基于SMPT-1000的液位控制系统设计

基于SMPT-1000的液位控制系统设计指导教师：SMPT-1000仿真模拟果汁生产果浆的一套实验装置，是采用4~2mA关键词：SMPT-1000仿真装置电流信号除氧器控制方案摘要 第1章SMPT-1000硬件概述 1.1SMPT-1000硬件 1.1.1SMPT-1000的硬件组成 1.1.3SMPT-1000的执行器 第2章SMPT-1000软件概述 2.1SMPT-1000软件组成 2.1.1上位机软件SMPTLAB的功能 2.1.2实时仿真引擎软件SMPTRuntime的功能 3.1除氧器 4.1除氧系统工艺流程 4.2选择被控变量确定操纵变量 4.3调节阀的选择 4.4控制方案设计 参考文献 致谢 1图1-1SMPT-1000外观立体流程设备盘台按比例缩小的流程设备模型锈钢制的比例缩小的流程设备模型，主设备包括1台卧式除氧炉炉体、1台除氧罐、1台列管式换热器、1台蒸发器、2台离心泵、1台鼓风机、11个手操/自控双效阀(其中有2个旋钮位于辅助操纵台上)、5个开关阀、1个炉膛着火指示灯以及若干管基于SMPT1000的液位控制系统设计2

数字式软仪表空间分布有9个流量(F)、3个液位(L)、5个压力(P)、4个温度(T)、1个组分的仿传感器(变送器)数字式软仪表。可进行人机交互、完成实验项目管理、组态等

运行指示灯和报警蜂鸣指示

嵌入式工控机运行仿真软件、管理实验项目、完成控制系统实

辅助操纵台报警灯、报警确认开关、电机启动开关、点火开关、风机调速旋钮、烟道挡板开度、联锁保护切换开关、紧急停车按钮、蒸汽指示灯8路12位模拟量输入/输出、16路数字量干点输入/输出ProfibusDP通信接口

除氧器，整个流程是从这儿开始的。从公用工程来的锅炉给水到这里，用蒸汽把给水加热到饱和温度，把里面溶解的氧和二氧化碳逼出来，以免锅炉结垢。

省煤器，从除氧器出来的锅炉给水，进入省煤器预热，降低排烟温度，提高锅炉热效率。

除氧罐，小锅的心脏，饱和水在这里进行汽水分离。饱和水有的是从省煤器来的，有的是从水冷壁来的。水冷壁：除氧罐的饱和水经过对流管束进入水冷壁，在水冷壁中吸收炉膛辐射热，变成汽水混合物，再返回到除氧罐进行汽水分离。过热器：由除氧罐分离出来的饱和蒸汽首先进入过热器，进行汽相升温，变成过热蒸汽。

减温器，就是列管式换热器，主要是调节过热蒸汽温度，调节范围在10~33℃之间。燃油经油泵输送进入炉膛燃烧，空气由鼓风机吹入炉膛助燃。燃烧产生的热量传给锅炉水，燃烧后的烟气经烟道通过烟囱排入大气。

泵，是将液体从低位输送到高位的设备。在小锅的身上，有一个锅炉上水泵，还有一个燃油

风机，主要的作用就是送风或引风。在这里是个鼓风机，是负责往炉膛里送助燃风的。

蒸发器用小锅的蒸汽，把蒸发器里的稀液加热，把稀液里面的水蒸出来~。在小锅身上，大部分都是数字式软仪表，模拟检测、变送、显示三位一体的测量仪表。3光柱，模拟显示是液位。工艺变量是通过检测元件(又叫传感器)获取的，它把工艺变量转化成一个与之成对应关系流量测量节流装置在工业中应用最广泛，节流装置属于对于检测仪表来说，检测、变送、显示可以是3个独立部分，也可以只用到其中2个部分。执行器在控制系统中的作用是接受控制器的输出信号，直输送量，达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。执的“手脚”,执行器可以分为电动执行器气动执行器。把来自控制器的0~20mA或4~20mA的直流统一电信号，转换成与输入信号相对应的转角或位接受控制器(或转换器)的输出气压信号20~100KPa,按照一定的规律转换成推力，推动调基于SMPT-1000基于SMPT-1000的液位控制系统设计4正正SMPT-1000软件系统主要包括上位机软件SMPTLAB、硬件接口软件。SMPTLAB初始画面如图2-1所示。软件概述实时仿真引擎软件SMPTRuntime其他软、LL图2-1SMPTLAB初始画面(换新的)监控环境主要由3部分组成：流程图窗口、趋势曲线窗口和控制组态窗口。北实验吨绿线图罩称在楼极而就种的种两0230(3036我”应码出腔通用程映工具金▲85图2-2SMPTLAB工程画面基于SMPT-1000的液位控制系统设计基于SMPT-1000的液位控制系统设计5实现实验项目的管理、实时数据的监视、控制系统的组态等日常实验功实验项目当前状态存储(快照)功能；SMPT-1000软件运用动态定量数学模型，精确模拟真实工艺过程，完成实时动态仿真碎酸毒大基于SMPT-1000基于SMPT-1000的液位控制系统设计6第3章除氧器简单介绍所以接下来先简单介绍下除氧器。图3-1为除氧器实物图。整个流程是从除氧器开始，用除氧器来去除热力系统给根据水中气体的溶解特性，要想将水中任何一种气体除去时基于SMPT-1000基于SMPT-1000的液位控制系统设计7图3-2为除氧器系统工艺流程示意图，经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，软化水流量为FI1106,温度为常温20℃,经由调节阀FV1106进入除氧器V1101顶软化水在除氧器底部经由上水泵P1101泵出，出口流量FI1101,出口管线阀FV1101。除氧蒸汽除氧蒸汽rvFT软化水除氧器x图3-2为除氧器系统工艺流程选择除氧罐中的液位作为被控变量，可以看到对罐体液位影响8根据调节阀流量特性，选择等百分比调节阀。但是在SMPT-1000中使用的调节阀全部默认为气开、气闭的选择原则：主要从工艺生产上的安全要求证设备和操作人员的安全。如果阀门打开的时候，危害性小，控制的对象为除氧器罐，被控变量为储蓄罐的液位，根据选择被控变量确定操纵变量内容的(1)单回路液位控制系统的方块图由图3-2为除氧器系统工艺流程可以看到，系统的被控对象为除氧器罐V1101,被控变量为除氧器液位L1101,操纵变量为入口流量的调节阀FV1106,为此可以根据图3-2我们可以画出液位单回路控制系统的方块图如图3-3所示。储蓄罐液位L图3-3液位单回路控制系统的方块图(2)控制器正反作用的选择基于SMPT-1000的液位控制系统设计9确定了系统的变量以及控制方案，接下来要调用PID控制系统的液位稳定，由此要涉及到控(3)控制规律的选择及控制参数的调整对于除氧罐的液位，其实在整个系统中的精度要求不是很高，控制器参数的调整方法有经验凑试法、衰减振荡法、等幅振荡置控制器积分时间Ti为99999,微分时间Td=0,在比例度按照经验设置的初值条件下，将系程，则减小比例度，求得满意的4:1过程曲线。引入积分作用(此时应将比例度设置为1.2倍)。将Ti由大到小进行整定。若曲线波动较大，则应增大积分时间Ti;若曲线偏离设定值后场时间回不来，则需减小Ti以求得较好的过度过程曲若需要引入微分作用时，则将Td按经验值或按Td=(1/3~1/4)Ti需要指出的是，有人认为比例度与积分时间Ti可以在一定范围内匹配，若减小比例度可以用增大Ti来补偿，若需引入微分作用，可以按以上所述进行调整。将控制器参数进行反复凑试。基于SMPT请选择阀门的类型及通道：手操手操手操手操图3-4阀门/挡板控制配置对话框3、点击工具栏中的按钮，将当前窗口切换到控制组态画面，进行控制系统组态。(1)设置数据源，采集储罐液位实际测量值作为控制器输入。◆在SMPTLab左侧浮动工具盒中，已经打开基本模板目录，目录中包括了组成控制回路常用的控制器输入模块、控制器输出模块和PID控制器模块。◆用鼠标左键选中“控制器输入”不放，拖动至控制组态窗口中放开，即在控制组态窗口中生成了一个“数据源”模块。双击该模块符号，弹出数据采集点配置对话框。在选择位号下拉框中，选择LI1101,即表示当前数据源模块将从现场获取LI1101位号对应的实时数据。◆点击【确定】按钮，完成对储罐液位信号的配置。◆在基本模板目录中，选中“PID控制器”图标，并将它拖放至控制组态窗口，生成如下图所示的PID控制器图标。设定值，可以从此处接受外部输入的设定值P操纵值，从此处送D比例系数积分时间微分时间图3-5“PID控制器”图标基于SMPT-1000基于SMPT-1000的液位控制系统设计双击该图标，弹出PID控制器配置对话框。PIDPID控制器配置手/自动正/反作用S%%按照下面表3-1中的内容设置控制器参数。模块参数取值说明位号储罐液位控制器状态手动正反作用反作用参数Kc4比例增益参数Ti积分时间参数Td0不使用此参数表3-1控制器参数配置完成后，点击【确定】按钮，当前PID控制器的图标将更新。完成上述步骤后，控制组态窗口如下图所示。基于SMPT-1000的液位控制系统设计控制器组态控制器组态PD控制输出点为了将“数据源”模块检测到的实时数据LI1101输入“PID控制器”模块，并将控制器模块的输出通过“控制输出点”模块调节流程盘台上的FV1106调节阀开度，需要在上图所示的图中添加信号线，以连接三个模块。◆点击控制组态窗口工具栏中信号线按钮，将鼠标移至数据源中央黑色实心小圆孔处，待圆孔四周出现红色方框时单击。然后将鼠标移到PID控制器图形的左侧小字PV处的空心圆点处，待圆孔四周出现红色方框时再次单击，系统将生成一条从数据源LI1101模块至PID控制器LIC1101模块的信号连接线，表示从变送器获得的现场LI1101液位的实时数据，将作为PV值被送入LIC1101控制器。◆用相似的办法，建立从LIC1101控制器模块的OP处至控制输出点FV1106模块的信号连接，表示PID控制器的输出OP值，将被送入控制输出点FV1106模块所对应的调节阀，作为该调◆液位LI1101的单回路PID控制系统组态结果如图所示。市P4、在趋势曲线画面中添加FV1101的实时曲线。5、确认阀门FV1101开度为30。6、点击工具栏中运行的按钮，将当前窗口切换到控制组态画面，双击LIC1101控制器模块，在弹出的PID控制器配置对话框中，将输出OP的值设置为41.56。7、点击工具栏中的运行按钮，让储罐工程运行起来。8、控制系统投运和控制器性能测试。(1)控制系统的投运在控制器组态画面，选中LIC1101控制器图标，点击工具栏中的按钮，打开LIC1101控制器控制器状态为手动，可进行手动控制。不断修改OP值，也就是不断改变阀门FV1106开度，观察SP和PV的值。你会发现PV和SP的值将不断变化，当其值达到60%左右时，将控制器状态(2)施加扰动测试控制器性能将L1101设定值从60变为50,记录L1101的响应曲线。待L1101稳定后，将L1101设定值从50再变为60,记录L1101的响应曲线。待系统稳定之后，点击工具栏中的按钮，将当前窗口切换到流程图画面。双击阀门FV1101,当L1101稳定后，再将FV1101开度调回到30,等待液位稳定。图3-8体现了被控变量L1101曲线的变化趋势。当储罐液位LI1101的设定值SP下降(增加)时，液位控制器LIC1101的输入PV-SP变大(变小)。由于LIC1101为反作用控制器，它将指挥执行机构FV1106相应关小(开大),使得LI1101的PV实测值相应下降(增加),向SP靠拢。由于LIC1101为PI控制器，可确保对液位的无静差调节。在FV1106开度变小(变大)时，FI1106相应减少(增加)。在改变FV1101的开度时，相当于施加了扰动。当FV1101开度变大(变小)时，储罐出口流量相应增加(减少)。在储罐入口流量不变的前提下，储罐出口流量增加(减少),储罐液位LI1101相应下降(上升)。LI1101的下降(上升),基于SMPT基于SMPT-1000的液位控制系统设计使得LIC1101的输入PV-SP变小(变大),控制器将调节FV1106开大(关小),将LI1101的PV自衡的特性而持续下降(上升),而是重新达到稳态。9、实验完毕时，点击工具栏中保存按钮，保存工程。然后关闭SMPT-1000实验系统。到此完成在单回路控制系统的实验中，已经详细的介绍了SMPT-1000仿真软件的使用方法，所以接下来不再详细的讲解关于软件使用方面的内容。相同的地方也(1)液位串级控制系统的方块图串级控制系统就是在单回路的基础上增加了一个入口流量单回路闭环控制系统，好的控制效果。图3-9为除氧器液位串级控制系统的方块图。流量测量(2)控制器正反作用的选择(3)控制规律的选择及控制参数的调整DP图3-10串级PID控制系统组态(1)液位前馈-反馈控制系统的方块图KfIf调节阀干扰罐液位关系图3-11串级PID控制系统组态基于(2)控制器正反作用的选择(3)控制规律的选择及控制参数的调整择前面介绍的比例积分控制。前馈-反馈控制系统中，前馈控制器参数整定也就是对控制器的比例系数Kf进行整定。定法较为简单，闭环整定法又分为两种：在反馈系统运行下整定Kf和在前馈-反馈系统运行下整定Kf。在反馈系统下整定Kf的方法：系统在反馈状态下运行，首先整定反馈控制回路，达到4:1Kf=Ic-Ico/Id-Ido。Io=-Kf*If(If为系统稳定状态下的出口流量)。×2数据