溶解性溶液浓度的控制方法设计及PLC实现

尹向雷 马晓虹

（1.陕西理工学院电气工程学院，陕西 汉中 723003；2.陕西理工学院电工电子实验中心，陕西 汉中 723003）

果汁具有天然的果实风味，含有多种对人体健康有益的维生素、矿物质、微量元素及生物活性物质，具有极高的营养价值和保健功能。市场上存在的果汁类产品通常有新鲜果汁和浓缩果汁两种。浓缩后的果汁体积变小，便于运输和储藏，还可以提高其储藏的稳定性［1］。果汁浓缩是生产果汁最重要的工序，关键在于如何保证果汁的质量和减少能耗。对于悬浮溶液的浓度测量可以用在线浓度变送器测量，如刀式变送器［2］，但对于溶解性的稀液果汁，由于其浓度测量方法的限制，采用的浓度控制方法通常是离线含糖量的测量［3］，或者通过软测量方法［4，5］，目前还很少采用在线测量方法。离线测量方法的缺点不言而喻，但溶解性溶液的在线测量变送器目前还很少见且很贵，这就提出了能否用更经济有效的方法去控制浓度的问题。本设计针对SMPT－1000实验装置中的蒸发器单元进行糖水浓度控制，以此模拟果汁浓度的控制，提出用串级和比值控制结合的浓度软测量控制方法，并在仿真对象上进行了测试。

1 控制问题的提出

以模拟典型工业自动化系统为对象，对蒸发器中溶液的浓度进行控制方案的设计分析和PCS7的实现。

1.1 控制要求

图1是一类有相变的典型换热装置——蒸发器的工艺流程图［6］，其在过程工业中广泛应用于浓缩、提纯等工艺。待浓缩的稀液由蒸发器上部进入蒸发器E1201，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。浓缩液浓度无法实时测量。稀液流量为F1201，稀液流量管线上设调节阀V1201。浓缩液流量为F1202，浓缩液流量管线上设调节阀V1202。二次蒸汽流量为F1203，二次蒸汽流量管线上设调节阀V1203。

1.2 工艺要求

（1）过热蒸汽由蒸发器中部通入蒸发器夹套，过热蒸汽压力为3.8MPa，温度为450℃；

（2）蒸发器为真空操作，蒸发器压力为PT1201，蒸发器温度为TT1201，蒸发器液位为LT1201；

图1 蒸发器工艺流程图Figure 1 Process flowchart of evaporator

（3）待浓缩稀液初始浓度为5%，初始温度为90℃；

（4）要求浓缩后产品的浓度控制在7.4%～7.6%，产量达到4.63kg／s；

农业部农技推广服务中心节水处处长高祥照针对“节水农业与水肥一体”进行了深度解读。他指出节水农业是中国现代农业发展的战略方向，节水农业不仅仅是节约，更重要的是调节，是高效利用，包括“灌溉农业”和“旱作农业”两大部分。

（5）蒸发器温度TT1201不允许超过200℃，以防止结焦，在开启浓缩液出口阀V1202后，TT1201不允许低于105℃，以保证确保灭菌效果；

（6）蒸发器液位LT1201不允许高于90%或低于50%；

（7）满足节能、安全等其它工程要求；

（8）要求在理解被控对象的基础上完成工程方案的设计及工程现场的实施。

2 控制方案设计

此次设计的最大难点在于浓度无法实时测量。对此必须找出跟浓度有关的量，并对其合理组合或测量来达到要求。

和浓度有关的量有蒸发器中物料的液位、温度以及二次蒸汽产生的压力。当液位和温度一定时，二次蒸汽压力越大，则待浓缩物料的沸点越高，蒸发越慢，浓度下降；当液位和压力保持不变时，温度越高，蒸发越快，则浓度上升；当温度和压力不变时，液位下降会使二次蒸汽的空间变大，压力在短时间内出现偏小的扰动，从而物料蒸发加快，物料浓度上升，当液位升高时，物料浓度下降。要说明的是，液位的变化会对浓度产生扰动影响，而不像温度和压力那样会直接控制浓度，为了浓度的稳定，液位最好设成定值。

2.1 液位、温度以及压力的确定

（1）液位的确定。蒸发器要求液位位于50%～90%，液位太低过热蒸汽得不到有效利用，浪费资源，液位太高，过热蒸汽虽然和物料热交换会更有效，但二次蒸汽的蒸发空间变小不利于蒸发，而且换热具有更大的滞后时间，系统更难控制。综合以上，设计蒸发器液位为80%，既有利于二次蒸汽有足够的空间，又使热能交换更合理。为了减少对浓度的扰动，控制过程中保持液位不变。

（2）温度的确定。工艺要求温度不允许低于105℃，以保证确保灭菌效果，也不允许超过200℃，以防止结焦。设定温度不能太高，因为在系统扰动时有可能会超过最大温度要求，而且温度过高会对过热蒸汽造成浪费，不利于节能。温度也不能太低，温度低虽然节能，但扰动可能会使工艺不能达到最低温度以上。基于此，设计温度为108℃，给最低温度以3℃的扰动欲量，而且能更有效的利用热能。

2.2 间接测量法和物料守恒法

（1）间接测量法的原理如下，首先将稀液注入蒸发器至80%液位，并进行液位自动保持，再将过热蒸汽阀打开进行稀液加热蒸发，并将二次蒸汽阀打开到一定程度（不能太大，否则可导致系统严重振荡，可取20%）进行二次蒸汽排放，同时对物料温度及二次蒸汽压力进行监测，当温度达到108℃时进行保持。随着二次蒸汽的排放，物料的浓度将会缓慢上升，对物料浓度进行离线测量，当物料浓度达到7.5%时记录当前二次蒸汽的压力。这时，温度、压力以及液位都是确定值，且三者组合如果维持不变则物料浓度将维持不变。当浓度达到要求时，在保持当前温度、压力及液位不变的情况下，将浓缩后的物料缓慢从出料口放出，从而达到控制目的。

此种方法优点：思路简单，容易理解。缺点：① 要离线测量浓度，这是不符合设计要求的，那么只有在测试阶段就记录符合浓度对应的压力值；② 二次蒸汽阀门的开度不能太大，否则会导致系统不稳定，从而很难确定压力值，后果是系统调节时间太长。

（2）物料守恒法的原理如下，通过前面的分析可知，压力的确定必须在浓度符合要求的时候记录，而设计要求不能监测浓度，这就给浓度的判定带来不便。通过对象特性分析可知，蒸发器的注入物料是稀液，而蒸发器的排出物是二次蒸汽和浓缩后的产品。这就是说在整个过程中物料是守恒的，即：稀液 ＝ 浓缩液 ＋ 二次蒸汽。如果利用物料守恒的法则计算这三者的总量之比，可以得到满足浓度的比值，那么这个比值满足时对应的二次蒸汽压力也就是需要控制的压力。

为了计算这个比值，设稀液总量为A，排出二次蒸汽的总量为x，由于蒸发过程中糖的总量是不变的，则可得到式（1）方程式：

也就是说，当排出二次蒸汽的总量和注入稀液的总量之比为1∶3时浓缩液的浓度恰好就是7.5%，此时对应的压力就是要稳定的压力值，只要控制住这个压力就可以控制浓度。

这个方法的优点是不需要离线测量浓度，满足了设计的要求，而且调节过程会大大缩短。但这个方法要注意的是，在调节过程中，当二次蒸汽和稀液的总量之比接近条件时尽量不要超调，否则记录的压力可能偏低，这就要求控制方法不能片面要求速度。

2.3 控制的具体方案

根据以上分析，浓度控制方案采用物料守恒法。对蒸发器分4个回路进行控制，分别控制物料液位、物料温度、二次蒸汽压力、浓缩液流量。

2.3.1 物料液位的液位流量串级控制 影响液位的因素有阀门的开度和流量，可以使用液位流量串级控制［7］，流量作为副控制回路，液位作为主控回路，其框图见图2。液位控制设定在80%，当液位有扰动时，主控回路可直接控制，当流量发生扰动时，副回路可提前动作，以减少对液位的影响。副回路进行粗调，主回路进行液位细调，可达到更好的控制效果。

2.3.2 物料温度的温度流量串级控制 当过热蒸汽的温度一定时，影响物料温度的因素有过热蒸汽的流量和阀门开度。因此按照液位的控制策略，同样采用温度流量串级控制［8］，控制框图见图3。设定温度为108℃，流量控制为副回路，温度控制为主回路。

2.3.3 二次蒸汽的控制 二次蒸汽的控制是整个控制的关键部分，其直接决定着浓度的控制。设计中主要应用了比值控制的思想［9］，但又有其自身的特点，其控制框图见图4。

图2 物料液位控制回路Figure 2 Control loop of material level

图3 物料温度控制回路Figure 3 Control loop of material temperature

图4 二次蒸汽控制回路Figure 4 Control loop of secondary steam

二次蒸汽的阀门V1203由两路PID调节器进行控制，并由开关K进行必要的切换。开始时，开关K打在下方，以二次蒸汽和稀液的流量累计进行阀门控制。待浓缩的稀液由左侧进入并进行累计，同时右侧的二次蒸汽流量通过累计并乘以3倍然后与稀液总量A进行比较，从而使控制器对阀门进行控制，其目的是使二次蒸汽的总量迅速逼近稀液总量的1／3，当这个条件满足时，通过比较器给CPU 1个信号从而对当前的压力值进行记录，并将开关K达到上方进行压力回路的阀门控制。

要指出的是：① 开关K在整个控制过程中只动作1次，即切换之后就一直保持为压力回路控制二次蒸汽的调节阀；② 压力值P0的记录也只记录1次，以免压力值不断变化从而影响给定压力和最终的浓度控制；③ 因为压力只记录1次，则要求流量控制回路尽量不要超调，否则会由于二次蒸汽的总量迅速逼近稀液总量的1／3而使记录的压力偏小，导致浓度偏大，所以流量累计控制回路中的调节器要进行保守设计，不能太快。

2.3.4 浓缩液产量的流量单回路控制 浓缩液的产量控制比较简单，只要用单回路就可以很好地进行控制，其控制框图见图5。

以上就是各个控制回路的设计，当浓度第1次满足要求时就要开始释放浓缩液，并使浓缩液的产量达到4.63kg／s，如果直接给出产量的最终值则会使系统出现严重振荡，而且浓度也会大幅振荡。为此，应设置1个缓慢增加产量设定值的环节，该环节可用1个斜坡函数或者几个积分函数来实现。

图5 浓缩液控制回路Figure 5 Control loop of concentrated solution

2.4 状态转移设计

整个系统的状态转移设计见图6。

图6 状态转移方框图Figure 6 Block diagram of state transition

3 控制方案的PCS7实现

系统的整体框架如图7所示。上位机PC通过通信卡和主控机PLC相连接，PLC通过Profibus－DP电缆和从站泗博PM125相连，PM125下连接各个现场执行器和变送器，软件设计在西门子PCS7下进行。

西门子PCS7是Step－7的升级软件，更适合过程控制系统的控制设计，是完全无缝集成的自动化解决方案，可以应用于所有工业领域，包括过程工业、制造工业以及工业所涉及的所有制造和过程自动化产品。PCS7是带有典型过程组态特征的全集成系统，具有许多自动功能，可协助用户快捷方便的创建项目。

PCS7的项目设计分为3步：硬件组态，CFC过程设计，SFC状态转移设计。

将所用到的硬件如机架、CPU、电源以及各种模块进行组态。CFC的设计和Step7中的设计有很大区别，相对来说PCS7更加简单、直观，其界面和使用方法就和流行的EDA软件一样好用，设计中要用到的各种模块就如同电子芯片一样可以拖放并连线。建立一个CFC文件，将前面所设计的4个回路控制（图2～5）设计好。SFC的设计类似于流程图，将图6的状态转移设计在此文件中即可。

图7 系统硬件构架Figure 7 Framework of system hardware

需要注意的是本次设计中采用了的泗博PM125模块，要使该模块能正确通信，必须在CFC的设计中加入一段通信程序模块，否则系统将不能正常工作，该通信程序可以参考泗博手册。

4 结论

控制系统的设计在没有专用在线浓度变送器的情况下，应用压力、液位、温度等过程量以及与比值控制相结合的软测量控制方法来进行浓度控制，稳定的控制了溶解性溶液的浓度，也得到了较好的控制效果，对溶解性果汁的浓缩液浓度控制设计具有很高的参考价值。

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