液位控制阀

液位控制阀（精选11篇）

液位控制阀 篇1

1 引言

在石油、化工、制药、电力等行业,都离不开液位的控制。液位控制的成功与否,不仅对产品质量有很大的影响,而且对设备运行的安全和环境污染等都有着不可忽视的作用。但是,上述行业的液位控制现场往往大多处于易燃、易爆、震动、电磁干扰等恶劣环境,而光纤液位控制器是由光纤液位探头和控制器组成的以光波为载体,光纤为媒质,探测被测量的变化的新型控制器。它以灵敏度高、不受电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、在易燃易爆环境下安全可靠等优点广泛应用于上述行业。但在光纤液位控制的实际应用中,经常需要具有一定逻辑功能的控制,通常的做法是将光纤液位控制部分做为采样部分与PLC结合实现逻辑控制要求。这样,在实际应用中控制环节增多,故障率増大,提高了控制成本,同时增加了对维护检修人员的技术水平要求。通过对湖南某水电站漏油控制系统的应用分析研究,仅利用光纤液位控制器,就实现了液位的逻辑控制,降低了控制成本和故障率,减低了维护检修人员的技术要求和减轻了维护检修工作量,保证了设备的稳定运行和安全,提高了生产效率。

2 光纤液位控制原理

当入射光经过传感探头反射时,反射光的光强根据光纤液位探头周围的物质折射率的不同而发生变化。由光学理论得知,光由光密介质向光疏介质传输时,有临界角θC存在。当入射角θ1<θC时,在介质的交界面上既有光反射,也有光折射;当θ1>θC时,则在交界面上会有全反射现象发生。反射光的能量与介质的折射率有关。如果将待测液体作为光疏介质,其浓度的变化将导致折射率的变化,从而会改变界面上光反射能量的大小[1]。由菲涅耳公式可知,当光波入射到两种媒质的交界面时,振幅反射系数为:

式中:ρ⊥和ρP分别为入射波的电场垂直于和平行于入射面时的振幅反射系数;n1和n2分别为两种媒质的折射率;θ1和θ2分别为媒质n1和n2中的入射角和折射角。自然光入射到两种媒质交界面时的功率反射系数为:

可见,R与入射光的极化状态,入射角θ1、折射角θ2及媒质的折射率n1和n2有关[2,3]。

根据以上原理,实际中,用光纤制成如图1所示的液位传感探头。光学LED发射一束红外线到探头底部,如探头是干燥的,红外线会在探头圆锥形的底部被反射回来,而反射会被光纤液位探头接收。当探头被浸湿时,红外线在探头底部不会发生反射,而是被折射出探头,这样光纤液位探头就不能收到这束红外线。

这样,由于空气的折射率比液体的小,因此当探头与液面接触时,接收端的光强比空气的光强小,经光电转换后输出电信号的强度远小于在空气中的信号强度。因此,光纤中的光经过液位传感探头,输出强度变化的光信号,在控制器中,经光电二极管转换成电流信号,再通过放大电路和集成电路将电流变成电压信号进行放大处理,最后,控制器通过两个输出继电器输出控制。

3 电站原漏油控制系统

电站原漏油控制系统组成与作用如图2所示。

漏油箱:临时收集储存运行设备的渗漏油,当渗漏油达到一定量时,由漏油泵抽到废油罐中过滤再利用。

光纤液位探头A:测定液位是否到达漏油箱液位上限位置。若达到,输出一个1-3V(可调)的直流电压到光纤液位控制器的输入端。即输出一个高电平。

光纤液位探头B:测定液位是否到达漏油箱液位下限位置。若达到,输出一个1-3V(可调)的直流电压到光纤液位控制器的输入端。即输出一个高电平。

光纤液位控制器:提供光纤液位探头A、B的工作电源,并接收其输入电信号,提供输出。

PLC(可编程控制器):接收光纤液位控制器的输入,完成表1所示的逻辑控制。

(注:X表示输出保持原输出状态不变)

即实现逻辑控制功能如下:

(1)液位(油位)达到漏油箱液位上限位置,光纤液位探头A、B均输出为1(高电平),PLC输出控制漏油泵起动抽油;

(2)漏油箱油位下降,降到漏油箱液位上限位置以下时,光纤液位探头A输出为0(低电平),但光纤液位探头B仍输出为1(高电平),此时,漏油泵保持原状态(抽油状态);

(3)漏油箱油位降到液位下限位置以下时,光纤液位探头A、B均输出为0(低电平),PLC输出控制漏油泵停止抽油;

(4)漏油箱油位随设备漏油的增加又逐步上升,当漏油升到液位下限位置以上时,光纤液位探头B输出为1(高电平),光纤液位探头A仍输出为0(低电平),漏油泵保持原状态(停止抽油状态),直到光纤液位探头A输出也为1(高电平)时,PLC又输出控制漏油泵起动抽油;实现整个的逻辑控制功能。

4 实际应用分析及实验改造

4.1 实际应用分析

某水电站原漏油泵控制系统安装使用近五年,发生了几次漏油泵未自动抽油,造成溢油污染、浪费等。故障原因分析:(1)PLC故障;(2)控制环节多、接线多,现场工作环境震动大,接线端子易松动等;但另一方面,却发现光纤液位探头到光纤液位控制器输出部分未出现过任何故障,运行可靠。根据光纤液位控制器的说明书说明,光纤液位控制器输出由两个继电器C1、C2输出,每个继电器有一对常开和常闭触点。即:两个继电器C1、C2共有常开触点两个NO1、NO2,常闭触点两个NC1、NC2。触点额定电流5A。因此,考虑解决的措施是:利用光纤液位控制器的输出继电器直接进行逻辑控制漏油泵的起动,同时,并利用光纤液位控制器的输出继电器输出一个开关量给LCU完成通信功能,减少PLC等控制环节,达到减少故障环节,降低故障发生率的目的。

按照实际应用分析和设想,通过实验调节,得到光纤液位控制器的继电器输出随光纤液位探头A、B的变化规律如表2、3所示。

比较上述逻辑控制表1和表2、3,看出表2中的输出继电器C1和表3中的输出继电器C2的输出符合前述逻辑控制表的逻辑控制要求。

4.2 实际效果

2004年12月按照实验调节结果进行了某水电站机组漏油控制系统的改造,效果十分理想。运行至今,控制系统稳定可靠,未出现一次故障,避免了溢油污染、浪费事件,同时又降低了控制成本,减轻了维护检修人员的技术要求和工作量。提高了生产效率。

5 结束语

通过上述实际应用分析,液位的简单逻辑控制可以直接采用光纤液位控制器实现。在应用环境恶劣的石油、化工、制药、电力等行业,直接采用光纤液位控制器在保证了可靠性和稳定性的同时,既减少了控制环节,又降低了控制成本和对维护检修人员的技术要求,具有广泛的应用价值。

参考文献

[1]李炳炎.光纤液面传感器的研究[J.]济南:山东电子,1995,(3).

[2]刘志麟,张范军.连续型光纤液位传感器:中国,ZL 200420059735.3[P.]2005-05-18.

[3]CULSHAW B.Optical fiber sensor technologies:opportunitiesand-perhaps-pitfalls[J.]Journal of Light-wave Technology,2004,22(1:)39-50.

液位控制阀 篇2

1、时滞性很大。在大型、复杂的液位控制系统中，当改变进出容器的液体流量来控制液位时，控制效果在较长的时间后才能得到体现，这会使得最后的稳态误差较大，液位在期望值附近波动。

2,时变性。液位控制一般是通过控制液体流入量的大小来控制液位的，流出量是根据后续工艺生产的需求而调节，这种需求的数量和速度是在不断变化的。

3,非线性。容器内液体流出量不仅随后续工艺生产需求变化，即使在控制阀门保持不变的情况下，实际的流出量也随着液位高度的变化而发生一种非线性的变化。这几个特点，都严重影响PID控制的效果，当实际生产对控制有较高的性能指标要求时，就需要将智能控制方法引入到液位控制系统中来。

关键词：模糊控制；液位；PID；单片机模糊控制的基本原理

模糊控制属于智能控制的范畴，它是以模糊数学和模糊逻辑为理论基础、模仿人的思维方式而统筹考虑的一种控制方式。它是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制模仿人的思维方式，计算控制量时并不需要参数的精确量，而是以参数的模糊信息为基础，通过模糊推理得到控制量的模糊形式，然后再经过反模糊化处理输出具体的控制量。

模糊控制器的设计的基本原理

1． 在采样时刻，采样系统的输出值，然后根据所选择的系统的输入变量来进行计算，得到输入变量的具体值。一般系统通常选择误差及误差的变化情况作为输入变量。

2． 将输入变量的精确值变为模糊量。当然，在这之前需要先确定模糊变量的基本论域、模糊子集论域、模糊词集及隶属函数。系统中输入变量的实际变化范围称为变量的基本论域，对于模糊控制输入所要求的变化范围称为它们的模糊子集论域。模糊子集论域的确定和下一步的模糊推理中需要的模糊值有关。模糊值可用模糊词集来表示，人们对数值的模糊表示一般可用大、中、小加以区别，再加上正负模糊词集就可表示为：

{负 大，负中，负小，零，正小，正中，正大}

一般系统的输入变量的模糊子集论域所含的元素个数应为词集总数的两倍以上，这样才能确保模糊词集能较好地覆盖

模糊子集论域，避免出现失控现象。针对上面选用的模糊词集，模糊子集论域可选择为

{-6，-5，-4，-3，-2，一1,0 , 1,2 ,3 ,4 ,5 ,6 }

对于一个模糊控制系统，它的控制器输入变量的实际范围一般不会正好和模糊子集论域一致，这时就需要进行转化。假如基本论域为[a.b]，模糊子集论域为[m, n]，则将一个精确输入量x转化到模糊子集论域中的变量Y是通过以下公式来实现的。

y=(n-m)*[x-(b-a)/2]/(b-a)

模糊 子 集 论域和模糊词集之间是通过隶属函数来联系的。模糊变量的隶属函数就和普通变量的特征函数一样，但它的取值范围并不是单纯的0或1，而是在[0, 1]之间连续变化。隶属函数的形状常采用梯形、三角形、钟形、高斯形等。在实际应用中，为方便起见，采用三角形的较多。

3． 根据上一步得到的输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)。模糊控制规则是根据操作者的经验或专家的知识，用if，then描述的一组条件语句。

4． 控制量的模糊量转化为精确量。上一步虽然通过模糊推理得到了控制量，但它是模糊形式的，而真正的执行机构不能接受模糊量，只能接受精确量，所以必须把控制量由模糊形式转化为精确形式，这一步也叫做解模糊化。模糊控制器的设计过程

2.1模糊控制器的结构设计

模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数，目前广泛采用的均为二维模糊控制器.在此我们也选择这一结构形式。我们设计的是液位模糊控制器，就选择液位的误差和误差的变化作为模糊控制器的输入变量，分别记作E, Ec。模糊控制器的输出应该是用来控制液位的，液位实际上就是受流入量和流出量的影响，而流出量是根据后续工艺不停的变化，是不可控的。所以模糊控制器的输出就只有一个，作为控制流入量执行机构的控制量，记作U。对于模糊控制器的输出，可以有两种形式，一种是绝对的控制量输出，另一种是增量方式输出。在本次设计的模糊控制器中，我们选择了绝对值输出方式。

2.2模糊控制规则的设计

控制规则的设计一般包括三部分内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集和建立模糊控制器的控制规则。下面就分别来进行说明：

1.选择描述输入、输出变量的词集

对于液位误差、误差变化率及控制量我们选用相同的模糊词集，都用自然语言大、中、小来进行描述，将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量的零状态，共有七个词汇，即

{负 大，负 中，负小，零，正小，正中，正大}

为叙述方便，用英文字头缩写表示为

{N B ,N M , N S ,Z E, PS, PM,P B}

其中，N=Negative, P=Positive, B=Big, M=Medium, S=Small, ZE=Zero。

2.定义各模糊变量的模糊子集

定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。对于输入变量误差和误差变化率，我们选用的模糊子集论域和隶属函数曲线都完全一致，所以在此就只针对误差的模糊子集的确定来进行说明。误差的模糊子集论域取[-6,6 ]之间，然后离散化，只取整数，所以它的模糊子集论域可表示为

{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 }

液位控制阀 篇3

关键词：三容液位控制系统；过程控制；智能控制

中图分类号：G642.0　　　　文献标志码：A　　　　　文章编号：1674-9324（2012）09-0024-02

本文研究的对象是我院过程控制实训室的三容液位过程控制实训系统，该实训系统是一套利用了自动化控制技术、计算机、通讯、自动化控制等技术的多功能实训装置。该实训系统为《过程控制》等课程服务。三容液位过程控制实训系统可根据情况需要灵活组态，模拟线性、非线性；一阶、阶次；单容、多容及耦合、非耦合等特性，并能在控制过程中直观地反映出系统动态反应，方便获得动静态性能指标，从而验证控制策略的优劣，因而研究三容液位过程控制实训系统的控制对实施和学习《自动化控制原理》课程有很好的指导意义。

一、三容液位过程控制实训系统的工作原理[1]

三容液位过程控制实训系统主要硬件构成为三个玻璃水箱、气动调节阀、差压变送器、电磁阀、电/气转换器、液位传感器、空气压缩机、水泵、计算机等，基本结构如图1所示。

图1 三容液位过程控制实训系统基本结构图

水流是经过手动阀v0后分成两路再经过气动调节阀vc1、vc2和手动阀v1～v6后进入三个水箱的。一路可以通过手动阀v1、v3、v5的开关不同来实现单容、双容和三容的控制。假设想控制3号水箱液位h3，让v5开，v1、v3关，则是单容水箱控制；若让v3开，v1、v5关，则为双容水箱控制；而若让v1开，v3、v5关，则为三容水箱控制。而调节阀vc2和手阀v2、v4、v6成为另一路水流的干扰环节，选择分别进入三个水箱的手动阀v2、v4、v6的开关不同，可改变加入干扰环节的位置，都也会影响实验的效果。

二、智能控制算法研究

1.BP网络PID控制器设计[2]。BP神经网络PID控制器主要利用了神经网络的非线性映射能力和自适应能力[3]。系统结构如图所示，控制器由两部分组成：（1）可通过自动调节参数实现对被控参数的闭环控制。（2）也可根据系统运行过程的状态自动调节参数达到某种性能指标的最优化。BP神经网络PID控制器结果如图2所示。

图2 BP神经网络PID控制结构图[4]

输出节点分别为可调PID控制器的三个参数KP、K1、KD，即

O1（3）（k）=Kp，O2（3）（k）=k1，O3（3）（k）=KD。各节点的输入输出关系为：

net■■（k）=■wij（3）oi（2）（k）-?兹l（3）ol（3）（k）=g[netl（3）（k）] 式（2-1）

上式按照沿着J（k）对wi（k）的负梯度方向检索调整即使用梯度下降法修正加权系数w（k），并引入惯性项，从而使BP算法的收敛速度得到提高，于是：

?荭wli（3）（k）=?浊?啄l（3）（k）oi（2）（k）?琢?荭wli（3）（k-1） 式（2-2）

其中，?啄l（3）（k）=e（k+1）·sgn■·■·g'[netl（3）（k）]，（l=1，2，3）。

与此类似，可求得隐层权值系数的调节规律为：

?荭wij（2）（k）=?浊?啄i（2）（k）oj（1）（k）+?琢?荭wij（2）（k-1） 式（2-3）

其中，?啄i（2）（k）=f'[neti（2）（k）]·■?啄l（3）（k）wli（3）（k），（i=1,2,…，Q）。

式中，g'（·）=g（x）（1-g（x）），f'（·）=（1-f2（x））/2。 2.BP网络PID智能控制仿真研究。三容液位过程控制系统的线性数学模型为：

G（s）■ 0≤h≤30■ 30＜h≤60■ 60＜h≤70■ 70＜h≤100

在MATLAB环境中，利用M语言编写控制程序。设定目标液位高度为单位阶跃输入，BP网络结构为2-3-

3,两套仿真的初始给定水位为：h1f=12cm，h2f=10cm，下面改变系统的干扰量，当t=195s时，将水箱3下面的出水阀门调节调节到原来的30；在t=345s时将出水阀拧到原来的60%，通过仿真我们得到输出响应曲线。

图3 BP神经网络智能PID控制输出相应曲线

通过以上仿真图我们可以看到采用BP神经网络PID控制器时，水位上升速度相对较慢，但是在BP神经网络PID控制器控制下系统超调量小，出现扰动时，能迅速的消除扰动。改变输入量以后，发现BP神经网络PID控制器跟踪特性仍然表现不错，系统输出与输入的误差几乎为零。说明BP神经网络PID控制器对参数具有很好的适应性，鲁棒性较好。

参考文献：

[1]赵科，王生铁，张计科.三容水箱的机理建模[J].控制工程，2006.

[2]卢娟.BP神经网络PID在三容系统中的控制研究[D].合肥：合肥工业大学硕士论文，2009.

[3]余建勇.网络控制系统及其预测控制算法研究[D].浙江工业大学硕士论文，2005.

[4]许力.智能控制与智能系统阅[M].北京：机械工业出版社，2007.

液位控制阀 篇4

液体区域控制系统是重水堆反应性控制机构, 其目的是通过改变14个液体区域控制单元内的轻水液位, 从而改变反应堆的反应性。液体区域控制单元的水位调节是由该区域控制程序控制每个单元液位控制阀的开度来实现的。当反应堆实际功率和要求功率存在较大偏差时, 液体区域控制程序会根据功率偏差调节液位控制阀开度, 通过平均区域水位变化改变堆内反应性, 使反应堆功率与要求功率保持一致。液位控制阀的工作稳定性直接关系到液体区域控制单元内轻水液位的控制稳定性, 液位控制阀工作异常, 将直接影响核电厂的安全稳定运行, 因此及时有效处理液位控制阀缺陷至关重要。

1 液体区域控制系统液位控制阀

液体区域控制系统液位控制阀由DRESSER公司的直行程执行机构和截止阀配套组成。阀门配备FISHER546NS型电-气转换器、Dresser Masoneilan 4711P型气动阀门定位器和MOORE公司的61H流量放大器等3项气动控制设备。阀门设计工作行程10 mm, 阀门控制信号来自电站计算机的模拟量输出信号。电站计算机经过计算, 通过模拟量输出卡件输出到阀门的电-气转换器, 电-气转换器将4~20 m A信号转换为20~100 k Pa的压力信号输出到气动阀门定位器作为控制信号, 气动阀门定位器调整到执行机构的输出压力来改变阀门开度 (图1) 。阀门定位器输出至执行机构回路中加装流量放大器, 以提高阀门响应速度。

2 液位控制阀控制故障现象

2013年12月24日, 液体控制区域6区液位基本稳定不变, 检查区域功率缓慢下降。检查确认6区的液位波动幅值从10%左右突然减少到1%左右, 而同一时间段, 液体区域其他区域的液位波动幅值约为3%~5% (图2) 。通过不同区域的液位变化对比, 可以确认6区液位在12月24日前较其他区域波动幅值大, 在12月24日其波动幅值较其他区域小, 且处于基本稳定状态。现场对阀门进行目视检查, 在气动管线喷洒检漏液, 未发现异常泄漏。检查发现6区液位控制阀动作情况较其他区明显缓慢, 在6区液位波动幅值较小时间段, 阀门基本处于稳定开度状态, 而其他区域的液位控制阀均有5%左右的开度变化。检查阀门气动定位器上信号气压力表, 确认阀门定位器控制信号气压压力表指示有变化。据此判断是液体区域控制系统6区液位控制阀门控制出现问题, 导致6区液位波动异常。

3 液位控制阀故障分析

根据液体区域控制系统液位控制阀的信号控制回路和阀门组成, 6区液位控制阀动作故障可能原因主要是阀门控制信号异常和阀门自身故障。

3.1 液位控制阀控制信号异常分析

6区液位控制阀控制信号来自电站控制计算机的模拟量输出信号, 若电站计算机的软件失效或模拟量输出卡件故障, 可能会导致液位控制阀控制信号稳定在一个固定值保持不变, 导致阀门开度稳定在固定值, 影响液位控制。电站控制计算机模拟量输出回路中串联1个信号取样反馈电阻, 可通过检查反馈电阻上的电压变化情况, 判断电站控制计算机模拟量输出回路的工作情况。在6区液位控制阀液位控制异常时间段, 检查相应的阀门控制信号回路反馈信号有5%左右的变化输出, 可以确认电站控制计算机的模拟量输出回路正常。

3.2 液位控制阀自身故障分析

根据阀门气动回路控制方式和阀门结构, 引起阀门控制异常的原因可以分为机械结构和阀门气动回路控制两个方面。阀门机械结构故障点包括执行机构、阀门盘根填料和阀芯阀座配合;阀门气动回路控制故障点包括电-气转换器、阀门气动定位器和阀门流量放大器。

3.2.1 阀门机械结构故障分析

根据液位控制阀动作情况较其他区阀门缓慢, 在6区液位波动幅值较小时间段, 阀门开度基本处于稳定状态。分析产生此现象原因是阀门动作阻力增加和执行机构供气信号不畅导致, 原因有3。

(1) 执行机构卡涩。阀门执行机构下缸盖和支架处有一个轴套, 材料为黄铜, 内部有O形圈, 轴套与执行机构推杆间隙较小, 轴套中的O形圈与执行机构推杆直接接触。若执行机构推杆和轴套有摩擦或O形圈老化失去弹性, 会导致执行机构推杆摩擦力大, 影响阀门动作速度, 甚至稳定在固定开度。现场检查轴套与执行机构推杆的连接部位, 未发现有磨损的铜粉末和O形圈密封件粉末。说明执行机构推杆和轴套没有摩擦, O形圈也没有明显老化失去弹性, 不存在执行机构推杆和执行机构轴套磨损问题。

(2) 阀门盘根填料过紧。该阀门的盘根填料紧固力矩要求为7.7 N·m, 现场使用力矩扳手验证阀门盘根填料的紧固螺母力矩为7.7 N·m, 说明不存在盘根填料过紧问题, 同时查看阀杆, 确认阀杆光滑干净, 表面没有水迹和填料碎末, 说明填料完好, 也没有出现老化现象。

(3) 阀芯阀座配合过紧。液体区域控制系统的液位控制阀阀体结构为截止阀, 在阀门开度为50%左右时, 阀芯是离开阀座的, 不存在阀芯和阀座接触。

3.2.2 阀门气动回路控制故障点分析

根据6区的液位波动幅值在1%左右时, 检查阀门气动定位器上信号器压力表指示能根据控制电流信号变化, 可以确认阀门电-气转换器输出信号异常不是阀门故障原因, 分析产生此现象的阀门气动回路控制故障有阀门流量放大器动作卡涩、阀门定位器的导向杆卡涩。

(1) 阀门流量放大器动作卡涩。阀门流量放大器是改变执行机构进气和排气量, 可以改变阀门执行机构的动作速度, 流量放大器接收到输入信号时无法打开, 导致到阀门执行机构的进气仅靠旁路阀小流量气流补充到阀门执行机构, 如阀门执行机构回路有泄漏, 将导致阀门动作缓慢;如阀门执行机构回路泄漏量与通过旁路阀补入得进气平衡, 将导致阀门无法动作。根据现场检查情况, 确认阀门执行机构回路没有泄漏, 可以确认如流量放大器无法打开, 执行机构的进排气也可以通过流量放大器旁路阀来实现, 阀门动作只会变缓, 不会导致阀门稳定在一个固定值。

(2) 阀门定位器的导向杆卡涩。6区液位控制阀定位器为Dresser Masoneilan的4711P型气动阀门定位器 (图3) , 当阀门定位器输入的信号气压改变时, 阀门定位器通过导向杆位置改变来控制执行机构的进气和放气, 控制阀门开度, 如导向杆脏或与定位器孔壁配合间隙小, 会导致导向杆与定位器孔壁摩擦力大, 在小输入信号变化时因推动力小, 定位器导向杆动作变慢, 导致阀门动作也变慢, 液位控制波动幅值增大。如导向杆与定位器孔壁摩擦力大于定位器控制信号改变产生的推动力, 将导致导向杆维持一个位置不变, 阀门开度保持不变, 使液位控制波动幅值大幅减少。

同时根据打开阀门执行机构限位杆的背紧螺母时, 阀门从固定开度恢复缓慢波动的现象, 可以确认阀门定位器控制异常。阀门定位器直接安装在执行机构本体上, 反馈杆连接到执行机构推杆中, 而且执行机构尺寸小, 当打开阀门执行机构限位杆的背紧螺母时, 阀门执行机构会轻微晃动, 导致定位器反馈力改变, 使导向杆受力平衡被打破, 阀门定位器导向杆恢复缓慢动作, 阀门开度恢复缓慢波动。根据以上分析, 可以判断阀门定位器的导向杆卡涩是导致阀门工作异常的主要原因。

4 液位控制阀定位器在线处理

在机组正常满功率运行期间, 液体区域控制系统的液位控制阀无法进行隔离检修和校验。如整体更换阀门定位器, 其校验位置可能会出现较大偏差, 需要制定在线处理方案。根据Dresser Masoneilan 4711P型气动阀门定位器的工作原理和特性, 影响定位器校验位置主要有反馈凸轮安装位置, 定位器零点和量程调节装置。在不改变反馈杆、反馈凸轮、定位器本体安装位置、定位器零点和量程调节装置位置的情况下, 阀门校验位置不会改变。在机组正常运行情况下, 拆除、检查和更换阀门定位器导向杆, 可以实现阀门校验位置不改变, 又能确保定位器工作性能。

在关闭阀门供气气源, 通过阀门定位器气源压力表观察压力降到零后。使用套筒扳手拆除液位控制阀的定位器导向杆组件, 将定位器导向杆组件备件安装在现场阀门的定位器上完成现场工作。

5 液位控制阀控制性能验证

更换阀门定位器导向杆后重新投运阀门, 确认阀门控制稳定, 液位波动幅值恢复到3%~5%, 阀门控制稳定 (图4) , 直到15个月后的大修。在机组大修期间对阀门进行全面诊断, 确认阀门开关过程中动作平稳, 未出现明显卡滞现象, 测试平均摩擦力合格。阀门关闭时阀瓣落座, 密封力满足密封要求。这些表明故障已通过更换阀门定位器导向杆得到根本解决。

6 结束语

浅谈锅炉汽包假液位现象 篇5

作者：孙晓芳王伟明

锅炉是一个较复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽，以适应负荷的需要，对各主要参时应严格控制。

形成“虚假液位”的原因有多种，主要有负荷突变和安装原因造成的。其主要调节量,有锅炉负荷、锅炉给水、燃烧量、减温水、送引风等；主要输出量有：汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩蒸汽等。这些输入量和输出量之间是相互制约的，例如蒸汽负荷的变化，必然会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、空气量和炉膛负压等。

“虚假液位”就是暂时不真实的液位。是由于蒸汽负荷急剧增加时，导致锅炉汽包压力下降，汽包内水沸腾突然加剧，水中气泡迅速增多，使整个水位抬高，从而形成虚假液位上升。相反，在负荷急剧减小时，由于汽包压力上升，所以水位瞬间下降，引起汽包内水的汽水速度加速，汽泡量增加，出现沸腾现象。与此同时，水的比重也随汽包内压力和温度的变化而比，从而形成虚假液位，使变送器的检测信号不能真实地反映汽包内实际液位变化情况。当锅炉负荷大范围波动的情况下，汽包内汽液相混，汽包内没有明显的界限，很难辨别真实液位在那里。此时，液位计的指示是不可靠的。锅炉的上水，全根据蒸汽流量决定。另外，在锅炉开车升温时，由于汽包里水和蒸汽的密度与仪表设计工况下的密度之间有差别，也会使仪表的指示出现虚假液位现象，这时采用汽包压力对密度进行校正的方法进行补偿，效果也不是理想的。

在“虚假液位”时，采用常规的单回路PID方式控制汽包水位，向汽包加水或减水，而不采取一定措施，控制系统将会减少或增加汽包进水量，导致汽包内液位虚假现象更甚。显然锅炉汽包液位控制，用单回路PID是难以适应汽包水位控制的。

为了克服“虚假液位”现象，目前常用的汽包水位控制主要采用三冲量控制或模糊控制系统。

三冲量调节系统有多种方案，常见的三冲量调节系统：蒸汽流量和给水流量前馈与汽包液位反馈所组成的三冲量系统。三冲量控制系统是一个前馈串级控制。汽包液位是被控变量,是主冲量信号，蒸汽流量作为前馈信号引入，以实现扰动的部分补偿，给水流量作为辅助冲量，以迅速消除给水流量扰动。在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正, 其实就是三冲量就是把3个外部变量通过不同的控制方式集合起来提高调节精度。

船舶液位遥测系统的应用研究 篇6

【关键词】船舶；液位遥测；传感器

0.引言

随着自动化技术的不断进步和发展，船舶系统的自动化程度也越来越高。高科学技术含量的集成系统的大量应用，使得船舶各系统更加高效、智能。液位遥测系统是船舶自动化系统中的一个重要组成部分。经过近十多年的发展，液位遥测系统的概念已拓展为液舱参数测量系统。在测量精度，系统功能，稳定性和可靠性都上了一个新台阶，用户不仅能知道液舱内的液位，还能随时知道舱内的温度、气体压力、液货密度、重量等参数和船的压载、吃水、稳性、强度等各种参数，以确保船舶装卸与航行的安全。

1.系统功能

液位遥测系统是船舶的核心部分，直接关系到船舶在海上航行的安全性和可靠性。液位遥测系统能够集成多种液位测量方法实现对船舶液位的监测和报警。系统可以接液位显示仪表显示液位，也可以通过现场总线通讯方式将数据上传到上位机，通过上位机实现液位的显示和监视。船舶液位遥测系统主要实现二项功能：①对各舱的液位、温度、压力等进行实时监测；②当监测高于报警值时发出报警信号。

现代船舶液位遥测系统一般由信号处理单元、操作单元、液位传感器、温度传感器等组成。一般情况下，液位遥测系统可分为两部分，一部分集中到油舱，实时将各油舱信息传送到机舱集中控制台，这样轮机部门就能及时了解各油舱消耗的情况；一部分集中到压载舱和淡水舱，实时将各水舱的信息传送到甲板办公室阀门遥控系统和液位遥测系统操作站以及配载计算机，使当班甲板部人员能够及时的了解实时装载、吃水等各种状态。这样就极大的方便船员的工作，减轻了船员的工作量，增强了船舶的安全性。船员可以通过集中显示控制柜触摸屏或远程计算机便捷、及时、准确地了解各舱室的液位、重量、体积、温度和压力等现场参数。当某数值超过设定的上下限值时，相应舱室的显示框会以红、黄色交替闪烁报警，控制柜上的蜂鸣器也会响起。操作人员可以及时采取相应的处理措施，以消除报警状态。报警消息页面会以表格形式记录报警的发生时间及状态等信息，可备以后查询，也可以通过打印机进行打印。

2.系统总体结构

船舶液位遥测系统主要由集中显示控制柜、现场采集箱、液位关断箱、远程监控计算机及各种传感器组成。 传感器包括雷达液位传感器、气泡式液位变送器、投入式液位压力传感器和温度传感器等。投入式液位传感器信号直接通过通讯网络进入船舶中控系统。其它的传感器信号通过现场采集箱后进入中控系统，通过中控室远程监控计算机进行显示和报警。

3.几种传感器的原理及特点

3.1液位遥测系统上位机

通过液位遥测系统人机界面对数据进行运算实现对液位、温度、压力的监测。监测软件包括通讯检测、参数设置，图表显示等模块，并能根据水温、水密度、重力加速度自动修正水位值，以辅助硬件系统达到液位计的技术指标，实现了液位数据自动采集、存储、传输、图形显示、参数修改、报警等功能。现在用户通过上位机不仅能方便的知道液舱内的液位， 还能随时知道舱内的温度、气体压力、液货密度、重量等参数和船的压载、吃水、稳性、强度等各种状态， 以确保船舶装卸与航行的安全和液货质量。通过上位机船员可以方便的设置报警参数，当有报警产生时，人机界面的状态栏显示报警的通道名称，报警的内容等。功能和特性如下：（1）通道报警显示；（2）报警上下限设定；（3）报警信息统计。

3.2吹气式液位测量

气泡式液位计是属于压力式液位计的一种，其工作原理与压阻式压力液位计相同，即由测量测点静水压力测得液位。只是测量静水压力的方法有些不同。它是将一根塑料吹气管放入水中，管口是测点。在一个密封的气体容器内，各点压强相等，也就是说，吹气管出口处的气体压力和该点的静液体压力相等，又和整个吹气管腔内的压力相等。将压力传感器的感压口置于吹气的管腔内，位于岸上仪器内。这样通过压力传感器采集探管内空气压力信号，通过已知液体密度，便可以将船舶运行时的液位值转换为电信号，通过数据采集模块，就可以实现上位机的远程监测。采用吹气式测量方法使被测液体完全没“电气”上的联系，只有一根气管进人液体中，从而可以避免很多干扰、影响，构成了它自己的使用特点，在电磁兼容、稳定度、后期维护等方面有较高的优势。优势如下：（1）传感器等换方便；（2）高性能电容性压力传感器；（3）稳定性强，采样率高；（4）高安全性，适应恶劣环境；（5）性价比高。

3.3雷达式液位测量

雷达式液位测量采用导波式雷达可用于连续的液位测量。导波雷达是基于时间行程原理的“俯视”式测量。测量时从参考点仪表过程连接处到液位表面的距离。探头发出高频脉冲并沿缆绳传播，当脉冲遇到液位表面时反射回来被仪表内的接收器接受，并将距离信号转化为液位信号。将此信号连接至液位测量系统的采集箱体上，既可提供现场显示液位信息，也可通过上位机软件显示。测量结果不受雾气和泡沫等工艺条件影响。 该测量方式信号抗干扰能力强，并且由于电磁波是恒定的，调校时只需输入量程等有关参数，不需要现场标定。 传感器安装空间小，通过舱室顶部的支撑管法兰固定，导波管与变送器之间为快速万向接头连接，安装和维护简单方便。优势如下：（1）测量结果不受温度，液体密度的影响；（2）不受液体表面泡沫的影响；（3）测量县城文本清晰显示；（4）适用于要求较高的成品油舱等。

3.4投入式液位测量

投入式液位测量采用高性能压力传感器作为测量元件，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力变形后表面产生电荷。电荷经放大器和测量电路的放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出给信号处理装置。通过该传感器把液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经过专用信号调理电路转换成标准电流（4-20mA）信号输出，建立起输出信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深度的精确测量。将压力传感器直接投入液体中，即可测量出压力传感器末端到液面的液位高度。优势如下：（1）传感器体积小，使用方便；（2）传感器标准4-20mA信号输出；（3）通用型测量方法，适用于各种液位的测量与控制。

4.结论

对船舶液体舱的液位高度和容量进行遥测是非常必要的， 也是可行的。选取性能可靠、稳定、量程合适的传感器是进行好液位遥测的基础。由于测量仪表的不断革新，使得整个液位监测系统可靠性不断提高，随着现场总线技术的发展，使得船舶的液位遥测系统中具有更高程度的自动化和远程控制能力。遥测系统将舱室多项参数的现场测量、集中显示和远程监控有效集成在一起。随着自动化技术水平的发展，船舶液位遥测系统将更加的先进、智能。

【参考文献】

[1]崔晓俊.船舶液位遥测系统中的新技术应用[J].船舶工程.

液位控制系统的设计 篇7

随着社会的发展, 社会分工进一步的精细化, 在生产过程中, 液位的检测占有十分重要的地位。在工业中, 酒、制药等众多行业对原料的液位检测, 需要对存储在储液罐或反应容器内的液位进行监控, 以保证产品质量和设备仪器的正常运转。在日常生活中, 对液位的检测遍布生活中的各个领域, 自动洗衣机自动加水系统、马桶的自动蓄水功能等都直接或间接地对液位进行控制。液位检测功能可以用来计算液体的体积、液体对容器产生的压强等。因此采用更精确和更快速的液位检测方法, 提高检测系统进度与反应时间, 对于提高产品质量, 节约资源, 保证生产过程的安全高效有着十分重要的作用[1]。

2 液位测量系统的方案设计

本文设计的液位测量与控制方案, 是通过传感器将液位信息传输到单片机中进行计算和控制的。液位测量传感器采用超声波测距的原理, 利用超声波在遇到液面反射回到传感器出的时间, 单片机将采到返回时间进行处理, 得到液位高度。在得到液位高度后, 单片机对数据进行分解处理, 发送到8位数码管上进行显示。另一方面, 对液位和输入信号进行判断, 若液位低于目标值, 输出信号控制继电器闭合, 向液体存储器内输送液体;当液面高度达到预定值时, 输出控制信号, 断开继电器, 停止电机向体存储器内输送液体[2]。

2.1 液位测量与控制系统

液位测量控制主要分为两大部分:控制系统与电源供电部分[3]。

2.1.1 控制系统的组成

1) 单片机最小系统:这部分主要包括AT89C51控制;晶振电路、复位电路、电源电路。

2) 超声波检测与反馈电路:这部分是超声波发射电路与反射接收电路, 将测量的超声波传播时间转换为与时间成正比的低电平。

3) 输入电路:这部分实现, 将系统的液位控制转换为手动控制, 对液位控制系统的上下限进行设置。

4) 显示输出电路:对单片机AT89C51采到的液位数据进行显示。

5) 继电器控制与输出部分:将单片机输出的控制信号, 进行放大, 驱动继电器, 进而通过继电器接通电机, 实现对液位高度的控制。

2.1.2 电源部分的组成

本文未设计二极管整流降压电路, 直接采用市场采购的24 V开关电源, 其直接将220 V的交流电, 转换为直流24 V电源。另外, 24 V电源供给三极管放大电路, 用来驱动继电器闭合。

2.2 设计功能

本文设计的液位检测功能, 具有以下功能。

1) 基于AT89C51为主控制器, 采用芯片74LS373对P0端口的数据进行锁存, 采用8255A对输出端口进行扩展。

2) 可以显示液位实时高度, 对液位上下限值进行设定, 并且显示设定值, 对设定值进行相关的限制, 不允许超过限值。

3) 可以实时对当前数据进行判断, 判断液位是否超过警戒位置, 对不同的问题进行报警提示。如果液位太高, 通过控制继电器使电机停止工作;如果液位太低, 通过控制继电器使电机开始工作。当液位处于正常范围内, 可以通过按键, 使单片机驱动电机, 向容器内自动加入液体。

3 搭建仿真模型

为了验证硬件及软件程序的可行性, 本文采用PROTEUS和Keil对所设计基于单片机89ATC51的液位控制系统进行软件和硬件的联合仿真。通过仿真, 验证了本文设计的信号发生器可以实现液位实时数据的显示, 并对液位的上下限值通过按键进行修改;对于指示电路, 指示灯可以显示不同类型的报警。

4 结语

本文设计的液位控制器主要利用单片机ADC0808将采到压强数据进行转换得到液位高度, 测量超声在空气中传播经液面反射收到回波所花费的时间, 进而计算得到距离。虽然完成了系统的设计, 但是仿真毕竟不是实物验证, 不能解决硬件调试过程中出现的问题。因此, 对液位控制仍然需要深入研究和探讨。

摘要：采用8255A对AT89C51单片机的端口进行扩展;采用八位七段式数码管作为显示电路, 显示液位高度;采用ADC0808为主要器件, 对传感器传输的模拟电压信号进行A/D转换, 单片机以500Hz的采样频率对液位的高度进行实时采样;采用LED指示灯对液位进行报警, 同时对电机运行状态进行提示。从而实现对容器内的液位进行控制。最后在PROTEUS中搭建硬件电路, 将生成的HEX文件添加到仿真中, 通过仿真验证软件程序的正确性, 达到液位控制的目的。

关键词：单片机,压力传感器,超声波传感器,液位控制

参考文献

[1]张永瑞.电子测量技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006.

[2]李叶紫.MCS-51单片机应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2004.

锅炉汽包液位检测与控制 篇8

在冶金企业中,锅炉是应用广泛的热力设备,而锅炉汽包中液位的高低,将直接影响到蒸汽的质量与锅炉的热效率及设备的安全运行,因此要时刻掌握锅炉汽包的液位情况,研究汽包液位的检测原理,保证仪表检测装置的检测精度是非常有必要的。同时,锅炉汽包的液位,不允许超出规定的限度,否则将威胁生产的安全,为了实现控制的要求,可以有两种方式,一是人工控制,二是自动控制。人工控制主要是凭经验用人工去控制生产过程,生产过程的关键参数靠人工观察,生产过程的操作也靠人工去执行,因此人工控制仅适用于工艺简单且控制要求不高的场合。自动控制是以汽包液位为主被控变量,以给水流量为副被控变量,以锅炉蒸汽负荷为前馈扰动量构成一个串级加前馈的三冲量闭环控制系统。

2 汽包液位检测

2.1 工艺简介

锅炉生产蒸汽的简单过程是:把水加热产生蒸汽,并使蒸汽达到一定的温度和压力,然后送到蒸汽管网中去。为了缩短产汽时间,一般不向锅炉中提供冷水,而是将冷水经过一级省煤器和二级省煤器的预热,然后送入汽包和水冷壁;另外,为了提高蒸汽质量,从汽包中出来的蒸汽不是直接送入蒸汽管网,而是经过一级过热器、减温器和二级过热器调整到工艺要求的温度,然后送入蒸汽管网。汽包是水、汽分离的地方,蒸汽由汽包上部引出,一般汽包中的水要保持在一半的地方。汽包中的液面比较复杂,它不象一般的静止液面,而是汽、水混合在一起的沸腾状态,同时还具有一定的压力,由此可见,这种状态下的液面,液位的精确测量由一定的困难。

2.2 差压法测液位

汽包液位有多种测量方法,其中双室平衡容器+差压变送器测量液位是比较常用的,这种测量方式比较复杂,测量精确度比较高,在莱钢锅炉上应用非常广泛。

2.2.1 双室平衡容器结构

双室平衡容器的结构图见图1,其中测量筒分别与汽包上部和下部接通,上部引入蒸汽,遇冷蒸汽温度下降不断冷凝,冷凝水流入冷凝台进入A管(A管是充满液体的),B管与汽包下部液体连通,直接反映汽包内液面的高度,平衡容器与汽包的连接方式见图2所示。

2.2.2 测量原理

如图2所示,假设汽包液位为h,A管中充满的液体高度为H,差压变送器正压室压力P1,差压变送器正压室压力P2,差压为△P则:

从上述公式可以看出,当汽包液位h=0时,△P=-ρg H,差压变送器就有一个相对应的电流信号输出,不能正确反映液位的高低,但是,当差压变送器安装位置固定后,-ρg H将是一个定值,可以采用变送器负迁移,调整变送器仪表内部零点,消除-ρg H作用力。差压变送器负迁移后,当液位从最低液位变化到最高液位时,差压变送器输出电流对应为4~20Ma,可以直接反映汽包液位的实际值。

3 汽包液位调节

3.1 被控过程分析

锅炉汽包液位自动调节系统中,汽包液位是主被调参数,液位过高会影响汽包中的汽、水分离,容易产生蒸汽带液现象,导致过热器管壁结垢并损坏,使过热蒸汽的温度严重下降,如以此过热蒸汽带动汽轮机,则将因蒸汽带液损坏汽轮机的叶片,造成运行安全事故。液位过低,则由于汽包容积太小,并且横截面积中间大,上下小,当液位偏离给定值往上或往下变化时,变化越来越快,是一个加速式的变化,由于有了这种变化,当液位降低时,则干的块,升高时,则满的快,而负荷很大时,水的汽化速度很快,如不及时调节进水量,汽包中的水会全部汽化,从而导致水冷壁烧坏,甚至引起爆炸,产生设备事故。

决定汽包液位的除了汽包中储水量的多少外,也与液位下汽泡容积有关。而液位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。在影响汽包液位的诸多因素中,以锅炉蒸发量和给水流量为主。

3.2 汽包液位在给水流量作用下的动态特性

由于给水温度要比汽包内饱和水的温度低,所以给水流量增加后,需要从原有饱和水中吸取部分热量,使液位下汽泡容积减少。当液位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时,液位将因汽包中储水量的增加而上升。最后当液位下汽泡容积不再变化时,液位变化就完全反映了因储水量的增加而直线上升。图3反映了在给水流量作用下液位变化的阶跃响应曲线[1],图中H线是液位的实际变化曲线。在给水量作阶跃变化后,汽包液位不是马上增加,而呈现一段起始惯性段。

3.3 汽包液位在蒸汽流量作用下的动态特性

当蒸汽流量突然增加,在燃料量不变的情况下,从锅炉的物料平衡关系来看,蒸汽量大于给水量,液位应如图4所示曲线H1。但实际情况并非如此,由于蒸汽用量突然增加,瞬间必导致汽包压力的下降。汽包内水沸腾突然加剧,产生闪蒸,水中汽泡迅速增加,因汽泡容积增加,而使液位变化的曲线如图4中的H2。而实际显示的液位响应曲线H为H 1与H 2的叠加,即H=H 1+H 2。

从图中可以看出,当蒸汽用量加大时,虽然锅炉的给水量小于蒸发量,但在一开始,液位不仅不下降反而迅速上升,然后再下降(反之,蒸汽流量突然减小时,则液位先下降,然后上升)。这种现象称为“虚假液位”。虚假液位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于100t/h的中压锅炉,当负荷变化10%时,虚假液位可达30~40mm。虚假液位现象属于反向特性,给控制带来一定困难。

3.4 三冲量调节

为了解决“虚假液位”现象,我们将主蒸汽流量、给水流量引入调节系统中,将这三个信号叠加后,输出调节信号控制给水调节阀动作,从而构成三冲量调节系统,如图5所示。

图5三冲量控制流程图

在稳定状态下,液位调节信号等于液位调节器的输出、蒸汽流量和进水量三个信号相加,去控制给水执行器动作,即:

式中:IOU为加法器的输出电信号

IL为液位调节器的输出

IW为给水变送器的输出

IS为蒸汽流量变送器的输出

C为加法器的可变常数

如果在某一时刻,蒸汽用量突然增加,在蒸汽流量变送器的输出信号IS相应增加,则加法器的输出信号减小,调节阀开大,加大进水量,使锅炉液位稳定。另一方面,蒸汽量的增加,反而与虚假液位作用的结果抵消,最终的结果是使加法器的输出信号变化不大,保持恒定的液位。当蒸汽负荷变化不大时,由于给水压力变化,在同样调节阀开度下,将会影响进水量,导致液位下降,由于水量、液位调节器均为正值,最终使加法器的输出减小,直至液位等于给定值为止。

锅炉液位调节系统中引入给水量、蒸汽量两个参数,消除了“假液位”所导致的不良后果,而且还可以根据干扰的作用提前作用,其实质使前馈作用加反馈作用的调节系统。

3.5 串级三冲量调节

图6串级三冲量调节的结构图

在三冲量调节系统中,液位调节器的输出为蒸汽、给水量综合信号,该信号作为副调节器的给定值,调节汽包液位,图6所示为串级三冲量调节的结构图。

3.6 串级三冲量调节参数整定

在参数整定时先整定副环后整定主环,具体步骤如下:

1)在主、副环路闭合的情况下,将主控制器比例度放100%,积分时间放最长,微分放最小,然后按照4:1衰减比整定副环,找出副变量出现4:1振荡过程时的比例度δ2Ss及振荡周期T2S。

2)将副控制器比例度放δ2S,积分时间放最长,微分放最小,然后按照4:1衰减比整定主环,找出主变量出现4:1振荡过程时的比例度δ1Ss及振荡周期T1S。

3)通过差表法,求得主、副控制器的参数,按照参数调整控制器,进行仿真试验。

4 结束语

通过研究锅炉汽包液位的检测,实现了液位信号的精确检测和自动调节。

参考文献

水箱液位PID控制系统研究 篇9

PID控制规律原理简单并且易于实现,对没有时间延迟的单回路控制系统极为有效。鉴于控制过程多样、过程控制方案种类丰富,过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参数来分,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等;按控制系统所处理的信号方式来分,有模拟控制系统与数字控制系统:按照控制器类型分,有常规仪表控制系统与计算机控制系统,而计算机控制系统还可分为DDC、DCS和现场总线控制系统(FCS):按控制系统的结构和完成的功能来分,有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其控制动作规律来分,有比例控制、比例积分控制,比例、积分、微分控制系统等;按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统;按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。

1 过程控制系统的特性分析

单容水箱特性图1单溶液位过程只有一个储液箱。流入量为Q1,由阀门1的开度u控制Q1的大小;流出量为Q2,随下游工序的需要而变化,其大小由阀门2的开度控制;在阀门2开度不变的情况下,液位h越高,储液箱静压越大,流出量Q2越大。

根据物料动态平衡的关系,求得:

在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得:

式中,T=R2×C为水箱的时间常数(注意:阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数),K=R2为过程的放大倍数,也是阀V2的液阻,C为水箱的底面积。令输入流量Q1(S)=R0/S,R0为常量,则输出液位的高度为:

当t→时,h()=KR0。因而有

当t=T时,则有:

式(2)~式(3)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图2所示。由式(2)~式(4)可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间,就是水箱的时间常数T。这个时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,切线和稳态值的交点对应的时间是时间常数的T。

其理论依据是:

上式表示h(t)若以在原点时的速度h(∞)/T恒速变化,即只要花T秒时间就可达到稳态值h(∞)。

式(2)中的K值由下式求取:

对图1的液位系统,当输入量有一阶越变化Δu时,过程输出量—液位的变化Δh(t)最后回达到新的稳态Δh(∞)=KΔu。新稳态的建立是由于在液位Δh(t)变化的作用下,流出量Q2发生变化的结果。在扰动作用下破坏其平衡工况后,被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性,成为自衡特性。

并不是所有被控过程都是具有自衡特性,当输出口Q2是一台恒流泵时,这样当流入量Q1出现一个阶越变化ΔQ后,流出量Q2保持不变流入量与流出量的差额并不会随液位的改变而逐渐减小,而是始终保持不变,液位将以恒定速度不断上升或下降,直到从储液箱顶部溢出或抽空。对于这类过程,由于输出量不能对扰动作用施加反作用,只要被控过程的平衡工况被破坏,就无法自行重建平衡,这就是无自衡特性的本质。

2 双溶水箱特性

图3所示的液位过程由管路分离的两个水箱串联组成,它有两个储水的容器,称为双溶过程。不计两个水箱之间管路所造成的时间延迟,以阀门1的开度u为输入、第二个水箱的液位h2为输出,建立液位过程的数学模型。

双容水箱液位控制结构图如图3所示。

设输入量为双溶水箱的流量Q1,H2是下水箱液位高位既输出变量,并根据动态平衡的关系,考虑时延在液体的传输过程当中,其传递函数为:

式中K=R41,T1=R21C11,T2=R41C21,C11和C21分别为上下水箱的容量系数,阀V2和V4的液阻分别为R21、R41,,可以通过实验的阶跃响应曲线计算式中K、T1和T2。在图4阶跃响应曲线上取具体方法:

1)h2(t)的稳态值渐近线h2(∞);

2)h2(t)t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的一点A和对应的时间t1;

3)h2(t)|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。

然后,利用下面的近似公式计算式(6)中的参数K、T1和T2。其中:

对于式(7)所示的二阶过程,0.32

做一个曲线拐点切线,它与横轴交于一点A,滞后时间常数τ即为0A。

3 控制系统的方案研究

1)控制系统方案研究的基本要求和主要内容

生产过程对控制系统的要求是多种多样的,可简要要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。

安全性是指在整个生产过程中,过程控制系统能够确保人员与设备的安全(并兼顾环境卫生生态平衡等社会安全要求),这是对过程控制系统最重要也是最基本的要求。通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。

稳定性是过程控制系统保证生产过程正常工作的必要条件。稳定性是指在存在一定扰动的情况下,过程控制系统将工艺参数控制在规定范围内,维持设备和系统长期稳定运行,使生产过程平稳、持续的进行。由自动控制理论的知识可知,过程控制系统除了要满足绝对稳定性(并具有适当的稳定欲量)的要求外,同时要求系统具有良好的动态响应特性(过渡过程时间短,动态、稳态误差小)。

经济性是指过程控制系统在提高产品质量、产量的同时,节约原材料,降低能源消耗,提高经济效益与社会效益。采用有效的控制手段对生产过程进行优化控制是满足工业生产对经济性要求不断提高的重要途径。

在实际工程中,对过程控制系统的各种要求之间往往存在矛盾。因此在实际控制系统研究时,应根据实际要求,分清主次,首先保证满足最重要的质量、指标要求并留有适当余地;同时协调、并兼顾其他指标的要求。

一般说来,有差系统是按照一定比例(P)调节器系统,余差的大小受比例大小程度δ的影响。同时,比例大小程度δ与系统的动态性能密切相关。比例积分(PI)调节器,因为积分的作用,没有余差在本次本系统中,本次系统中只要参数δ、Ti是合理的,也可以使系统具有良好的动态性能。比例积分微分(PID)调节器的基础上,引入图5,P、PI和PID调节的阶跃响应曲线微分D的效果,不存在余差在这个系统中,动态性能(快速性、稳定性等)得到改善在系统中。在单位阶跃的作用下、P、PI、PID控制系统阶跃响应如图5所示,曲线为(1)、(2)、(3)。

2)双容水箱液位PID控制系统

图6为双容水箱液位控制系统。这个系统是一个单回路控制系统,它有两个水箱串联在一起,目的是所期望的值等于控制下水箱水位的高低,又要具有减少或消除内部和外部干扰的问题。显然,这种反馈控制系统调节阀的结构和参数的合理选用能决定系统的性能。因为数学模型的双溶液位水箱是二阶的,故它的稳定性不如单容液位控制系统。对于阶跃输入(包括阶跃扰动),该系统采用比例(P)调节器来控制,系统有余差,而这个与比例度是近似成正比的。

如果使用比例积分(PI)调节器来控制,可以实现无余差在这个系统中,只要参数δ和Ti在调节器控制中合理的选择,也可以使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上又加入了微分D,从而无余差在这个系统中系统的动态性能还得到了提高。

4 结束语

相对于PID控制系统的研究,现在有许多先进的控制,例如:模糊控制、智能控制和自动学习控制等。所以,双溶液位PID控制为以后学习和研究更先进的控制打下基础。

摘要：液位是工业过程生产中经常遇到的控制参数之一,对所需的控制对象进行精确的液位控制,关系到产品的质量,是保障生产效果和安全的重要问题。因而,液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。针对不同类型的多容液位系统研究了其PID控制器,采用机理法对单容、双容过程进行模型分析。通过实验测试法分别对上、中和下水箱进行数学建模,并用MATLAB进行仿真,验证其数学模型的正确性。接着,合理搭建硬件平台,构造出双容单回路液位系统。

关键词：双容水箱,液位控制,PID调节,参数整定

参考文献

[1]高志宏.过程控制与自动化仪表[M].浙江大学出版社,2006.

[2]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].化学工业出版社,2004.

[3]郭荣祥,章鲁浩.集中供暖监控系统的设计[J].化工自动化及仪表,2011,(11).

[4]高强,王国敬,李大华,张亮.污水处理流程一体化控制系统设计与实现[J].电气传动,2011,(03).

[5]王永红.过程检测仪表[M].北京:化学工业出版社,2005.

液位控制阀 篇10

液位作为工业控制中的重要参数之一,在石油化工、冶金、电力、能源等工业生产领域中都有涉及,因此液位是过程控制领域中非常普遍的一种被控过程[1]。由于PID控制算法的简便和易于实现的优点,使其在液位控制系统中获得相当广泛的应用。但是当液位过程特性具有复杂特性,如时滞、参数时变、非线性等,且系统中存在较大干扰时,PID控制往往难以获得满意的控制效果。针对常规控制策略的不足,逐渐出现了多种先进的控制策略。文献[2]将DMC算法与PID控制相结合,有效地改善了系统在模型失配情况下的控制性能。文献[3]为提高液位系统控制的可靠性和安全性,利用广义预测控制算法,获得了较好的控制效果。文献[4]针对液位控制系统介绍了一种模糊PID控制器设计方法,实验结果证明了该方法的有效性。文献[5]针对双水箱液位串级控制系统,设计了一种基于粒子群优化算法的参数自整定PID控制器,实验结果表明系统的性能得到明显改善。文献[6]提出了一种采用遗传小脑模型神经网络(CMAC)的学习控制方法,仿真结果表明了算法的有效性。上述方法在改善系控制统性能同时,仍然存在着一些不足,例如算法复杂度和实时性问题还待进一步研究。

内模控制(Internal model control,IMC)作为一种先进控制技术,由于其具有在线整定方便、鲁棒性强以及对模型精度要求低等优点,近年来在过程控制领域得以广泛应用,但常规内模控制存在着控制器参数需要在系统动态性能和鲁棒性之间进行折中选择的局限性。本文针对液位过程,给出了一种内模PID控制器设计方法,并基于模糊逻辑实现了控制器参数的在线自动整定,实验结果表明了该设计方法的有效性。

2 液位过程数学模型

建立过程的数学模型是分析和设计控制系统的重要基础和基本依据。建立数学模型的方法主要有机理分析和实验辨识两种。本文采用混合建模方法,即首先通过机理分析法获得被控过程的模型结构,然后根据实验数据,利用实验辨识法确定模型中的未知参数。液位过程结构如图1所示,其中q1为入料流量,q2为出料流量,h为容器的液位。

根据动态物料平衡关系可得:

式中,A为容器横截面积。根据流体力学可知,液体在紊流状态下,液位与流量之间呈微弱的非线性关系。采用线性化处理,近似认为q2的增量部分与h的增量部分成正比,与出料阀的液阻R1成反比,即:

将式(2)代入式(1)消去q2,同时考虑存在的时间延迟L,经过拉氏变换得液位过程数学模型为

式中,K、T和L分别为液位过程的开环增益、惯性时间和时滞时间。

在系统处于平衡状态时,施加阶跃输入,测得输出响应曲线,并通过作图与计算的方法,确定系统的静态增益K=28,时间常数T=35s,时滞时间L=20s,即

时滞环节的存在会使系统响应的动态偏差增大,稳定性下降。

3 液位过程模糊内模PID控制

3.1 内模PID控制器设计

内模控制系统的结构如图2所示。其中P(s)为被控过程,M(s)为被控过程的数学模型,Q(s)为内模控制器,R(s)、Y(s)和D(s)分别为控制系统的输入、输出和干扰信号。由图2可得

由式(5)可知,当模型没有误差即P(s)=M(s),只要Q(s)和M(s)都是稳定的,那么内模控制系统闭环稳定。在这种情况下,若模型的逆存在,且内模控制器Q(s)=M-1(s),则系统可实现理想控制,即Y(s)=R(s)。

但在实际应用中,非理想的情况总是存在的,为此,内模控制器Q(s)可按下式进行设计

式中,M?(s)为过程模型M(s)的可逆部分,f(s)为低通滤波器,通常采用以下形式

式中,g为足够大的常数,以保证Q(s)的可实现性,λ为滤波器时间常数。

内模控制系统可以等效变换为图3所示的常规反馈控制系统,其中C(s)为反馈控制器,C(s)与Q(s)有如下关系

考虑式(3)所示的过程模型,用一阶Pade表达式逼近时滞项

则过程模型近似为

选取一阶滤波器

得内模控制器为

根据式(8)得反馈控制器

显然式(13)具有PID控制器的形式,与常规PID控制器相比较可得控制器的参数为

式中,KC为比例增益,TI为积分时间,TD为微分时间。

与常规PID控制器不同的是内模PID控制器只有一个可调参数λ,λ决定着系统的动态特性和鲁棒性,λ越小,系统响应越快但鲁棒性变差,容易引起振荡,反之,λ越大,系统鲁棒性越好,但响应过程缓慢。因此,可以根据系统的期望特性在线调整参数λ。

3.2 模糊内模PID控制器设计

控制器参数λ可以根据系统误差e及误差的变化Δe在线调整。当误差较大时,λ应取较小值,以快速减小误差,随着误差的减小,λ的取值应逐渐增大,当误差较小时,若输出响应出现超调的趋势,λ应取较大的值,以防止产生超调,若输出响应正缓慢趋于设定值,λ应取适中的值,既加快了输出响应,又防止了产生超调[7]。

设系统误差、误差的变化以及控制器参数λ的语言变量分别为E、EC和Λ,且E的模糊论域为X=[-6,…,-0,+0,…,+6],模糊集为A={NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB},EC的模糊论域为Y=[-6,…,0,…,+6],模糊集为B={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB},Λ的模糊论域为Z=[1,2,3,4,5],模糊集为C={VS,S,M,B,VB},其中VS、S、M、B和VB分别表示很小、小、中、大和很大。以上模糊变量均取高斯型隶属函数,即

式中,参数σ为正值,参数α用于确定曲线的中心。

根据参数调整基本思想,确定模糊调整规则如表1所示,调整规则可以用一组模糊条件语句来描述:I f E=Ai and EC=Bj ThenΛ=Cij,其中,i=1,2…,8,j=1,2…,7。与此对应的模糊关系可描述为

式中,×为模糊直积运算。模糊关系R的隶属函数可表示为

式中,x∈X,y∈Y,z∈Z。

当误差、误差的变化分别取模糊子集A、B时,模糊参数Λ可由下式得出

式中,o为模糊合成运算。Λ的隶属函数为

运用Mamdani推理规则,采用重心法进行模糊判决,可求得模糊参数调整表。在控制的过程中,可通过查表的方法得出模糊参数Λ的取值,然后乘以比例因子即可作为控制器可调参数λ的清晰值。

4 实验结果及分析

为验证本文方法的有效性,将其应用于液位过程控制系统。该系统主要由液位过程、操作台、工控机及电动调节阀四部分组成。其中液位过程的底部安装的扩散硅压力传感器与变送器,可对液位进行检测和变送,操作台与工控机之间通过ICP7000系列智能采集模块相连接,系统硬件结构如图4所示。系统监控软件基于MCGS(Monitor and Control Generated System)组态软件进行开发。

图5为系统在给定信号作用下的实时输出曲线,液位给定值为43cm,由图可见,模糊内模PID控制器调节迅速、无超调,且具有良好的稳态性能。

图6为系统在扰动状态下的液位实时控制曲线,在系统达到稳态后,通过旁通阀施加扰动量,第一次施加扰动持续70秒,系统恢复的时间为45秒,第二次施加扰动持续60秒,系统恢复的时间为35秒。可见本文的控制算法具有较强的抗干扰能力。

5 结束语

本文针对工业控制领域中普遍存在的液位过程,采用机理分析与实验辨识相结合的混合建模方法,建立了液位过程的数学模型,基于内模控制原理设计了一种内模PID控制器,并利用模糊逻辑,实现了控制器参数的在线自动调整,克服了常规内模控制中参数整定的局限性。实验结果表明,该方法可以使系统同时具有良好的动、静态特性以及抑制扰动的鲁棒性。

参考文献

[1]王志新,谷云东,王加银.双容水箱上的几种液位控制实验及被控对象的数学模型[J].北京师范大学学报,2006,42(2):126-130.

[2]张文安,徐建明,俞立.PID-DMC算法及其在液位控制系统中的应用[J].控制工程,2005,12(1):22-25.

[3]王晓枫,余世明,熊小华.基于广义预测控制算法的水槽液位控制系统[J].机电工程,2009,26(3):35-38.

[4]林宝全.模糊PID控制在液位控制系统中的应用[J].福州大学学报(自然科学版),2008,36(5):686-690.

[5]吴文进,葛锁良,江善和.基于粒子群优化算法的PID液位控制[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2009,32(11):1674-1677.

[6]邢东峰,董海鹰.遗传小脑神经网络在液位控制中的应用[J].计算机测量与控制,2006,14(9):1198-1199.

尿素装置中压吸收塔的液位控制 篇11

河南省中原大化集团有限责任公司尿素装置采用意大利SNAM氨汽提工艺, 自1990年5月投产以来, 在开车中因操作不当造成中压吸收塔漫液、抽空、CO2上窜而导致多次装置停车事故。本文通过分析开车过程中造成中压吸收塔难以控制液位的原因, 总结开车过程中稳定控制中压吸收塔液位的措施。

1 中压吸收塔工作原理

中压吸收塔是一个泡罩塔, 装有4块塔盘, 上部为精馏吸收段, 下部为鼓泡吸收段, 中间装有锯齿形分布器。正常生产中, 中压吸收塔控制一定液位, 来自中压甲铵冷凝器的碳铵液进入中压吸收塔底部十字分布器进行鼓泡吸收, 此时, 可使气体中的大部分CO2被吸收下来, 含有少量CO2的气体上升到精馏段, 与自上而下的液氨和氨水逆流接触后, CO2和H2O以甲铵冷凝液形式回到塔底。最后从塔顶排出的气体几乎为纯粹的氨气和少量惰性气体, 塔底的甲铵液由高压甲铵泵送回高压系统。中压吸收塔工艺流程如图1, 中压系统工艺流程见图2。

2 开车过程中压吸收塔液位控制的重要性

由于尿素装置开车过程中, 高压系统NH3/CO2、H2O/CO2不稳, 合成塔内CO2转化率低, 汽提塔的汽提效率不高, 造成中压吸收的物料负荷和热负荷大大高于正常值, 而且波动较大;另外, 在刚出料时由于中压吸收塔的液相组分不稳, 密度变化大, 使主控显示的液位与现场实际液位有较大偏差。以上原因的存在造成中压吸收塔液位不易控制, 操作困难, 如果液位判断失误, 很容易造成下列结果:

1) 中压吸收塔液位过高甚至漫液, 甲胺液和吸收塔盘接触, 造成塔盘上出现甲胺结晶, 堵塞塔盘, 会使溶液中未被吸收的CO2不能通过泡罩塔被NH3洗涤吸收, 而是穿过降液管上窜, 通过中压吸收塔进入氨冷却器和氨贮槽, 并在这些设备中形成甲胺, 进而阻塞氨升压泵入口过滤网, 造成氨升压泵汽蚀, 导致高压氨泵 (P101) 超转速直至跳车。

C101—中压吸收塔;E109—氨冷却器;E111—中压氨吸收塔

2) 中压吸收塔液位过低还会引起CO2上窜, 在氨冷却器中及氨贮槽中生成甲胺结晶, 使氨升压泵汽蚀, 导致高压氨泵 (P101) 超转速直至跳车。

3) 中压吸收塔液位过低, 会造成高压甲铵泵发生汽蚀, 严重时引起跳车, 甚至造成高压甲铵泵的损坏。

3 开车过程中稳定控制中压吸收塔液位的措施

3.1 稳定控制系统NH3/CO2

NH3/CO2过高, 汽提塔内游离NH3增多, 现场实际液位不易判断;NH3/CO2过低, 中压吸收塔吸收负荷增大, 严重时造成塔盘结晶, CO2上窜。因此, 投料时, NH3/CO2摩尔比要尽量保持在3.3～3.6, 尤其是空塔投料时更应该如此, 这样有利于提高CO2的转化率, 从而降低中压系统的负荷。

3.2 严格控制投料负荷及高压系统排放量

(1) 系统投料时要保持60%～70%的负荷, 尽量使出料时负荷不发生大的变化。

(2) 投料后, 应提前稍开高压系统压力调节阀, 排放高压系统内的惰性气体, 保证高压系统的压力稳定上升, 同时保持中压系统的前后压差, 建立稳定的中低压循环, 保证中压吸收塔液位。

(3) 保证汽提塔液位调节阀开度与负荷相对应, 切莫开得过大过猛, 否则会导致中压吸收塔液位大幅度波动。

3.3 汽提塔及中压吸收塔底部温温度调节

(1) 汽提塔温度的调节。

当系统出料时, 由于合成转化率很低, 要及时调节汽提塔温度, 开大氨汽提塔 (E101) 壳侧的蒸汽压力调节阀, 使汽提塔温度逐步达标, 防止负荷后移, 造成中压回收系统负荷过大。

(2) 中压吸收塔底部温度调节。

中压吸收塔底部温度 (T09310) 与高压出料量及中压甲铵冷凝器出液温度成正比。以前在开车过程中由于后系统过料少, 中压甲铵冷凝器出液温度很低, 难以使T09310达到75℃, 必要时打开塔盘冲洗水, 用于提T09310的温度。现在由于正常生产时三聚氰胺向中压吸收塔返回部分碳铵液, 所以在开车出料前可及早将碳铵液送入中压吸收塔循环起来, 使其T09310温度尽快达标, 尽可能早的启动高压甲胺泵, 稳定高压系统, 形成良性循环, 使中压吸收塔液位尽快稳定。

3.4 液位调节阀 (LV09302) 与排放阀 (HV09301) 的协调控制

LV09302的作用之一是通过它过来的低压碳铵液与中压分离器 (V-102) 顶部出来的富含NH3和CO2的汽相混合后, 吸收其中的汽相。而在以往开车过程中, 经常出现LV09302和HV09301协调控制不当, LV09302关闭, HV09301开度较大, 汽相不能被充分吸收, 导致中压吸收塔内气相增多, CO2上窜现象的发生。因此开车过程中LV09302的开度至少不能低于20%, 以保证气相的良好吸收, 通过HV09301控制, 同时注意低压系统的压力。

3.5 对中压吸收塔液位过高或过低的判断及处理

中压吸收塔的液位计是一个差压式液位计, 受组分和浓度的影响因素极大, 尤其在开车过程中, 中压吸收塔的介质组分波动较大, 所以主控显示的液位与现场相差很大。此时主控人员应及时与现场人员联系, 及时校对中压吸收塔液位, 防止其满液或抽空。此外主控人员还可根据塔内各温度点的变化对液位的高低做出及时的判断, 具体判断方式如下:

(1) 塔内各点温度自下而上逐渐上升。若塔内温度TI09309, TI09307, TI09306和TI09305逐渐上涨, 尤其是TI09309温度上涨迅速, 可判断为中压吸收塔过高, 则可适当关小LV09302, 开大高压甲铵泵送往高压系统的调节阀HV09204, 并开大中压吸收塔至低压碳铵液槽的调节阀HV09301, 必要时适当关小回流氨阀和稀氨水阀。尽可能小幅度调节高压甲铵泵送往高压系统的甲铵量, 防止高压系统出料波动造成中压系统波动, 从而造成中压吸收塔液位的波动。

(2) 当TI09310温度下降, 而其它各点温度如TI09309、TI09308、TI09307、TI09306、TI09305却上升, 可判断为中压吸收塔液位低, 应及时开大LV09302关小HV09204, 开大高压甲铵泵循环阀, 开大稀氨水阀, 必要时开大塔盘冲洗水, 维持中压吸收塔液位。

(3) 当在中压吸收塔回流氨阀和稀氨水阀未作调整的情况下, 塔内各点温度同时上升, 则可判断是CO2上窜, 此时应开大回流氨阀和氨水阀, 使得上窜的CO2被完全吸收, 塔盘上的甲铵得以完全溶解, 必要时可开塔盘冲洗水彻底冲洗塔盘。

4 结 语

中压吸收塔液位控制的关键是高压系统的稳定, 但其他方面也不容忽视。通过这几方面的优化控制, 在近期的开车过程中中压吸收塔液位得到了较好的控制, 提高了开车的成功率, 同时也减少了甲胺对设备的腐蚀, 保证了装置的安全运行。

摘要：在SNAM氨汽提法尿素生产工艺中, 中压吸收塔液位控制的好坏直接影响开车的成败。通过分析中压吸收塔的工作原理, 以及如何通过各点温度的变化来判断其液位的高低, 总结在装置开车过程中稳定控制中压吸收塔液位的措施。