冷卻塔液位控制系統(tǒng)

1、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)的設計原理及結構設計；然后介紹了控制系統(tǒng)的算法及控制系統(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的解決措施。關鍵詞：液位控制；實時監(jiān)控；液位傳感器；干擾抑制1. 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

2、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。2. 液位控制原理2.1 液位控制系統(tǒng)的組成冷卻塔液位控制系統(tǒng)的設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及變送器、一個控制器和一個執(zhí)行器控制閥所組成的單閉環(huán)負反響控制系統(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，它們均有四個根本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器?？刂破鲌?zhí)行機構被控對象-測量變送器設定值圖2-1 閉環(huán)控制結構框圖由這個簡單控制系統(tǒng)通用的框圖設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)結構框圖這是單回路冷卻

3、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。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)反響單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。2.2 液位控制系統(tǒng)的功能1) 液位控制系統(tǒng)根本功能 設置液位高度后，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?？梢酝ㄟ^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)場工作設備情況、手

4、動/自動無擾切換、液位設置和液位顯示、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。3. 液位控制系統(tǒng)結構設計3.1 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。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)方框圖圖3-1中，、和分別表示被控對象、檢測變送儀表、執(zhí)行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通過檢測變送儀

5、表后將其變換為測量值，并反響到控制器的輸入端；控制器根據(jù)系統(tǒng)被控變量的設定值與測量值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量；執(zhí)行器根據(jù)控制器送來的控制信號，通過改變操作變量的大小，對被控對象進行調(diào)節(jié)，克服擾動對系統(tǒng)的影響，從而使被控變量趨于設定值，到達預期的控制目標。單回路系統(tǒng)結構簡單，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、負荷和擾動變化比擬平緩，或者對被控制量要求不高的場合。3.2 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01

6、0mA、420mA、15V電流或電壓，0.020.1MPa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局部。一局部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，這局部被稱為測量元件或傳感器，也成為一次儀表；另外一局部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，這局部被稱為變送單元或變送器，也稱為二次儀表。本設計采用壓力傳感器對冷卻塔的液位進行檢測，其量程為05KP，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，對傳感器溫

7、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及盤管出口處的流量進行檢測。其優(yōu)點是測量精度高，反響快。流量范圍：01.2m3/h；精度：1.0%；輸出：420mADC。4. 控制系統(tǒng)設計5.1 算法原理 本設計采用測定動態(tài)特性的時域法，由階躍響應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系式為 4-1其中e(t)=sp(t)-pv(t) 是誤差，sp(t) 是給定值，pv(t)是過程變量反響量，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， c K 是PID 回路增益， I T 和D T 分別是積分時間常數(shù)和微分時間常

8、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)整以到達最優(yōu)控制的效果。4-1式中前一局部起比例作用，中間局部起積分作用，后面一局部起微分作用。根據(jù)應用不同，可以組成P、PI 和PD 控制器。如果設置采樣周期T，可以將1式離散化，第n次采樣時的控制器輸出為： 4-2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。5.2 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5.1 整體穩(wěn)定性及誤差控制當一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關系。適宜的控制參數(shù)，

9、可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不適宜，那么會導致控制質(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)器的輸出量能及時地跟蹤手動的輸出值，并且在切換時應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。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)，Ti選擇合理，也能使系統(tǒng)

10、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)器的根底上再引入微分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)的階躍響應分別如圖5-1中的曲線、所示。 圖5-1 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應曲線 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、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，那么會降低調(diào)節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)

11、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，在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調(diào)。假設積分時間過大，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報。但微分時間過大，會使響應過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。5.2 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

12、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、采用適宜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100l000pF)，漏電流可達8-70A，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)，也是自動檢測技術的在自動控制中的根底應用。雖然系統(tǒng)簡單，但是能有效的到達設計效果，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，比方元器件的壽命、穩(wěn)定性及精度取舍問題，某些干擾的濾波問題等等。關注和學習本液位控制系統(tǒng)的案