冷却塔液位控制系统

冷却塔液位控制系统

冷却塔液位控制系统

[摘要]

液位控制是常见的工业过程控制之一，它广泛运用于水塔、锅炉、高层建筑水箱、罐、工业化工槽等受压容器的液位测量。随着科技的进步，人们对生产的控制精度要求越来越高，所以提高液位控制系统的性能显得十分重要。本文主要介绍了一种单闭环控制的冷却塔液位控制系统。首先讲诉了液位控制系统的设计原理及结构设计；然后介绍了控制系统的算法及控制系统流程；最后针对其稳定性和抗干扰能力进行了分析并作出了相应的解决措施。 [关键词]：液位控制；实时监控；液位传感器；干扰抑制 1. 背景

冷却塔主要用于大型空气压缩机冷却降温作用，而冷却塔液位控制系统主要用于控制冷却塔类冷却水的液位，确保也未能随时保持在一个合理的范围内，并且能够实现液位的实时监控和异常报警功能，以确保不会造成空气压缩机高温故障或损坏。

2. 液位控制原理

2.1 液位控制系统的组成

冷却塔液位控制系统的设计是一个简单控制系统，是由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。

简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。

图2-1 闭环控制结构框图

由这个简单控制系统通用的框图设计出冷却塔液位控制系统的原理框图如图2-2所控制执行

被控

- 测量变送

—设

示。

图2-2 冷却塔控制系统结构框图这是单回路冷却塔液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制冷却塔液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。

2.2液位控制系统的功能

1)液位控制系统基本功能

设置液位高度后，通过控制变送器，自动调节液位高度到设置值。如果自动调节出现错误时，可以切换到手动进行调节和诊断。可以通过实时曲线去分析系统的稳态误差、超调量、调整时间等动态性能指标。

操作员可以通过微机进行实时监控，包括查看现场工作设备情况、手动/自动无扰切换、液位设置和液位显示、报警显示、实时曲线。

2)异常报警功能

在异常状况下可以实现音响报警，通过查看报警次数和时间，对液位的状况进行跟踪分析，最后进行确认报警。

3.液位控制系统结构设计

3.1单回路过程控制系统概述

单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般指针对一个被控过程，采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数恒定，其输出也只控制一个执行机构。从系统的框图3-1看，是一个闭环回路。

图3-1单回路控制系统方框图

图3-1中，

()s

G

O、

()s

G

m、

()s

G

v和

()s

G

c分别表示被控对象、检测变送仪表、执行器

和控制器的传递函数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）()t y

通过检测变送

仪表后将其变换为测量值

()t

y

m，并反馈到控制器

()s

G

c的输入端；控制器

()s

G

c根据系统被

控变量的设定值()t r

与测量值

()t

y

m的偏差

()t e

，按照一定的控制算法输出控制量

()t u

；执

行器

()s

G

v根据控制器

()s

G

c送来的控制信号

()t u

，通过改变操作变量

()tμ

的大小，对被控

对象

()s

G

O进行调节，克服扰动

()t d

对系统的影响，从而使被控变量

()t y

趋于设定值

()t r

，

达到预期的控制目标。

单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和小惯性、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控制量要求不高的场合。

3.2传感器选择

传感器的作用是将工业生产过程的参数（如流量、压力、温度、物位和成分等）经检测并转换为标准信号。在单元组合仪表中，标准信号通常采用0～10mA、4～20mA、1～5V 电流或电压，0.02～0.1MPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。

通常将检测变送仪表分为两部分。一部分用来将被控变量的变化转化为更容易处理的另外一类物理量的变化，从而使得后续的处理工作相对简单，也便于信号的传输与放大，这部分被称为测量元件或传感器，也成为一次仪表；另外一部分将传感器所获得的物理量进行放大、变换和传输，从而使得检测变送仪表的输出为标准信号，这部分被称为变送单元或变送器，也称为二次仪表。

本设计采用压力传感器对冷却塔的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用涡轮流量计对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。其优点是测量精度高，反应快。流量范围：0～

1.2m3/h ；精度：1.0%；输出：4～20mADC 。

4. 控制系统设计

5.1 算法原理

本设计采用测定动态特性的时域法，由阶跃响应曲线确定被控过程的数学模型。PID 控制器的输入输出的关系式为

inital 0

1)/1()(M dt de T edt T e K t M t D c +++=⎰ （4-1） 其中e(t)=sp(t)-pv(t) 是误差，sp(t) 是给定值，pv(t)是过程变量（反馈量），c(t) 是系统的输出量。M(t) 是控制器的输出 是回路输出的初始值， c K 是PID 回路增益， I T 和D T 分别是积分时间常数和微分时间常数。本系统中的回路增益、积分时间常数和微分时间常数可以通过工程计算初步确定。但还需要进一步调整以达到最优控制的效果。（4-1）式中前一部分起比例作用，中间部分起积分作用，后面一部分起微分作用。根据应用不同，可以组成P 、PI 和PD 控制器。

如果设置采样周期T ，可以将（1）式离散化，第n 次采样时的控制器输出为：

inital 11)]}1()([)()({)(M n e n e T

T i e T T n e K n M D n i p +--++=∑= （4-2） 式（4-2）即是离散化的PID 控制算法表达式，图2-2的PID 控制块就是实现了该式的算法。

5.2 控制流程图

图4-1为系统流程图。