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溶液中温度、压力、浓度同时控制的方法与实现

范文

韦瑞录赵英

[摘要]蒸发器的工艺流程图在过程工业中广泛应用于浓缩、提纯等工艺。工业上对于浓度时时测量有难度大、成本高的特点。在本项目中浓液的浓度无法测量，因此本方案先用软测量的方法。把自动控制理论与生产过程知识有机的结合起来，应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，以软件来替代硬件的功能。应用软测量技术实现元素组分含量的在线检测，达到经济可靠的目。且动态响应迅速、可连续给出浓缩过程中容质的含量，易于达到对产品质量的控制。

[关键词]蒸发器;浓度;温度;控制算法

[中图分类号]X781.1 [文献标识码]A

1 工艺流程分析

被控对象为多功能过程控制系统（SMPT-1000）中的蒸发器单元，为连续蒸发系统。（图1）

过热蒸汽由蒸发器E1201中部通入蒸发器夹套，过热蒸汽流量为FI1105，过热蒸汽管道设有调节阀FV1105。经过换热后的热蒸汽变为冷凝水排出。待浓缩的稀液由蒸发器上部进入蒸发器，在与过热蒸汽换热后，稀液中的水分变成二次蒸汽由蒸发器顶部排出，浓缩液则由蒸发器底部排出。稀液流量为FI1201，稀液流量管线设调节阀FV1201。浓缩液流量为FI1202，浓缩液流量管线设调节阀FV1202。二次蒸汽流量为FT1203，二次蒸汽流量管线设调节阀FV1203。蒸发器压力为PI1201，温度为TI1201，液位为LI1201。

2 稳定控制需求分析

蒸发器工作原理是将稀液中的水分蒸发掉，从而得到一定浓度的浓液。在这个过程中存在着这样的关系：稀液的质量=浓液的质量+水的蒸发量。虽然浓度在现实连续生产中较难检测，但只要保证这三个量的关系一定，浓度就可以通过公式计算出来。由于管道的流量单位都是相同的，使用公式进行计算也方便，如果不相同还需要进一步转化。立式蒸发器选用了一个较大的容器作为液体的缓冲，将进口与出口分开，蒸发器里面有许多管道，稀液进入蒸发器后就沿着管道流到蒸发器顶部再沿着管道流到蒸发器底部，然后又沿着管道流上蒸发器顶部再流到底部，浓缩液就这样从底部出液。如果进口量大，多出的部分会留在蒸发器内，从而达到稳定输出的效果。并且蒸发器里面有大的管道提供了热传递所需的接触面积及增大液体表面积，从而提高热源的使用效率。但也加大了调节过程中的滞后。给温度控制带来了一定的困难。而且大量的液体温度升高意味着，要消耗掉大量的能量。所以蒸发器内有一个合适且稳定的液位，会大大提高系统的性能。由于水有沸点这一特性，所以蒸发器内的压强关系到液体的温度。当水温度达到沸点时，温度增加，那么溶液的蒸发量也增加，进而增加容器内水汽的量，迫使压强增大改变沸点，所以控制好水汽出量也能调节水的蒸发量。水蒸气的蒸发离不开“动力”，压强一定的情况下，温度高蒸发量就大，反之就小，但高温意味着高压，不仅会使能耗增加，另外高压会给阀门造成一定的负担，而且高压会带来更大的安全隐患。所以保持一个合理稳定的温度是非常重要的。它关系到整个系统的稳定性和安全性。稳定的浓液输出，能够保证产量，在质量得到保证的前提下，需使浓液的输出量趋于稳定。

为了确保这几个参数满足要求，需要对几个变量进行控制：（1）要对稀液流量、蒸发量進行调节，为了使浓度稳定在某个值，将会对液位有一定的影响;（2）要对液位进行调节，液位是连续蒸发中液体质量的一个缓冲区，关系到热传递效率和容器的压强，影响到浓液的稳定输出;（3）对温度的调节，主要是出于系统能耗、安全性考虑和满足工艺要求;（4）浓液流量要趋于稳定，这就保证了输出稳定。

在满足工艺要求的前提下，要提高系统的安全性和减少能耗，这就要求在工艺允许的前提下，浓缩液的浓度尽量低些，因为多蒸掉一些水就意味着多耗能。但必须要把系统的波动考虑在其中，所以浓度在7.4%～7.6%中选择7.5%。液位要尽量低些，因为当温度波动时，较多的水意味着要消耗更多的热量来改变温度。浓液的出口在工艺允许的前提下要尽可能大，以保证产量。温度也要尽在能低，高温会带来一些安全问题，且高温水蒸汽会带走很多热量，选择108℃。

3 对象特性分析

本项目控制对象是溶液。第一，水的温度越高，蒸发量越高，但在密闭的容器里温度越高，蒸发量越大，压强越大;第二，水有沸点，如果压强太低就无法升高温度;第三，水的比热容较大，利用热传递温度改变较慢，利用压强改变水的沸点，来调温以减少滞后。

流体经过阀的流量：Q=A*?*（2*P/ρ）^0.5

式中：Q—流量， A—阀开口面积，?—流量系数，ρ—流体密度，P-通过阀的压强差。由式子可知，各个阀的流量与蒸发器内的压强有关，蒸发器内压强越大，进口流量越小，出口流量越大。从式子可以看出，压强对流量的影响是非线性的，影响压强的因素有温度和体积。温升高不仅使气体热胀，压强升高，还会使稀液加快蒸发，增加气体量。稀液的改变也会改变气体的体积，同样也会改变压强。所以流体的流量间接地受到温度和液位的影响。

所选对象是一个多输出、多干扰的非线性对象，且各个变量之间存在着密切的联系，一个变量的改变，可能使整个系统出现扰动。如果单独对一两个变量进行调定，会使系统增加扰动范围。浓度作为重要的指标，所以在温度、液位一定情况下，稀液流量、浓液流量要满足：P稀-P浓=K（K为定值）

4 基础控制系统

4.1 温度、压力控制方案

温度关系到生产过程中的能耗，产品的杀菌作用，保证温度的稳定还可以为其他的变量的控制提供便利的条件，所以温度的控制是基础。由于压力对阀的流量、蒸发量有影响，温度和水的蒸发也有一定的关系。所以温度、压力控制会使液位产生影响，从而影响浓液的浓度。所以先对温度、压力进行调控，使它们趋于稳定。根据杜林直线，温度和压力呈线性关系。所以只需要控制其中一个变量，就可以改变另一个变量。选用温度作为控制对象，控制目标是使温度保持在某个相对较稳定的值或者是较小的范围内，以便于其他变量的调节。热量的损失是多方面的，二次蒸汽流量、稀液流量和浓液流量都是影响的因素。蒸发过程中，稀液流量变大，会使蒸发器内的液体温度下降;浓液流量变大，液位下降，气体体积变大，压强变小，蒸发增加温度下降。二次蒸汽流量变大同样会使压力变小，温度下降。因为水的比热容较大，温度改变较慢，所以会有一定的滞后。

4.1.1 控制回路及控制算法。各个变量之间存在着密切的联系，一个变量的改变，可能使整个系统出现扰动。所以在调节时选用串级调节，如图2所示。蒸发器内温度改变时，过热蒸汽通道内的温改变较小，可以不作考虑。

为了减少调节时的扰动，内环只使用比例PI。内环主要用于稳定流量，减少外环调节时的扰动。外环则是用来调节温度，使用比例P、积分I、微分D。要使温度快速稳定、误差小且要快速响应，以便后面调节。

4.1.2 操控变量——过热蒸汽流量。过热蒸汽温度为450oC，压强为3.8MPa，过热蒸汽进入蒸发器后通过热传递的方式把热量传给液體，过热变成冷凝水从冷凝水口排出，从而使稀液受热蒸发，变成浓液排出。蒸发器内的温度，包括液体和二次蒸汽温度都来自过热蒸汽。所以选择过热蒸汽作为操控变量。

4.1.3 被控变量——蒸发器温度。蒸发器是利用热量来蒸发水达到浓缩和灭菌的作用，温度的高低与水蒸发量密切相关。蒸发过程中对浓度有很大的影响，所以调节的好坏直接关系到产品的质量。温度也关系到压强过大会给阀门带来一定的负担，也是系统安全性的保障，因此选择温度作为被控变量。

4.2 浓度控制方案

4.2.1 浓度的测量。工业上对于浓度时时测量有难度大、成本高的特点。而在本项目中浓液的浓度无法测量，因此本方案先用软测量的方法。把自动控制理论与生产过程知识有机地结合起来，应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，以软件来替代硬件的功能。应用软测量技术实现元素组分含量的在线检测，达到经济可靠的目。且动态响应迅速、可连续给出浓缩过程中容质的含量，易于达到对产品质量的控制。

4.2.1.1 辅助变量的选取。从容易测量的变量中选取与浓度关系的辅助变量。因为溶液的浓度是由溶剂和溶质决定的，所以选取辅助变量时要围绕这两个因素进行。辅助变量一：稀液流量，因为无论是容质还是溶液都来自稀液的流进量，而流进量的大小由稀液流量进行表征，所以选取稀液流量作为主导变量。辅助变量二：二次蒸汽流量，稀液被浓缩的程度由二次蒸汽决定，辅助变量三：浓液流量，全部容质和部分溶液是通过浓缩液的流出减少，所以选取浓液流量。辅助变量四：液位，准确来说应当是蒸发器内滞留液体的质量，这一部分同时包含了滞留溶液溶质。

4.2.1.2 数据处理。基于软测量的先进控制与优化中，融合了大量的现场数据。现场测量数据通过安装在现场的传感器、变送器等仪表获得。由于受到仪表精度、测量方法、生产环境等的影响，测量数据都不可避免地含有误差，有时甚至是过失误差。而任一数据的实效都会影响软测量系统的性能，影响生产。因此，对原始生产数据进行预处理以得到精确可靠的数据，以提高软测量系统的准确度。

使用随机误差处理剔除跳变信号，常采用递推数字滤波方法，过失误差出现的几率较小，但是它将严重影响输入数据的准确性和可靠性，从而影响软测量模型的精度。因此，及时发现、剔除和校正含过失误差的数据是误差处理的重要环节。利用合适的方法对数据进行转换，因为计算浓度的单位都是流量单位，需要换算成质量单位。以方便计算。

4.2.1.3 数学模型的建立。用An表示第n秒稀液流入的质量，Bn表示第n秒浓缩液流出的质量，Cn表示第n秒二次蒸汽流出的质量，LSn表示第n秒蒸发器内液体的质量（因为液位变送传回的信号不是质量信号，且转变相对复杂，所以采用累积的方法计算）。AIn表示第n秒当时浓度，T表示时间，间隔为1秒。稀液浓度为0.5%则有以下关系

时间蒸发器内液体的质量稀液流入的质量浓缩液流出的质量二次蒸汽流出质量当时浓度

由浓度公式得以下关系：

此数学模型利用上一个时间的浓度计算当前浓度。并将蒸发器内溶液的质考虑在其中，增加了算法的准确度。

5 结语

此算法采用了西门子S7-400PLC的PCS 7来实现，得到了图3所示的实施效果。

[参考文献]

[1] 王志凯，郭宗仁，李琰.用PLC 实现模糊控制的两种设计方法[J].工业控制计算机，2002（02）.

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