动态液位控制

2025-01-08

动态液位控制（精选7篇）

动态液位控制篇1

目前传统的控制器大多采用PID控制算法,由于PID算法的PID三个参数需要根据实际运行情况不断进行调整,因此存在控制精度不高,自适应能力差等问题。近几年发展起来的先进的优化控制算法——神经动态规划(NDP)能够很好地实现对非线性强耦合系统的优化控制。国内外的学者在这方面也做了大量的科学研究。J.R.N.Forbes[1]实现了在各种环境和路面状况下汽车的自动驾驶控制。M.J.Mataric[2]将神经自适应动态规划控制应用到多机器人的学习任务中。Lu Chao等人将执行依赖启发式动态规划(DHP)的方法用在电力系统稳定性控制的问题上,并取得了很好的控制结果[3]。伊利诺伊大学的刘德荣(Derong Liu)教授等人说明了在引擎技术的应用中,用自适应评价技术[4]来控制一个好的发动机扭矩和排气空燃比(AFR),这种设计是基于神经网络可以自动学习内部的动态变化[5],并且能够提高汽车在实际运行中动力系统的性能。中科院的杨涛等人将DHP方法用于隔离振动控制问题[6],结果表明基于DHP算法的控制器可以有效地减轻震动干扰。

单容水箱液位控制系统是非线性、时变时滞、多约束的控制过程,传统的神经动态规划算法的模型网络大多选用BP神经网络,BP神经网络存在学习训练收敛速度慢(快了容易发散),容易陷入局部极小点等问题。

针对传统NDP算法中,模型网络训练收敛速度慢,不能很好地逼近被控对象的实际数学模型的问题,采用小波神经网络代替换传统NDP算法中的模型网络,来设计针对单容液位控制系统的实时控制器。

1神经动态规划(NDP)

神经动态规划方法(Neuro Dynamic Programming,NDP)是一种仿脑部智能的最优控制的方法,是一种满足“Hamilton-Jacobi-Bellman”方程的非线性反馈控制器。其理论基础是贝尔曼提出的动态规划原理[7]。它的核心思想是贝尔曼最优化原理。

1.1动态规划[8]

设离散时变非线性控制系统的状态方程为

$x (t + 1) = F [x (t), u (t), t] ； t = 0, 1, 2, \dots ‚ l (1)$

式(1)中t为多级决策过程的阶段变量;x(t)为t时刻决策过程开始时的状态向量;u(t)为t时刻所采用的决策(或者控制量)。

问题的求解就是要得到最优的控制序列

{u*(t)},t=0,1,2,…,l。使得目标泛函

$J [x (t), t] = \sum_{t = l}^{\infty} γ^{t - l} U [x (t), u (t), t] (2)$

取最小值,用J*(·)表示。这里的U[·]为t时刻的效用函数,γ为折扣因子且满足0<γ≤1。根据贝尔曼最优化原理可以得到从时间t开始系统的最优代价函数。

$\begin{array}{l} J^{*} [x (t), t] = \min_{u (t)} {U [x (t), u (t), t] + \\ γ J^{*} [x (t + 1), t + 1]} (3) \end{array}$

代价函数最优时对应的控制量u*(t)

$\begin{array}{l} u^{*} (t) = \arg \min_{u (t)} {U [x (t), u (t), t] + \\ γ J^{*} [x (t + 1), t + 1]} (4) \end{array}$

即为最优控制量。

然而,对于一个实际的动态规划问题,在反向计算时往往会出现 “维数灾”问题[7]。为了克服动态规划的维数灾问题,提出了神经动态规划方法。

1.2神经动态规划

NDP方法首先由Werbos提出[9],是一种建立在数学分析基础上的新的最优控制算法,其通过联合强化学习、神经网络和动态规划(DP)方法来处理经典最优控制问题。使用NDP方法可以设计自适应非线性控制器。

一个典型的NDP由三个网络组成:评价网络(Critic Network)、模型网络(Model Network)和执行网络(Action Network)[10]。

2单容水箱液位系统的新型NDP控制器

根据单容水箱液位控制系统的输入和输出特性,用基于小波神经网络的NDP算法设计了单容水箱液位控制系统的控制器。如图1所示,评价网络的输出是代价函数J(t+1)。

2.1单容水箱液位控制系统

单容水箱液位控制系统是一个过程计算机控制系统,实验平台由电控箱、液位控制系统本体以及AD/DA 数据采集卡和PC机组成, 整个系统的控制均由计算机实现。计算机通过控制调节器设定液位, 经D/A 转换输出到调节阀, 调节阀通过接收到的信号直接对容柱进行控制。单容液位控制系统本体由泵、阀门、液位传感器、水柱、水箱构成, 如图2 所示。

2.2小波神经网络

小波神经网络是小波分析理论与神经网络理论相结合的产物。它是由小波神经元构成的神经网络, 其基本思想是将常规神经网络隐层的节点函数用小波函数替代, 相应的输入层的权值及隐层的阈值分别由小波函数的尺度与平移参数代替。由于小波神经网络的输出与其权值是线性的, 因而不存在如常规BP 网络那样的局部极小点。因此,采用小波神经网络来设计NDP控制器中的模型网络。

2.3模型网络的训练

模型网络的结构如图3所示,sm表示模型网络的输入,sm=[x(t) u(t)],x(t)是采集的历史数据库中t时刻的状态量(液位高度),u(t)是历史数据库中t时刻的控制量(流量),x(t+1)是模型网络的实际输出值(即为预测下一个时间的状态值),d(t+1)是t+1时刻的期望输出值。现主要是对单容液位控制系统的液位进行优化控制。

和BP神经网络不同,小波神经网络用非线性小波基h(a,b,sm)来取代通常的神经元激励函数,其中a为伸缩因子,b为平移因子。正向计算模型网络,其中mymorlot为小波函数

$h (t) = \cos (1.75 t) \exp (- \frac{r^{2}}{2}) (5)$

由图3可知,小波神经网络输入层计算为输入向量与权值向量的乘积,隐层计算为,通过输入层的计算结果计算小波神经网络的非线性小波基 $h (\frac{(s_{m} - b)}{a})$ ,输出层的计算为,用非线性小波基作为小波函数mymorlot的输入量,得出函数结果,然后再和输出层权值做乘积。各层的计算方法如表1所示。

定义模型网络误差

$E = \frac{1}{2} (d (t + 1) - x (t + 1))^{2} (6)$

采用梯度下降法调整小波神经网络权值。

$w'_{m} = w_{m} - l_{m} \frac{\partial E}{\partial w_{m}} (7)$

小波神经网络伸缩因子的调整

$a'_{m} = a_{m} - l_{m} \frac{\partial E}{\partial a_{m}} (8)$

小波神经网络平移因子的调整

$b'_{m} = b_{m} - l_{m} \frac{\partial E}{\partial b_{m}} (9)$

式(9)中lm=0.05是模型网络的学习率。

2.4评价网络的训练

根据动态规划原理有:

$J (t) = U (t) + γ J (t + 1) (10)$

式(10)中评价网络的输出是J(t+1),评价网络是对控制策略进行评估,U(t)为效用函数对当前的策略的惩罚大小。

式(10)提供了通过训练评价网络可以近似J函数的方法,为了达到这一目的,因此定义一个误差函数为:

$\begin{array}{l} e_{c} (t) = J (t) - U (t) + γ J (t + 1) (11) \\ E_{c} = \frac{1}{2} e_{c} (t)^{Τ} e_{c} (t) (12) \end{array}$

因此可以用式(12)定义的误差函数作为训练目标来训练评价网络,使得评价网络的输出值近似J函数。

隐层到输出层权值调整。

$\begin{array}{l} Δ w_{c 2} = l_{c} \frac{\partial E_{c}}{\partial w_{c 2}} = l_{c} \frac{\partial E_{c}}{\partial e_{c}} \frac{\partial e_{c}}{\partial w_{c 2}} (13) \\ w'_{c 2} = w_{c 2} - Δ w_{c 2} (14) \end{array}$

输入层到隐层权值调整如下:

$\begin{array}{l} Δ w_{c 1} = l_{c} \frac{\partial E_{c}}{\partial w_{c 1}} = \frac{\partial E_{c}}{\partial e_{c}} \frac{\partial e_{c}}{\partial w_{c 1}} = \\ l_{c} e_{c} w c 2 (1 - J h 2 J h 2) x (t + 1) (15) \\ w'_{c 1} = w_{c 1} - Δ w_{c 1} (16) \end{array}$

其中lc=0.05是评价网络的学习率。

2.5动作网络的训练

动作网络的结构也为BP神经网络,隐层与输出层神经元的激励函数分别为双极性函数与线性函数。与评价网络不同的是:动作网络的目标是找到最优控制信号来u*(t)最小化cost-to-go函数J(t),根据最优控制方程,即

$\begin{array}{l} \frac{\partial J (t)}{\partial u (t)} = \frac{\partial U (t)}{\partial u (t)} + r \frac{\partial J (t + 1)}{\partial u (t)} = \\ \frac{\partial U (t)}{\partial u (t)} + r \frac{\partial J (t + 1)}{\partial x (t + 1)} \frac{\partial x (t + 1)}{\partial u (t)} = 0 (17) \end{array}$

因此,定义动作网络的误差为

$\begin{array}{l} e_{a} (t) = \frac{\partial J (t)}{\partial u (t)} = \frac{\partial U (t)}{\partial u (t)} + r \frac{\partial J (t + 1)}{\partial u (t)} = \\ \frac{\partial U (t)}{\partial u (t)} + r \frac{\partial J (t + 1)}{\partial x (t + 1)} \frac{\partial x (t + 1)}{\partial u (t)} \end{array}$

(18)

$E_{a} = \frac{1}{2} e_{a}^{2} (19)$

利用梯度下降法来更新权值,其中la是学习率,r是折扣因子。

$\begin{array}{l} Δ w_{a 2} = l_{a} \frac{\partial E_{a}}{\partial w_{a 2}} = l_{a} e_{a} \frac{\partial e_{a}}{\partial w_{a 2}} (20) \\ w'_{a 2} = w_{a 2} - Δ w_{a 2} (21) \\ w_{a 1} = l_{a} * \frac{\partial E_{a}}{\partial w_{a 1}} = l_{a} e_{a} \frac{\partial e_{a}}{\partial w_{a 1}} (22) \\ w'_{a 1} = w_{a 1} - Δ w_{a 1} (23) \end{array}$

其中la=0.02是动作网络的学习率,r=0.8是折扣因子。

3仿真与测试

将这种改进的NDP算法在MATLAB环境下编程实现,用于单容液位控制系统仿真优化控制,并与传统的PID算法设计的控制器进行比较。控制结果如图4所示。

液位的目标值设定为60 cm,起始时间为0 s。从图4中可以看出,改进的NDP算法几乎没有任何超调,可以将其稳定地控制在目标值60 cm,而传统的PID算法,超调量较大,且自适应能力较差,控制器需要人为地设定P、I、D三个参数,存在使用不灵活等缺点。

4结语

设计了一种新型的神经网络控制器,针对单容液位控制系统进行了仿真控制实验,并与传统的PID算法所设计的控制器进行了比较。通过仿真和实时控制结果,可以看到:采用小波神经网络来代替传统NDP算法中的模型网络,可以更好地拟合单容液位控制系统的实际数学模型。采用该算法设计的控制器具有鲁棒性强、控制精度高、收敛速度快等优点。在智能控制领域特别是工业控制领域有着广阔的应用前景。

参考文献

[1] Forbes J R N.Reinforcement learning for autonomous vehicles.Stan-ford University,1993

[2] Millan Jose Del R,Torras Carme.A reinforcement connectionist ap-proach to robot path finding in non-maze-like environments.MachineLearning,1992;8:363—395

[3] Lu C,Si J,Xie X C,et al.Direct Neural Dynamic Programming Meth-od for Power System Stability Enhancement.Proceedings of the Inter-national Conference on Intelligent Systems Application to Power Sys-tems,Washington,USA:IEEE,2005:128—135

[4]韩力群.人工神经网络理论、设计及应用(第二版).北京:化学工业出版社,2007

[5] Si J,Barto A,Powel W,et al.Handbook of learning and approxi-mate dynamic programming.New York:John Wiley&Sons,2004

[6] Ma J,Yang T,Hou Z G,et al.Dual Heuristic programming basedneurocontroller for vibration isolation control.IEEE International con-ference on networking,sensing and control.ICNSC,2008:874—879

[7]李国勇,张翠平,郭红戈,等.最优控制理论及参数优化.北京:国防工业出版社,2005

[8]胡寿松,王执铨,胡维礼.最优控制理论与系统(第二版).北京:科学出版社,2005

[9] Werbos P J.Advanced forecasting methods for global crisis warningand models of intelligence.Gen Syst Yearbk,1977;22:25—38

[10] Prokhorov D V.Adaptive Critic Designs and their Applications.TX:Texas Tech University,1997

动态液位控制篇2

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.

液位控制系统的设计篇3

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4

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

动态液位控制篇5

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

水箱液位PID控制系统研究篇6

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.

动态液位控制篇7

关键词：DCS,CENTUMVP,法兰,差压,液位计

L F13-2D P P平台自2011年10月份投产后, 现场液位检测使用的磁浮子液位计多次出现浮子卡滞、浮子穿孔进水进等现象, 导致生产流程波动较大, 多次造成生产关断, 能否解决液位的稳定控制成为保证生产长周期稳定运行的关键。

1 现场存在的问题

(1) 原浮子翻板液位计的浮子选型要求较高, 部分浮子配比不合适给现场液位检测带来很大问题。

(2) 油水界位的磁浮子液位计的上法兰取压点高出堰板, 导致翻板液位计的腔室中充满的是下法兰取压点进来的水, 不能检测到实际的油水界位。

(3) 磁浮子液位计在杂质多时容易浮子卡滞、浮子穿孔进水等现象。

(4) 单一液位计, 不能满足重要液位或界位的检测和对比。

2 解决方案与实施

通过对现场工况以及当前液位测量仪表的调研, 考虑到罐体液位产生的静压差相对较小, 需要单向受压大检查差压小的工况下检测精度高的差压液位计, 决定选用FOBORO公司的IDP系列双法兰差压液位计, 该双法兰差压液位计采用封闭法兰感应膜盒, 通过充满硅油的毛细管传导压力到差压变送器的高低压腔室, 避免了油砂进入引压管导致管线堵塞的情况, 检测液体产生的静压差进而通过公式计算转换为液位或界位, 控制现场阀门的开度, 保证生产流程处于稳定、安全的动态状态。本次改造涉及到生产分离、测试分离、原油缓冲罐、生产水缓冲罐、污油罐、闭排罐、燃气洗涤罐等生产设施。如果在罐体上开孔引压, 需要停产改造, 同时开孔后的罐体需要气密测试, 工期较长, 在保障生产的前提下, 经过反复研究, 决定在原液位计的法兰处增加三通法兰组, 将差压液位计连接在磁浮子液位计的引压管线上, 一方面避免了停产改造, 同时确保了两个液位计在相同取压点的参比性, 以下以生产分离器磁浮子液位计LIC-2004增加LIC-2005差压液位计的改造为例, 详细介绍改造方案的实施。 (见图1)

差压液位计检查差压和检测液位计零点、量程的计算方法如下 (见图2)

设差压液位计负压室中心线至上取压点高度为h2, 正压室中心线至下取压点高度为h1, 下取点至罐体液位高度为H, 硅油密度为ρ2, 罐内液体的密度为ρ1, 罐体上部压力为P0, 正、负室压力为p1、p2, 则正压室压力:

负压室压力:

则

所以

测量零点时, H=0,

测量满量程时, H=h2-h1,

对应变送器到中控的信号为ΔP1为4ma, ΔP2为20ma, 组态软件对该信号进行工程单位和量程的对应, 并把罐底至下取压点的高度叠加上后, 即为实际液位值。

D C S控制系统采用横河的C E N T U M V P, 为了保证控制系统的可靠性, 原先的LIC-2004与LIC-2005互为备份, 两个PID块的输出, 通过SW-33功能块进行输出选择。操作工可以通过功能块LIC-2005-SW手动选择LIC-2004或是LIC-2005的运算结果作为输出送往现场阀门。为了避免两个P I D块在选择切换的时候两个的MV值输出不一致, 使得阀门突然间大范围动作从而造成工艺上的波动, 在实现基本功能后, 又添加了无扰切换功能。当LIC-2005处于备用状态时, 该功能块处于TRK (Tracking) 模式。该模式的级别比AUT (Auto) 、MAN (Manual) 都要高, 使得该功能块的MV输出值终始跟踪LIC-2004的MV输出值, 当操作员决定把PID控制输出从LIC-2004切换至LIC-2005时, 这时两个PID块的MV是相等的, 阀门不会有跳跃式的变动, 只会按照新的PID块的运算输出进行动作。 (见图3和图4) 同时为了避免两个液位偏差较大时, 对生产流程的实际液位值监控失效, 在中控组态增加双法兰和浮子液位计偏差大报警, 并弹出操作员信息做提醒, 并作现场液位确认。

3 结论

相比于两个液位指示通过切换进同一个PID块运算后输出的方案来讲, 这种方案完全做到了无扰切换, 经过现场的调试与实操, 验证完全达到了预期目标。

该方案相对于一个PID方案在功能实现的过程要更复杂, 新增许多辅助功能模块。新增PID数量会消耗一定的系统资源。经过测算, 在此次项目交工后, CPU的空闲时间下降约为1秒, 应该说费效比还比较理想。

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