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(yùn)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(jìn)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)計原理及結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行了分析并作出了相應(yīng)的解決措施。關(guān)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(jī)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

2、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(jī)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(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(fù)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)一股指在一

3、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(jī)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。2.2 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(jìn)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(biāo)。操作員可以通過微機(jī)進(jìn)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

4、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(jìn)行跟蹤分析，最后進(jìn)行確認(rèn)報警。3 .液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)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)方框圖圖3-1中，G（s）、Gm（s卜Gv（s*nGc（s）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）yt）通過檢測變送儀表

5、后將其變換為測量值ym（t）,并反饋到控制器Gc（s）的輸入端；控制器Gc（s）根據(jù)系統(tǒng)被控變量的設(shè)定值,0）與測量值ym（t）的偏差et）,按照一定的控制算法輸出控制量Ut）；執(zhí)行器Gv（s加據(jù)控制器Gc（s）送來的控制信號u（t）,通過改變才作變量Mt）的大小，對被控對象Go（s）進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服擾動d（tk寸系統(tǒng)的影響，從而使被控變量y（t）趨于設(shè)定值r（t）,達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整和投運(yùn)，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(fù)荷和擾動變化比較平緩，或者對被控制量要求不高的場合。3.2 傳感器選擇傳感器

6、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(biāo)準(zhǔn)信號。在單元組合儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號通常采用010mA420mA15V電流或電壓，0.020.1MPa氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行放大、變換和傳輸，從而使得檢測變送儀表的輸出為標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)

7、行檢測，其量程為05KP,精度為0.5級。采用工業(yè)用的擴(kuò)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(bǔ)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(jìn)行檢測。具優(yōu)點是測量精度高，反應(yīng)快。流量范圍：01.2m3/h;精度：1.0%;輸出：420mADC4.控制系統(tǒng)設(shè)計5.1 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(xué)模型。PIDM(t)=Kc(et0edtTDde/dt)M,間控制器的輸入輸出的關(guān)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

8、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(jìn)一步調(diào)整以達(dá)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：(4-2)TnTcM(n)=Kpe(n)e(i)De(n)-e(n-1)MmtalT1yT式(4-2)即是離散化的PID控制算法表達(dá)式，圖2-2的PID

9、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(jié)5.1 整體穩(wěn)定性及誤差控制當(dāng)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(dǎo)致控制質(zhì)量變壞，甚至?xí)瓜到y(tǒng)不能正常工作。因此，當(dāng)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(yùn)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(yīng)使測量值與給定值無偏差存

10、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、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(jìn)一步得出PID控制器各校正環(huán)節(jié)

11、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?xí)?dǎo)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，但積分時問過小，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(jìn)行提前預(yù)報。但微分時間過大，會使

12、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。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(jìn)行電磁耦合，外高壓交變電場對傳感器的一端進(jìn)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(yuǎn)，易受外來干擾影響。采用屏蔽與接地、“保護(hù)”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100l000pF）,漏電流可達(dá)8-70以兒由它引起的干擾在某些電路中的干擾電壓可達(dá)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(dá)到設(shè)計效果，實現(xiàn)液位的精確控制和實時監(jiān)控。當(dāng)然本系統(tǒng)也會存在需要進(jìn)一步完善的問題，比如元器件的壽命、穩(wěn)定性及精度取舍問題，某些干擾的濾波問題等等。關(guān)注和學(xué)