SMPT液位控制系统设计方案.docx

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SMPT液位控制系统设计方案

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

基于SMPT-1000的液位控制系统设计

作者：

指导教师：

苏州市职业大学电子信息工程学院

2013年5月

摘要

SMPT-1000是一款将全数字仿真技术与实物外观模拟装置相结合，集多种实验功能于一体的仿真实验装置，此装置由硬件、软件两大部分构成，软、硬件之间通过小型实时数据库和实时数字通信机制协调运行，完成过程模拟。

SMPT-1000仿真模拟果汁生产果浆的一套实验装置，是采用4~20mA的电流信号模拟现场的一些真实的物理量，此最大的特点是方便理论的操纵验证。

SMPT-1000模拟由锅炉和蒸发器组成的水汽热能全流程，可拆分成非线性储罐与离心泵单元、动力除氧单元、高阶换热单元、加热炉单元、锅炉单元、蒸发器单元，提供由简到难的各个层次的过程控制被控变量。

SMPT-1000仿真生产装置包括五个生产工艺流程，本文主要通过对的第一环节对象，除氧器做详细的说明，以此来说明这套装置的作用，以及多种控制方案的选用。

关键词：

SMPT-1000仿真装置电流信号除氧器控制方案

Abstract

SMPT-1000isafulldigitalsimulationandphysicalsimulationdevicecombination，Thesimulationexperimentdevicesetinavarietyofexperimentalfunctions，Thisdeviceconsistsofhardware,softwaretwoparts.Thesoft,hardwarethroughthecoordinatedoperationofsmallreal-timedatabaseandreal-timedigitalcommunicationmechanism,processsimulation.

SMPT-1000simulationofanexperimentaldeviceofjuiceproductionoffruitjuice,issomerealphysicalquantityofcurrentsignalusing4~20mAsimulationsofthesite,thebiggestfeatureistheeasymanipulationtoverifytheory.

SMPT-1000simulationofthewholeprocessiscomposedofboilerandtheevaporatorvaporheatenergy,canbedividedintononlineartankwithcentrifugalpumpunit,powerdeoxidizationunit,highorderheatexchangeunit,heatingunit,boilerunit,evaporatorunit,fromsimpletodifficultatalllevelsoftheprocesscontrolthecontrolledvariable.

SMPT-1000simulationofaproductiondevicecomprisesfiveproductionprocess,thispapermainlythroughthefirststepofthedeaerator,detaileddescription,inordertoexplaintheroleofdevice,andavarietyofcontrolscheme.

Keywords：

SMPT-1000currentsignalsimulationdeviceDeaeratorControlScheme

第1章SMPT-1000硬件概述

1.1SMPT-1000硬件

1.1.1SMPT-1000的硬件组成

SMPT-1000按实际比例比例缩小的流程设备模型，是集多种实验功能于一体的仿真实验装置。

SMPT-1000硬件主要包括设备盘台、数字式软仪表、接口硬件、嵌入式工控机、辅助操纵台等。

图1-1所示为SMPT-1000外观结构。

蒸发器

省煤器

炉膛

钢制盘台

图1-1SMPT-1000外观

v立体流程设备盘台

✧按比例缩小的流程设备模型

SMPT-1000运用真实的立体管路和空间分布的设备外观设计，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型，主设备包括1台卧式除氧器、1台盘管式省煤器、1台加热炉炉体、1台除氧罐、1台列管式换热器、1台蒸发器、2台离心泵、1台鼓风机、11个手操/自控双效阀（其中有2个旋钮位于辅助操纵台上）、5个开关阀、1个炉膛着火指示灯以及若干管路系统。

✧数字式软仪表

空间分布有9个流量（F）、3个液位（L）、5个压力（P）、4个温度（T）、1个组分的仿传感器（变送器）数字式软仪表。

✧显示屏

可进行人机交互、完成实验工程管理、组态等

✧运行指示灯和报警蜂鸣指示

v钢制盘台

✧嵌入式工控机

运行仿真软件、管理实验工程、完成控制系统实

✧辅助操纵台

报警灯、报警确认开关、电机启动开关、点火开关、风机调速旋钮、烟道挡板开度、联锁保护切换开关、紧急停车按钮、蒸汽指示灯

✧标准I/O系统

8路12位模拟量输入/输出、16路数字量干点输入/输出ProfibusDP通信接口

v除氧器+炉膛+省煤器+除氧罐+换热器=锅炉系统

v锅炉+蒸发器=水汽热能全流程

v锅炉系统之水汽系统---“锅”

✧除氧器，整个流程是从这儿开始的。

从公用工程来的锅炉给水到这里，用蒸汽把给水加热到饱和温度，把里面溶解的氧和二氧化碳逼出来，以免锅炉结垢。

✧省煤器，从除氧器出来的锅炉给水，进入省煤器预热，降低排烟温度，提高锅炉热效率。

✧除氧罐，小锅的心脏，饱和水在这里进行汽水分离。

饱和水有的是从省煤器来的，有的是从水冷壁来的。

水冷壁：

除氧罐的饱和水经过对流管束进入水冷壁，在水冷壁中吸收炉膛辐射热，变成汽水混合物，再返回到除氧罐进行汽水分离。

过热器：

由除氧罐分离出来的饱和蒸汽首先进入过热器，进行汽相升温，变成过热蒸汽。

✧减温器，就是列管式换热器，主要是调节过热蒸汽温度，调节范围在10~33℃之间。

v锅炉系统之燃烧系统---“炉”

燃油经油泵输送进入炉膛燃烧，空气由鼓风机吹入炉膛助燃。

燃烧产生的热量传给锅炉水，燃烧后的烟气经烟道通过烟囱排入大气。

✧泵，是将液体从低位输送到高位的设备。

在小锅的身上，有一个锅炉上水泵，还有一个燃油泵。

✧风机，主要的作用就是送风或引风。

在这里是个鼓风机，是负责往炉膛里送助燃风的。

✧蒸发器用小锅的蒸汽，把蒸发器里的稀液加热，把稀液里面的水蒸出来~。

✧在小锅身上，大部分都是数字式软仪表，模拟检测、变送、显示三位一体的测量仪表。

蓝色外壳的显示流量，绿色外壳的显示压力，橘黄色外壳的显示温度，灰色外壳的显示组分。

光柱，模拟显示是液位。

1.1.2小锅的测量器和变送器

测量变送器

工艺变量是通过检测元件（又叫传感器）获取的，它把工艺变量转化成一个与之成对应关系的输出信号，比如：

热电阻测温度时，把被测温度转化成电阻信号；节流装置测流量时，把被测流量的变化转化成差压信号。

流量计

针对一般流体、液体、蒸汽流量的测量，可选择差压式流量计、转子流量计、速度流量计（靶式流量计、涡轮流量计、涡街流量计）、超声波流量计、科氏力质量流量计、热导式质量流量计、旋进旋涡流量计。

流量测量节流装置在工业中应用最广泛，节流装置属于差压式流量计，如孔板流量计、文丘里管等。

差压式变送器在使用时往往要考虑输出零点调整的问题。

一体式仪表

对于检测仪表来说，检测、变送、显示可以是3个独立部分，也可以只用到其中2个部分。

比如热电偶测量温度得到的毫伏信号，可以不通过变送器，直接送到电子电位差计显示。

当然，检测、变送和显示可以有机地组合在一起成为一体，比如单圈弹簧管压力表，测量出来的压力值，通过变送后直接就可显示出来。

1.1.3SMPT-1000的执行器

执行器在控制系统中的作用是接受控制器的输出信号，直接控制能量或物料等，调节介质的输送量，达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。

执行器就是实现生产过程自动化的“手脚”，执行器可以分为电动执行器气动执行器。

电动执行器

把来自控制器的0~20mA或4~20mA的直流统一电信号，转换成与输入信号相对应的转角或位移，推动各种类型的调节阀，调节生产工艺过程中的流量。

能源取用方便、信号传输速度快和传输距离远，适用于防爆要求不太高及缺乏气源的场所。

气动执行器

接受控制器（或转换器）的输出气压信号20~100KPa，按照一定的规律转换成推力，推动调节阀产生一定的位移。

 工作可靠、维护方便、防火防爆，目前在工业控制中获得最普遍的应用。

在过程控制系统中，最常用的执行器是气动薄膜调节阀。

第2章SMPT-1000软件概述

2.1SMPT-1000软件组成

SMPT-1000软件系统主要包括上位机软件SMPTLAB、实时仿真引擎软件SMPTRuntime其他软、硬件接口软件。

SMPTLAB初始画面如图2-1所示。

图2-1SMPTLAB初始画面（换新的）

在SMPTLAB中打开一个工程，SMPT-1000监控环境主要由3部分组成：

流程图窗口、趋势曲线窗口和控制组态窗口。

图2-2SMPTLAB工程画面

2.1.1上位机软件SMPTLAB的功能

实现实验工程的管理、实时数据的监视、控制系统的组态等日常实验功能

✧实验工程管理软件

实验开始、停止、恢复功能；

实验工程切换功能；

实验工程当前状态存储（快照）功能；

多画面切换功能；

参数设置功能；

设备快速与完整自检功能……

实验系统监控软件

流程图画面显示及实时数据显示功能；

趋势画面组态及显示功能；

趋势曲线辅助分析功能……

✧控制系统图形组态软件

控制系统图形化组态功能；

控制方案设计功能；

控制算法组态功能……

2.1.2实时仿真引擎软件SMPTRuntime的功能

完成实时动态仿真计算以及数据管理功能。

SMPT-1000软件运用动态定量数学模型，精确模拟真实工艺过程，完成实时动态仿真计算以及数据管理功能。

SMPT-1000软件的具体应用，将在之后的章节中结合具体实例进行详细的讲解。

第3章除氧器简单介绍

3.1除氧器

本文主要是以除氧器为被控对象来体现SMPT-1000的仿真效果，以及过程控制方案的设计。

所以接下来先简单介绍下除氧器。

图3-1为除氧器实物图。

图3-1除氧器

3.1.1除氧器作用

整个流程是从除氧器开始，用除氧器来去除热力系统给水中的溶解氧及其他气体，再供给以后的生产单元，防止热力设备的腐蚀。

3.1.2除氧器结构

除氧器由上部热力除氧头和下部卧式水箱组成从公用工程来的锅炉给水进入除氧器下水箱，除氧蒸汽分别进入除氧头和下水箱，用蒸汽把给水加热到饱和温度，把里面溶解的氧和二氧化碳逼出来，以免锅炉结垢。

3.1.3除氧器原理

根据水中气体的溶解特性，要想将水中任何一种气体除去时，只要将水面上存在的该气体除去即可，因此希望排除水中的各种气体，最好水面上只有水蒸气而无其他气体。

采用热力除氧的方法，就是用蒸汽来加热给水，使水的温度达到相应压力下的沸腾温度。

当水被加热到沸腾温度时，水面上全是水蒸气，水不再具有溶解气体的能力，氧气由于溶解度减小而逸出，保证锅炉给水的含氧量达到水质量标准要求。

第4章除氧器液位控制系统设计

4.1除氧系统工艺流程

图3-2为除氧器系统工艺流程示意图，经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，软化水流量为FI1106，温度为常温20℃，经由调节阀FV1106进入除氧器V1101顶部。

除氧蒸汽分两路，一路进入热力除氧头，管线上设有调节阀PV1101；另外一路进入除氧器下水箱，管线上设有开关阀XV1106。

除氧器压力为PI1106，除氧器液位为LI1101。

软化水在除氧器底部经由上水泵P1101泵出，出口流量FI1101，出口管线阀FV1101。

图3-2为除氧器系统工艺流程

4.2选择被控变量确定操纵变量

一般的过程控制系统是由被控变量和自动控制两大部分或由被控变量、测量变送器、控制器、控制阀四个基本环节组成。

被控对象除氧器也可以看成是储蓄罐，罐体中存储经过除氧的除氧水，除氧器作为整个生产工艺的首个环节，是否能稳定的供应除氧水，关系到后面生产环节的稳定，所以储罐需具有一定的水储量，使锅炉正常、安全地运行。

选择除氧罐中的液位作为被控变量，可以看到对罐体液位影响最大的两个变量为进口的软化水进水流量和出口的去锅炉除氧罐出水流量。

一般情况下在选取操纵变量的时候要选择对被控对象影响较大的变量做为我们的操纵变量，以便能够得到较好的控制效果。

从上图可以看到，对除氧罐液位影响较大的有两个变量理论上都可以作为操纵变量，但是为了满足生产工艺要求，我们还是选择入口流量来作为操纵变量。

如果选择用出口流量来控制液位的话，那么为了维持罐体液位的稳定，出水口流量势必不断变化波动，那么去往下一生产单元的流量就会不稳定，势必会影响后面的生产单元。

在此我们可以确定被控变量为除氧器液位，操纵变量为除氧器进水流量。

4.3调节阀的选择

FV1106是除氧器进水流量调节阀，一旦系统出现故障，气源信号减弱，这时为了防止锅炉发生干烧危险，应保证有水进入锅炉，调节阀应处于打开状态，所以选择气闭式调节阀。

根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。

但是在SMPT-1000中使用的调节阀全部默认为气开式调节阀，在此仿真装置中，可以不进一步的追究，但是在现实生产过程中，必须从安全的角度选择阀门的气开气关。

气开、气闭的选择原则：

主要从工艺生产上的安全要求出发。

当输入气压信号中断时，应保证设备和操作人员的安全。

如果阀门打开的时候，危害性小，就应该选用气闭式，这样当气源系统发生故障、气源中断时，阀门能够自动打开，保证安全。

反之，如果阀门关闭时，危害性小，就应该选用气开阀。

4.4控制方案设计

控制的对象为除氧器罐，被控变量为储蓄罐的液位，根据选择被控变量确定操纵变量内容的描述，选择储蓄罐的入口流量来作为操纵变量。

控制系统的方案设计可以有以下几种方案。

4.4.1单回路控制系统

（1）单回路液位控制系统的方块图

由图3-2为除氧器系统工艺流程可以看到，系统的被控对象为除氧器罐V1101，被控变量为除氧器液位L1101，操纵变量为入口流量的调节阀FV1106,为此可以根据图3-2我们可以画出液位单回路控制系统的方块图如图3-3所示。

图3-3液位单回路控制系统的方块图

（2）控制器正反作用的选择

确定了系统的变量以及控制方案，接下来要调用PID控制系统的液位稳定，由此要涉及到控制器的正反作用的选择。

控制器正反作用的判定为，控制器的输出随着其输入偏差的增大而增大为正作用控制器，控制器的输出随着其输入偏差的增大而减小为反作用控制器。

在确定控制器正反作用的时候一般的情况下根据系统必须构成负反馈，系统总的开环放大倍数必须为负，也就是构成系统的各个环节的符号乘积为负，来确定控制器的正反作用。

为了快速的确定控制器的正反作用，在此可以运用如下的分析过程来确定控制器的正反作用，要控制的是储罐的液位，假如除氧器液位液位此时升高，为了使得液位保持稳定，此时操纵变量即入口流量调节阀要开小，才可能使得液位降低以维持稳定,由此可以看到调节阀与液位成反比的关系，这样就很容易确定，控制器的作用为反作用而不用通过进繁琐的“负号法则”进行选择控制器的正反作用。

（3）控制规律的选择及控制参数的调整

对于除氧罐的液位，其实在整个系统中的精度要求不是很高，只要满足罐体中有除氧水，不影响后面的工艺生存就可以了，所以可以简单的选择比例控制。

但是纯比例控制存在一定的误差，从另一方面来说，虽然除氧器液位对整个系统来说精度要求不高，但是对于储蓄罐这个被控对象来说还是有意义的需要达到一定的精度，为此要消除误差的存在，引入积分的作用，积分有消除误差的作用，能够使得液位达到相对精确稳定的液位高度。

控制器参数的调整方法有经验凑试法、衰减振荡法、等幅振荡、临界比力度法，最常用的方法为经验凑试法，其具体步如下：

置控制器积分时间Ti为99999，微分时间Td=0，在比例度按照经验设置的初值条件下，将系统投如运行，整定比例度。

若曲线振荡频繁，则加大比力度；若曲线超调量大，且趋于非周期过程，则减小比例度，求得满意的4:

1过程曲线。

引入积分作用（此时应将比例度设置为1.2倍）。

将Ti由大到小进行整定。

若曲线波动较大，则应增大积分时间Ti；若曲线偏离设定值后场时间回不来，则需减小Ti以求得较好的过度过程曲线。

若需要引入微分作用时，则将Td按经验值或按Td=（1/3~1/4）Ti设置，并由小到大加入。

若曲线超调量大而衰减缓慢,则需增大Td；若曲线振荡厉害，则应减小Td。

观察曲线，再适当控制比例度和Ti，反复调试直到求得满意的过程过度曲线。

需要指出的是，有人认为比例度与积分时间Ti可以在一定范围内匹配，若减小比例度可以用增大Ti来补偿，若需引入微分作用，可以按以上所述进行调整。

将控制器参数进行反复凑试。

（4）SMPT-1000软件仿真调试

具体的步骤如下：

1、确保在SMPT-1000监控环境中打开储罐工程02_TankLI1101Control。

2、点击工具栏中的按钮，打开阀门/挡板控制配置对话框，将阀门FV1106设为内控状态。

图3-4阀门/挡板控制配置对话框

3、点击工具栏中的按钮，将当前窗口切换到控制组态画面，进行控制系统组态。

（1）设置数据源，采集储罐液位实际测量值作为控制器输入。

◆ 在SMPTLab左侧浮动工具盒中，已经打开基本模板目录，目录中包括了组成控制回

路常用的控制器输入模块、控制器输出模块和PID控制器模块。

◆用鼠标左键选中“控制器输入”不放，拖动至控制组态窗口中放开，即在控制组态窗

口中生成了一个“数据源”模块。

双击该模块符号，弹出数据采集点配置对话框。

在选择位号下拉框中，选择LI1101，

即表示当前数据源模块将从现场获取LI1101位号对应的实时数据。

◆点击【确定】按钮，完成对储罐液位信号的配置。

（2）PID控制器组态。

◆在基本模板目录中，选中“PID控制器”图标，并将它拖放至控制组态窗口，生成如

下图所示的PID控制器图标。

 图3-5“PID控制器”图标

◆双击该图标，弹出PID控制器配置对话框。

 图3-6PID控制器配置对话框

按照下面表3-1中的内容设置控制器参数。

模块

参数 

取值

说明 

PID控制器 

位号

LIC1101 

储罐液位控制器 

状态

手动

正反作用

反作用

参数Kc

4

比例增益

参数Ti

30

积分时间

参数Td

0

不使用此参数

表3-1控制器参数

◆配置完成后，点击【确定】按钮，当前PID控制器的图标将更新。

 （3）信号连接。

完成上述步骤后，控制组态窗口如下图所示。

 图3-6PID控制器配置对话框

为了将“数据源”模块检测到的实时数据LI1101输入“PID控制器”模块，并将控制器模块的输出通过“控制输出点”模块调节流程盘台上的FV1106调节阀开度，需要在上图所示的图中添加信号线，以连接三个模块。

◆点击控制组态窗口工具栏中信号线按钮，将鼠标移至数据源中央黑色实心小圆孔处，待圆孔四周出现红色方框时单击。

然后将鼠标移到PID控制器图形的左侧小字PV处的空心圆点处，待圆孔四周出现红色方框时再次单击，系统将生成一条从数据源LI1101模块至PID控制器LIC1101模块的信号连接线，表示从变送器获得的现场LI1101液位的实时数据，将作为PV值被送入LIC1101控制器。

◆用相似的办法，建立从LIC1101控制器模块的OP处至控制输出点FV1106模块的信号连接，表示PID控制器的输出OP值，将被送入控制输出点FV1106模块所对应的调节阀，作为该调节阀的目标开度。

◆液位LI1101的单回路PID控制系统组态结果如图所示。

 图3-7单回路PID控制系统组态

4、在趋势曲线画面中添加FV1101的实时曲线。

5、确认阀门FV1101开度为30。

6、点击工具栏中运行的按钮，将当前窗口切换到控制组态画面，双击LIC1101控制器模块，在弹出的PID控制器配置对话框中，将输出OP的值设置为41.56。

7、点击工具栏中的运行按钮，让储罐工程运行起来。

8、控制系统投运和控制器性能测试。

（1）控制系统的投运 

在控制器组态画面，选中LIC1101控制器图标，点击工具栏中的按钮，打开LIC1101控制器的操作面板。

控制器状态为手动，可进行手动控制。

不断修改OP值，也就是不断改变阀门FV1106开度，观察SP和PV的值。

你会发现PV和SP的值将不断变化，当其值达到60%左右时，将控制器状态设置为自动，将控制器投自动。

（2）施加扰动测试控制器性能 

将LI1101设定值从60变为50，记录LI1101的响应曲线。

待LI1101稳定后，将LI1101设定值从50再变为60，记录LI1101的响应曲线。

待系统稳定之后，点击工具栏中的按钮，将当前窗口切换到流程图画面。

双击阀门FV1101，在打开的阀门/挡板类设备属性对话框中，将FV1101开度设置为50，观察LI1101曲线的变化趋势。

当LI1101稳定后，再将FV1101开度调回到30，等待液位稳定。

 图3-8体现了被控变量LI1101曲线的变化趋势。

 图3-8LI1101曲线的变化趋势

当储罐液位LI1101的设定值SP下降（增加）时，液位控制器LIC1101的输入PV-SP变大（变小）。

由于LIC1101为反作用控制器，它将指挥执行机构FV1106相应关小（开大），使得LI1101的PV实测值相应下降（增加），向SP靠拢。

由于LIC1101为PI控制器，可确保对液位的无静差调节。

在FV1106开度变小（变大）时，FI1106相应减少（增加）。

在改变FV1101的开度时，相当于施加了扰动。

当FV1101开度变大（变小）时，储罐出口流量相应增加（减少）。

在储罐入口流量不变的前提下，储罐出口流量增加（减少），储罐液位LI1101相应下降（上升）。

LI1101的下降（上升），使得LIC1101的输入PV-SP变小（变大），控制器将调节FV1106开大（关小），将LI1101的PV调整到设定值。

可以看到，在LIC1101的作用下，无论LI1101受到何种影响，储罐液位都没有因为自身的非自衡的特性而持续下降（上升），而是重新达到稳态。

9、实验完毕时，点击工具栏中保存按钮，保存工程。

然后关闭SMPT‐1000实验系统。

到此完成了单回路液位控制系统的全部任务。

4.4.2串级控制系统

在单回路控制系统的实验中，已经详细的介绍了SMPT-1000仿真软件的使用方法，所以接下来不再详细的讲解关于软件使用方面的内容。

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