荀鹏飞，荀延龙

（内蒙古工业大学 信息学院，内蒙古 呼和浩特010080）

基于PCS7及SMPT-1000的蒸发器控制系统设计

荀鹏飞，荀延龙

（内蒙古工业大学 信息学院，内蒙古 呼和浩特010080）

本文介绍了基于SMPT-1000实验平台蒸发器控制系统的设计和实现。以西门子S7-400系列PLC为核心控制器，使用西门子过程控制的编程软件PCS7中连续功能模块（CFC）和顺序功能模块（SFC）及仿真设备SMPT-1000，实现了蒸发器出口流量、液位、温度的控制策略。并采用WinCC作为上位机的组态软件，实现了人机交互和系统监控。同时给出了系统的硬件组成、PLC与现场仪表的连接方式和通讯方式。实验结果表明，所设计的过程控制系统运行稳定，具有较强的抗干扰能力。且超调量小，响应速度快。

PCS7；SMPT-1000；蒸发器；过程控制

蒸发器是通过加热完成稀溶液的浓缩或从溶液中析出物质的设备。锅炉产生过热蒸汽，给蒸发器内稀溶液提供热量，使得稀溶液沸腾并气化，最终实现气液分离，蒸发器广泛应用于化工、食品等行业。对蒸发器的控制是要保证浓缩液浓度维持在允许的范围，同时使浓缩液流量平稳。

1 系统分析

1.1 被控对象分析

蒸发器的工作流程示意图如图1所示，待浓缩的稀液从上部阀门FV1201进入，管线上有流量指示，稀溶液的浓度不变，稀溶液的进料温度是90℃。过热蒸汽从阀门FV1105进来，温度为450℃，压力是3.8MPa。稀液中的水份变成二次蒸汽从顶部阀门FV1203排出。在工业生产上，粘稠性的物质通常用高压操作，而果汁提纯是热敏性物质，一般用减压操作，所以该蒸发器是抽真空操作，浓缩液从蒸发器底部排出，浓缩液浓度不能在线测量。流量指示：稀液FI1201，浓缩液FI1202，二次蒸汽FI1203，过热蒸汽FI1105，换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。蒸发器液位 LI1201，温度TI1201，压力PI1201。

图1 工艺流程示意图

1.2 工艺流程分析

蒸发器的工艺流程描述如下：

1）打开进料阀FV1201，向蒸发器注入稀液，并使液位达到80％左右。

2）打开过热蒸汽和二次蒸汽进料阀FV1105、FV1203，向蒸发器通入过热蒸汽，使蒸发器温度达到108℃，并保持稳定。

3）待浓缩液浓度达到7.5％±0.1％时，开启浓缩液出料阀FV1202，开始连续出料，使浓缩液流量达到4.63kg/s，并保持流量平稳。

2 控制要求和控制技术指标

2.1 控制要求

过程控制的基本任务是保证蒸发器温度、浓缩液浓度及浓缩液流量都符合工艺要求。根据任务要求，过程控制可分为以下几步：建立蒸发器液位；提升蒸发器温度；蒸发器提升负荷；蒸发器温度控制；蒸发器液位控制；浓缩液流量控制。

2.2 蒸发器被控变量间影响关系分析

过热蒸汽加热量对蒸发器温度和压力的影响；

二次蒸汽管线阀开度对蒸发器温度和压力的影响；

蒸发器温度和压力的相互影响；

蒸发器压力对进、出口流量的影响；

蒸发器液位对蒸发器温度和压力的影响。

2.3 控制技术指标

蒸发器液位：打开阀FV1201，使蒸发器液位达到80％左右。

蒸发器液位控制：液位保持在80％左右，上限不高于90％，下限不低于50％。

提升蒸发器温度：打开阀FV1105和FV1203，使蒸发器温度达到108℃。

蒸发器温度控制：温度维持在105～110℃范围内。

蒸发器提负荷：浓缩液浓度达到7.5％，打开阀FV1202，浓缩液流量达到4.63kg/s左右。

浓缩液流量控制：浓缩液流量达到4.63kg/s左右。

浓缩液浓度控制：浓缩液组分保持在7.4％～7.6％。

3 控制系统的设计与实现

3.1 控制方式

SMPT-1000 可以通过 AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC与各种PLC、DCS或工业控制计算机等控制器相连接，同时配备有操作控制台。可以与西门子的PCS7组成现场站、控制站、操作站三级完整的工业过程控制系统。

本控制系统采用Profibus-DP通讯方式来完成过程控制的设计与实现。Profibus-DP的设计可以代替自动化中传统的24V并行信号传输；自动化中4～20 mA或HART模拟信号传输[2]。

3.2 控制系统设计

1）过程控制系统设计。通过查阅相关文献，了解了多种蒸发器工艺过程及相关知识[3-8]，包括数学建模和优化控制等方法[9-13]。结合西门子PCS7的过程控制实际功能，确定本设计的控制策略，根据控制过程操作规程[14-15]，其基本控制方案如表1所示。

表1 蒸发器基本控制回路一览表

2）硬件连接及组态。在使用连续功能图CFC和顺序功能图SFC实现全部控制方案之前，首先要完成以下两方面的工作。

① 完成SMPT-1000实验平台与PCS7的连接。为了实现信号之间的相互通讯，Profibus-DP从站通讯模块包含所需的模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块。如图2控制系统PCS7网络连接。

图2 控制系统PCS7的网络连接

②完成PCS7的硬件组态。在HW-Config中，选择机架UR2ALU，依次在机架上插入电源PS 407 10 A，CPU421-5H，WinCC Station 等，在 Profibus-DP上插入DP模块板卡PM125。编译保存后安装，硬件组态完毕。硬件组态结果如图3。

图3 硬件组态

3）CFC组态。依据前面的控制策略，将CFC程序设计为3部分：

①蒸发器出口流量单回路控制；

②蒸发器温度-过热蒸汽流量串级控制；

③蒸发器液位-稀液流量串级控制；

下面以单回路为例对CFC组态进行简单介绍。采用PCS7 V8.0提供的连续功能图实现控制方案[8]，根据方框图进行CFC组态。从模块库中选择模拟输入模块CH_AI、模拟输出模块CH_AO、PID控制器CTRL_PID以及模拟操作模块OP_A_LIM等。在进行CFC组态时，被控变量的测量值要通过模拟输入模块将模拟量转化为数字量，将CH_AI的V管脚与所对应的CTRL_PID模块的PV_IN管脚相连，将控制器PID模块的输出LMN管脚与LMNR_IN相连，控制器PID模块的输出LMN管脚与CH_AO的V相连，完成的单回路的CFC组态如图4所示。

图4 单回控制系统的CFC程序

4）OS组态。在完成硬件组态和CFC组态后，对OS进行编译，此时进入OS站的编辑器中，会看到CFC组态中的各类面板会出现，将所需要的画面纵观画面、趋势画面等按照用户的要求创建。编译后保存、下载、运行。建好的OS趋势画面如图5所示。

图5 OS趋势画面

5）运行程序。先将PCS7的OS站操作到监控画面，准备进行监控。然后打开SMPT-1000系统的正常工况的工程，建立所需曲线并按要求设置阀门的类型。以上准备工作完成后，接下来将控制器参数调到最优。

待蒸发器系统稳定后就可以提负荷了。

4 运行结果及分析

根据上述操作流程，得到的控制效果曲线如图6所示，图中的曲线分别对应温度、液位、出口流量、压力、组分等被控变量的参数值，以及阀的开度、入口流量等操纵变量的参数值。

在蒸发器稳定运行后，提升浓缩液流量的给定值SP可以看到，在FIC1202的作用下，FV1201迅速开大，F11202的流量迅速上升。

图6 控制效果曲线

随着蒸发器出口流量FI1202的上升，蒸发器液位LI1201有下降趋势。LIC1201和FIC1201组成的串级控制系统开始动作，开大FV1201，FI1201上升，维持LI1201在80％左右。

将蒸发器温度的SP值升高，系统中的所有变量都受到了影响。TIC1201的设定值提高，TIC1201和FIC1105组成的串级控制系统将开大FV1105，通入更多的过热蒸汽，提升蒸发器的温度。可以看到在FV1105的作用下，TI1201稳步上升，并稳定在108℃。相应的FV1105的开度也高于未提升温度之前的开度，FI1105的流量增大。

随着蒸发器温度的上升，蒸发器内稀液的蒸发量会增加，蒸发器液位会下降，但在液位串级控制系统作用下，会维持在80％。可以看到FV1201的开度增加，FI1201的流量增加。

由于蒸发量的增加，由稀液中蒸发出来的二次蒸汽FI1203会增加，蒸发器压力会随之升高。蒸发器压力上升相当于增加了浓缩液出口管线阀前压力，FI1202会增加，在FIC1202的作用下，浓缩液出口流量FI1202最终会提升到6kg/s。

5 结束语

文中介绍了利用SMPT-1000W实验平台，以蒸发器为控制对象，西门子PCS7为控制手段，设计了完整的蒸发器控制系统，完成了蒸发器控制系统的运行，从控制结果上看，文中给出的设计方案能够满足生产的指标，有工业实用性。

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Design of evaporator control system based on PCS7 and SMPT-1000

XUN Peng-fei，XUN Yan-long
（College of Information Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Huhhot 010080，China）

This paper describes the design and implementation of evaporator control system based on experimental platform SMPT-1000.Siemens S7-400 PLC is used to be the core controller，In the Siemens PCS7 process control programming software environment，using a continuous function module（CFC） and sequential function modules （SFC） and simulation platform SMPT-1000 by controlling the evaporator outlet flow， level， temperature， to achieve a stable concentrate component control strategy.and using WinCC to Design configuration interface of the host computer，to achieve human-machine interaction and system monitoring.Also given hardware system architecture， connection and communication between PLC and field instrumentation.Experimental results show that the designed process control system is stable and has a strong anti-jamming capability.And small overshoot，fast response.

PCS7；SMPT-1000；evaporator；process control

TN602

：A

：1674－6236（2017）15-0113-04

2016-05-28稿件编号：201605273

荀鹏飞（1997—），男，内蒙古呼和浩特人。研究方向：物联网和网络在自控系统中的应用。