冷卻塔液位控制系統(tǒng)

冷卻塔液位控制系統(tǒng)［摘要］液位控制是常見的工業(yè)過程控制之一，它廣泛運用于水塔、鍋爐、高層建筑水箱、罐、工業(yè)化工槽等受壓容器的液位測量.隨著科技的進步，人們對生產(chǎn)的控制精度要求越來越高，所以提高液位控制系統(tǒng)的性能顯得十分重要.本文主要介紹了一種單閉環(huán)控制的冷卻塔液位控制系統(tǒng).首先講訴了液位控制系統(tǒng)的設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計；然后介紹了控制系統(tǒng)的算法與控制系統(tǒng)流程；最后針對其穩(wěn)定性和抗干擾能力進行了分析并作出了相應(yīng)的解決措施.［關(guān)健詞］:液位控制；實時監(jiān)控；液位傳感器；干擾抑制背景冷卻塔主要用于大型空氣壓縮機冷卻降溫作用，而冷卻塔液位控制系統(tǒng)主要用于控制冷卻塔類冷卻水的液位,確保也未能隨時保持在一個合理的范圍內(nèi)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)液位的實時監(jiān)控和異常報警功能，以確保不會造成空氣壓縮機高溫故障或損壞.液位控制原理液位控制系統(tǒng)的組成冷卻塔液位控制系統(tǒng)的設(shè)計是一個簡單控制系統(tǒng)，是由一個被控對象、一個檢測變送單元〔檢測元件與變送器〕、一個控制器和一個執(zhí)行器〔控制閥〕所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng).簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征,它們均有四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器.圖2-1閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖由這個簡單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計出冷卻塔液位控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2-2所示.圖2-2冷卻塔控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖這是單回路冷卻塔液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu).本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制冷卻塔液位等于給定值所要求的高度.根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制.液位控制系統(tǒng)的功能1） 液位控制系統(tǒng)基本功能設(shè)置液位高度后，通過控制變送器，自動調(diào)節(jié)液位高度到設(shè)置值.如果自動調(diào)節(jié)出現(xiàn)錯誤時，可以切換到手動進行調(diào)節(jié)和診斷.可以通過實時曲線去分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、調(diào)整時間等動態(tài)性能指標.操作員可以通過微機進行實時監(jiān)控，包括查看現(xiàn)場工作設(shè)備情況、手動/自動無擾切換、液位設(shè)置和液位顯示、報警顯示、實時曲線.2） 異常報警功能在異常狀況下可以實現(xiàn)音響報警，通過查看報警次數(shù)和時間，對液位的狀況進行跟蹤分析,最后進行確認報警.液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計單回路過程控制系統(tǒng)概述單回路過程控制系統(tǒng)亦稱單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡稱單回路系統(tǒng)，一般指針對一個被控過程,采用一個測量變送器監(jiān)測被控過程，采用一個控制器來保持一個被控參數(shù)恒定，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu).從系統(tǒng)的框圖3-1看，是一個閉環(huán)回路.圖3-1單回路控制系統(tǒng)方框圖He1u-,GCv）GCs）GCs）手|1GCs）/pi=m主二）小梭 4/^而1赤」￥/、',主h，二吹.3-1中，O、m、v和c分力別表示被控對象、檢測變送儀表、執(zhí)仃器和控制器的傳遞函數(shù).系統(tǒng)工作時，被控過程的輸出信號〔被控變量〕yC）通過檢測變送儀表后將其變換為測量值ymC）,并反饋到控制器GcG）的輸入端；控制器GcG）根據(jù)系統(tǒng)被控r<7yJeV） 旦"）變量的設(shè)定值 與測量值/m的偏差、按照定的控制算法輸出控制量 ；執(zhí)行器G）根掘于六制WGCs4苦賣的于六制/主導u*）浦寸兩亦#品作亦曷P*）祜方由于六祜務(wù)V/根據(jù)控制器c 送來的控制信號 ，通過改變操作變量 的大小、，對被控對象GoCS）進行調(diào)節(jié)，克服擾動d對系統(tǒng)的影響，從而使被控變量y?）趨于設(shè)定值r°,達到預(yù)期的控制目標.單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整和投運，又能滿足不少工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求，因此應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和小慣性、負荷和擾動變化比較平緩,或者對被控制量要求不高的場合.傳感器選擇傳感器的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)〔如流量、壓力、溫度、物位和成分等〕經(jīng)檢測并轉(zhuǎn)換為標準信號.在單元組合儀表中，標準信號通常采用0?10mA、4?20mA、1?5V電流或電壓,0.02?0.1MPa氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標準信號是數(shù)字信號.通常將檢測變送儀表分為兩部分.一部分用來將被控變量的變化轉(zhuǎn)化為更容易處理的另外一類物理量的變化，從而使得后續(xù)的處理工作相對簡單，也便于信號的傳輸與放大，這部分被稱為測量元件或傳感器，也成為一次儀表；另外一部分將傳感器所獲得的物理量進行放大、變換和傳輸，從而使得檢測變送儀表的輸出為標準信號，這部分被稱為變送單元或變送器，也稱為二次儀表.本設(shè)計采用壓力傳感器對冷卻塔的液位進行檢測，其量程為0?5KP,精度為0.5級.采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償.采用渦輪流量計對由電動調(diào)節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路與盤管出口處的流量進行檢測.其優(yōu)點是測量精度高，反應(yīng)快.流量范圍：0?1.2m3/h；精度：1.0%；輸出：4?20mADC.控制系統(tǒng)設(shè)計算法原理本設(shè)計采用測定動態(tài)特性的時域法，由階躍響應(yīng)曲線確定被控過程的數(shù)學模型.PID控制器的輸入輸出的關(guān)系式為，、 ， 1 ，一，，，、 ， 、M(t)=K(e+—jPdt+TDde/dt)+M.「〔4-1〕10其中e<t>=sp<t>-pv<t>是誤差,sp<t>是給定值,pv<t>是過程變量〔反饋量〕，c<t>是系統(tǒng)的輸出量.M<t>是控制器的輸出是回路輸出的初始值，cK是PID回路增益，IT和DT分別是積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù).本系統(tǒng)中的回路增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定.但還需要進一步調(diào)整以達到最優(yōu)控制的效果.〔4-1〕式中前一部分起比例作用，中間部分起積分作用，后面一部分起微分作用.根據(jù)應(yīng)用不同，可以組成P、PI和PD控制器.如果設(shè)置采樣周期T,可以將〔1〕式離散化，第n次采樣時的控制器輸出為：T TM(n)=K{e(n)+—才e(i)+—[e(n)-e(n-1)]}+M 〔4-2〕1i=1式〔4-2〕即是離散化的PID控制算法表達式，圖2-2的PID控制塊就是實現(xiàn)了該式的算法.控制流程圖圖4-1為系統(tǒng)流程圖.圖4-1控制流程圖5分析總結(jié)整體穩(wěn)定性與誤差控制當一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關(guān)系.合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果.反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會導致控制質(zhì)量變壞，甚至會使系統(tǒng)不能正常工作.因此，當一個單回路系統(tǒng)組成以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個很重要的實際問題.一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作.系統(tǒng)由原來的手動操作切換到自動操作時，必須為無擾動，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能與時地跟蹤手動的輸出值，并且在切換時應(yīng)使測量值與給定值無偏差存在.一般言之，具有比例〔P〕調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度6的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān).比例積分〔PI〕調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)6,Ti選擇合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能.比例積分微分〔PID〕調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能〔快速性、穩(wěn)定性等〕.在單位階躍作用下,P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖5-1中的曲線①、②、③所示.圖5-1P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，進一步得出PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用.如下：1） 比例環(huán)節(jié)用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度.比例度越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定.比例度取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞.2） 積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差.積分時間越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但積分時間過小，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào).若積分時間過大,將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度.3） 微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報.但微分時間過大，會使響應(yīng)過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能.系統(tǒng)干擾控制系統(tǒng)可能受到的差模干擾有：外交變磁場對傳感器的一端進行電磁耦合，外高壓交變電場對傳感器的一端進行漏電耦合等.針對具體情況已采用雙絞信號傳輸線、傳感耦合端加濾波器金屬隔離線屏蔽等措施來消除差模干擾.系統(tǒng)測量轉(zhuǎn)換成信號〈以下稱信號源〉的位置與測量電路、顯示系統(tǒng)相距很遠，易受外來干擾影響.采用屏蔽與接地、〃保護〃屏蔽、采用合適的連接電纜線和濾波法來抑制外來干擾.系統(tǒng)也可能遭受源于自動測試系統(tǒng)中的電源變壓器的內(nèi)部干擾.變壓器繞組中存在著分布電容〈約為100—l000pF>,漏電流可達8-70UA,由它引起的干擾在某些電路中的干擾電壓可達1-10V,因此,采用隔離變壓器供電來消除影響.結(jié)束語冷卻塔液位控制系統(tǒng)是一種簡單的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，也是自動檢測技術(shù)的在自動控制中的基礎(chǔ)應(yīng)用.雖然系統(tǒng)簡單,但是能有效的達到設(shè)計效果，實現(xiàn)液位的精確控制和實時監(jiān)控.當然本系統(tǒng)也會存在需要進一步完善的問題，比如元器件的壽命、穩(wěn)定性與精度取舍