基于SMPT-1000实验平台的蒸发器控制实验设计

王效（内蒙古民族大学机械工程学院）

基于SMPT-1000实验平台的蒸发器控制实验设计

王效
（内蒙古民族大学机械工程学院）

由于过程工业流程相对复杂，生产过程往往伴有高温、高压、强非线性等特性，把生产装置移到实验室进行控制是非常困难的。SMPT-1000实验平台是运用高精度动态仿真技术将实际工业装置的各种对象特性用数字化手段完整地在小型化半实物实验装置上得到再现的一个实验平台，能够很好地模拟实际工业现场的状况，方便在实验室进行有针对性地控制实验和研究。

SMPT-1000；蒸发器；温度控制；工业控制方案

一、控制要求及工艺流程

本文主要对蒸发器进行控制。根据“西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型竞赛组”的参赛题目，在浓缩液产量稳定4.63的前提下，保证浓缩液中组分（糖分）维持在7.4%～7.6%的波动范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定，并要充分考虑生产过程中可能出现的异常情况。从生产单元冷态起，按照开车步骤实施全自动顺序控制，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。

蒸发器的工艺流程为：浓缩的稀液由蒸发器上部进入，吸收过热蒸汽提供的热量，稀液中的水分变成二次蒸汽从蒸发器顶部排出，浓缩液从蒸发器底部排出。

二、特性分析

1.对象特性分析

通过综合分析，蒸发器装置是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括稀液输入量、稀液浓度、过热蒸汽输入量等；主要输出变量是蒸发器的液位、蒸发器的温度、蒸发器的压力、浓缩液输出量、浓缩液浓度、二次蒸汽输出量等。上述输入变量与输出变量之间相互关联。本文主要对蒸发器的温度进行控制，蒸发器的温度主要由过热蒸汽的输入量决定，过热蒸汽输入量增加，蒸发器温度升高，同时蒸发器的温度受稀液的输入量的影响，当稀液输入量增加，会降低蒸发器的温度。

2.被控参数特性分析

本文主要对蒸发器的温度进行控制。温度动态特性的特点：其一，惯性大，容量滞后大，有些过程的时间常数达到十几分钟；其二，温度对象通常是多容的。由于温度滞后大，控制起来不灵敏，但传统的PID控制方法也能达到很好的控制效果。

三、蒸发器控制系统总体方案设计

1.基础过程控制系统

包括对蒸发器液位、浓缩液流量、蒸发器温度、二次蒸汽流量和浓缩液浓度控制，分析各个被控量的影响因素，确定控制方案，选择调节阀类型，控制器正反作用的确定以及控制规律的选择。

这三套系统的实现分为三层：（1）现场层，PLC通过远程I/O模块与蒸发器系统相连；（2）监控层，即上位机，在工控机里实现蒸发器控制系统；（3）网络层，包括PLC与远程I/O模块ProfiBus总线和PLC与上位机以太网控制总线相连。

2.控制系统的设备选择及连接

ES/OS通过工业以太网与AS相连，AS与外围设备模板ET200M之间是用PROFIBUSDP连接。现场的4～20mA信号以及数字量信号通过输入输出模块连接在ET200M上。SIMATIC PCS7 PC机能够实现工程师站和操作员站的功能，可以与ET 200M IM153-2直接通信，简化了上层网络，使网络结构变得简洁，清晰。

通过硬件配置器（HWConfig，HardwareFunctionEnvironment）进行硬件组态。在WinCC上的控制面板，直接调节传统PID控制器参数。CFC组态主要用于设计库、自动化逻辑、连锁、算法和控制等。对蒸发器系统的基础控制可以采用CFC实现控制功能，这些功能在CFC编辑器中以图形块的形式表示。通过SFC组态可以创建和调试工艺顺序控制系统。蒸发器系统的自动开车过程，SFC组态实现控制。使用PCS7内置的WinCC组态软件对操作员站进行组态，能够构建良好的人机界面，实现对蒸发器装置的实时控制与调整、安全运行监控和管理功能。

四、运行状态分析

系统处于冷态时所有阀门关闭。根据蒸发器开车顺序，首先建立蒸发器液位，打开稀液流量阀，使液体进入蒸发器，蒸发器液位不断的升高，并达到设定值80%左右，这时，液位的平衡建立完毕，之后建立温度控制，将过热蒸汽阀V1105打开，向蒸发器中通入过热蒸汽，同时打开二次蒸汽阀V1203，蒸发器的温度也随之上升，二次蒸汽的流量也随之上升。当蒸发器的温度稳定在108℃时，过热蒸汽流量和二次蒸汽流量稳定在一个数值。由于蒸发器液位越高，过热蒸汽的流量越大，在满足工艺要

求的前提下，生产过程中将蒸发器的液位稳定在55%，这样既保证了生产要求，同时也节约了过热蒸汽的使用量。将蒸发器液位控制器的设定值改为55%。由于浓缩液浓度这个量不能在线测量，当蒸发器液位和温度一定时，通过软测量的方法建立了浓缩液浓度与稀液流入量、二次蒸汽流出量和浓液流出量之间的关系，控制好二次蒸汽的输出量就可以间接地控制好浓液的浓度。当二次蒸汽量增加，浓液的浓度逐渐增加，当浓度到达7. 5%时，将浓液输出阀打开。

五、小结

本文以SMPT-1000蒸发器为研究对象，根据“西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型竞赛组”的参赛题目的要求设计实验过程。根据蒸发器的工作流程，对各个流程、被控对象特性、被控参数特性进行了分析，从而设计出蒸发器控制系统总体设计方案，再根据总体设计方案确定控制系统的设备选择及连接，最终完成了整个实验过程。从最终的结果来看，达到稳定的控制效果，很好地控制实验和研究。

［1］程林，杨培毅，陆煌.换热器运行导论［M］.北京：石油工业出版社，1995：2-17.

［2］赵钦新，王宇峰，王学斌，等.我国余热利用现状与技术进展［J］.工业锅炉，2009（5）：8-15.

［3］李建锋，吕後复.热力塔系统用于湿冷火电厂余热利用及水回收研究［J］.中国电机工程学报，2010，30（23）：24-33.

［4］Wei DH，Lu XS，Lu Zet al.Dynamic modeling and simulation of an Organic Rankine Cycle（ORC）system for waste heat recovery［J］. Applied Thermal Engineering，2008（28）：1216-1224．

［5］林万超.火电厂热系统节能理论［M］.西安：西安交通大学出版社，1994：24-33.

［6］阎皓峰，甘永平.新型换热器及传热强化［M］.北京：宇航出版社，1991：5-27.

［7］王鸣.一种换热器的变PID参数的控制方法与实现［J］.机电工程，2001（6）：47-49.

［8］史芙中，王中铮.热交换器原理与设计［M］.4版.南京：东南大学出版社，2009：4-10.

·编辑杨国蓉