動力”，壓強一定的情況下，溫度高蒸發量就大，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定的溫度是非常重要的。它關系到整個系統的穩定性和安全性。穩定的濃液輸出，能夠保證產量，在質量得到保證的前提下，需使濃液的輸出量趨于穩定。

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

在滿足工藝要求的前提下，要提高系統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，蒸發量越高，但在密閉的容器里溫度越高，蒸發量越大，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，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器內的壓強有關，蒸發器內壓強越大，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，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系，一個變量的改變，可能使整個系統出現擾動。如果單獨對一兩個變量進行調定，會使系統增加擾動范圍。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

4.1 溫度、壓力控制方案

溫度關系到生產過程中的能耗，產品的殺菌作用，保證溫度的穩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、蒸發量有影響，溫度和水的蒸發也有一定的關系。所以溫度、壓力控制會使液位產生影響，從而影響濃液的濃度。所以先對溫度、壓力進行調控，使它們趨于穩定。根據杜林直線，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定的值或者是較小的范圍內，以便于其他變量的調節。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。蒸發過程中，稀液流量變大，會使蒸發器內的液體溫度下降;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系，一個變量的改變，可能使整個系統出現擾動。所以在調節時選用串級調節，如圖2所示。蒸發器內溫度改變時，過熱蒸汽通道內的溫改變較小，可以不作考慮。

為了減少調節時的擾動，內環只使用比例PI。內環主要用于穩定流量，減少外環調節時的擾動。外環則是用來調節溫度，使用比例P、積分I、微分D。要使溫度快速穩定、誤差小且要快速響應，以便后面調節。

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，變成濃液排出。蒸發器內的溫度，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——蒸發器溫度。蒸發器是利用熱量來蒸發水達到濃縮和滅菌的作用，溫度的高低與水蒸發量密切相關。蒸發過程中對濃度有很大的影響，所以調節的好壞直接關系到產品的質量。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元素組分含量的在線檢測，達到經濟可靠的目。且動態響應迅速、可連續給出濃縮過程中容質的含量，易于達到對產品質量的控制。

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器內滯留液體的質量，這一部分同時包含了滯留溶液溶質。

4.2.1.2 數據處理。基于軟測量的先進控制與優化中，融合了大量的現場數據。現場測量數據通過安裝在現場的傳感器、變送器等儀表獲得。由于受到儀表精度、測量方法、生產環境等的影響，測量數據都不可避免地含有誤差，有時甚至是過失誤差。而任一數據的實效都會影響軟測量系統的性能，影響生產。因此，對原始生產數據進行預處理以得到精確可靠的數據，以提高軟測量系統的準確度。

使用隨機誤差處理剔除跳變信號，常采用遞推數字濾波方法，過失誤差出現的幾率較小，但是它將嚴重影響輸入數據的準確性和可靠性，從而影響軟測量模型的精度。因此，及時發現、剔除和校正含過失誤差的數據是誤差處理的重要環節。利用合適的方法對數據進行轉換，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秒蒸發器內液體的質量（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 蒸發器內液體的質量 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：

此數學模型利用上一個時間的濃度計算當前濃度。并將蒸發器內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，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 實現模糊控制的兩種設計方法[J].工業控制計算機，2002（02）.