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)的設計原理與結構設計；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的解決措施.［關健詞］: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)，并且能夠實現(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塔液位控制系統(tǒng)，單回路調節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調節(jié)對象上用一個調節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調節(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)基本功能設置液位高度后，通過控制變送器，自動調節(jié)液位高度到設置值.如果自動調節(jié)出現(xiàn)錯誤時，可以切換到手動進行調節(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、超調量、調整時間等動態(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.液位控制系統(tǒng)結構設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?）趨于設定值r°,達到預期的控制目標.單回路系統(tǒng)結構簡單，投資少，易于調整和投運，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，對傳感器溫度漂移跟隨補償.采用渦輪流量計對由電動調節(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，反應快.流量范圍：0?1.2m3/h；精度：1.0%；輸出：4?20mADC.控制系統(tǒng)設計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，、 ， 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：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分析總結整體穩(wěn)定性與誤差控制當一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關系.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，并且在切換時應使測量值與給定值無偏差存在.一般言之，具有比例〔P〕調節(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.比例積分〔PI〕調節(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〕調節(jié)器是在PI調節(jié)器的基礎上再引入微分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調節(jié)系統(tǒng)的階躍響應分別如圖5-1中的曲線①、②、③所示.圖5-1P、PI和PID調節(jié)的階躍響應曲線從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調量和穩(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)的調節(jié)精度.比例度越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定.比例度取值過小，則會降低調節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調節(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.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基礎應用.雖然系統(tǒng)簡單,但是能有效的達到設計效果，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，比如元器件的壽命、穩(wěn)定性與精度取舍