基于PCS7的蒸发器自控系统

2014-08-02郭帆

化工自动化及仪表 2014年12期

郭帆

(西安科技大学电气与控制工程学院，西安 710054)

蒸发器是一类有相变的典型换热装置，在过程工业中广泛应用于浓缩及提纯等工艺。蒸发器通过加热，向稀液提供蒸发所需要的热量，使稀液浓缩或者从稀液中析出物质，以确保最终产品的产量和质量。对蒸发器控制的准确性和灵活性，直接关系到被加热液体的合格率和产量。笔者采用SIMATIC PCS7控制系统对蒸发器进行控制，实现了换热过程的自动控制。

1 蒸发器工艺简述①

蒸发器的工艺流程如图1所示。

图1 蒸发器的工艺流程

待浓缩的稀液由蒸发器上部进入蒸发器E1201，吸收由蒸发器中部通入的过热蒸汽提供的热量进行浓缩过程，完成后，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。稀液流量为FT1201，稀液流量管线上设调节阀V1201。满足工艺要求的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℃、流量为FT1105。过热蒸汽管线上设调节阀V1105。经过换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。二次蒸汽流量为FT1203，二次蒸汽流量管线上设调节阀V1203。浓缩液流量为FT1202，浓缩液流量管线上设调节阀V1202。蒸发器为真空操作，蒸发器压力为PT1201、温度为TT1201、液位为LT1201。

2 PCS7的系统结构

SIMATIC PCS7过程控制系统是西门子公司在TELEPERM系列集散系统和S7系列可编程控制器的基础上，研制开发的新型DCS控制系统。PCS7将传统的DCS与PLC控制系统的优点相结合，是面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。PCS7基于全集成自动化系列的模块化硬件和软件部件，可进行无缝扩展和改进，可以根据需要选用不同的功能组件进行系统组态。利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通信，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。

本次系统控制的对象是SMPT-1000蒸发器，PCS7控制系统由工业以太网和过程现场总线Profibus-DP网络组成，系统结构如图2所示。

图2 系统结构示意图

系统由操作员站OS、工程师站ES和冗余的AS控制站组成，通过过程现场总线Profibus-DP进行通信[1]。其中，该系统的AS控制处理单元、过程现场总线Profibus-DP均采用冗余配置。在整个系统的控制中设有手动操作台仪表显示和控制，在采集现场传感器信号时，采用隔离器进行信号隔离、分配。执行器一般有两路接口，一路为执行器控制信号接口，另一路则为执行器反馈接口。

3 重要控制回路的设计

3.1 蒸发器温度控制系统

影响蒸发器温度TT1201的主要因素有过热蒸汽流量FT1105和稀液流量FT1201，次要因素有二次蒸汽流量FT1203和浓缩液流量FT1202[2]。由于稀液流量要作为蒸发器液位LT1201控制的操纵变量，因此可以选择蒸发器温度TT1201为被控变量、过热蒸汽流量FT1105为操纵变量设计蒸发器温度TT1201(浓缩液沸点)控制系统。系统框图如图3所示。

图3 蒸发器温度串级-前馈控制系统框图

3.2 蒸发器压力控制系统

蒸发器压力稳定是实现浓缩液浓度稳定的前提条件，可选蒸发器压力PT1201作为直接被控变量、二次蒸汽流量FT1203作为操纵变量实现蒸发器的压力控制。为了及时消除二次蒸汽出口一侧压力波动对流量的影响，可增加二次蒸汽流量副回路，快速消除二次蒸汽出口侧压力波动对二次蒸汽流量FT1203的扰动，保证蒸发器压力PT1201的控制精度，进而提高浓缩液浓度的控制精度。可设计以蒸发器压力PT1201为主被控变量、二次蒸汽流量FT1203为副变量的串级控制系统，系统框图如图4所示。

图4 蒸发器压力串级控制系统框图

3.3 蒸发器液位控制系统

对蒸发器液位产生影响的因素较多，稀液流量FT1201和浓缩液流量FT1202是影响蒸发器液位LT1201的两个主要变量，二者作用方向相反，权重相同。浓缩液流量FT1202代表生产过程的产量，应维持稳定，可选稀液流量FT1201作为蒸发器液位LT1201控制的操纵变量。另外，稀液上游压力波动会引起稀液流量FT1201变化，导致蒸发器液位LT1201出现偏差。对此，可设计稀液流量FT1201控制副回路，及时消除稀液上游压力(还有蒸发器压力)波动对稀液流量的影响，保持蒸发器液位稳定。基于以上分析，可设计以蒸发器液位LT1201为主被控变量、稀液流量FT1201为副变量的串级控制系统，系统框图如图5所示。

图5 蒸发器液位串级控制系统框图

3.4 蒸发器浓缩液出口流量控制

对蒸发器浓缩液出口流量控制，可设计以浓缩液出口流量FT1202为被控变量，以调节阀V1202开度为操纵变量的浓缩液流量FT1202单回路控制系统，控制框图如图6所示。

图6 浓缩出口流量控制系统框图

4 监控系统

监控系统采用PCS7的综合监视系统，该软件是一个基于多任务、多平台、实时性好、开放性好的集成软件包，组态简便、高效，内置所有SCADA功能[3]，具有报警实时记录和运行参数曲线记录的功能，便于发生故障时的数据分析。

4.1 实时过程监控

在蒸发器工艺流程图中，可以对每一个控制器进行参数设置，也可以进行报警参数设置和报警确认。对于工业领域常见的蒸发器单元，应装设高低限报警和高高、低低限报警(且高、低报警信号能够区分)。当流量和温度处于极限位置时，声光报警系统指示灯通过亮或灭、闪烁或颜色来显示报警状态，并通过声音报警装置发出报警声提醒操作人员注意。实时过程监控界面如图7所示。