直接蒸汽加热器自动控制系统在线仿真
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dU = ( qs + qc - qa ) dt ( 1)
蒸汽加热器主要是利用蒸汽的冷凝热对工艺介 质进行加热, 是空 分行业、 石化工 业、 食 品工业 和冶 金等工业中应用非常广泛的单元操作设备之一。在 蒸汽加热过程中, 需 要对换 热器 出口温 度进行 定值 控制, 以保证生产过程的正常进行, 所以蒸汽加热器 出口温度的控制问题便成为工业生产中一项十分重 要的内容
:
( 5)
3. 4
PID 调节器模型
M ( t) = K P ! E ( t) + E ( t) = R ( t) - H ( t)
KP dE ( t) ! E ( t) dt+ K P ! T D ! dt TI
∀
式中: kP TD
比例放大倍数; T I
积分 时间常数; 系统余差。
微分时间常数; E ( t ) 离散化后有:
图 3 在线仿真程序结构图
[ 5]
! 30!
化 工 自 动 化 及 仪 表
第 37 卷
M th em a tica l Prog ramm ing [ J ] . Ch em ica l E ng ineerin g an d P rocess in g, 2 00 5, 44 ( 1 ) : 4 1 - 49. [ 6] 左 信 , 韩建立 , 殷卫兵 , 等 . P I D 仿真培训软件 的开发及应 [ 7]
5 结
论
通过机理分析, 建 立了 加热器 温度 对象和 控制 通道的数学模型, 并分别编制了加热器温度对象、 测 量环 节、 PI D 控 制器和 调节 阀单元 模拟 程序和 基于 组态软件的人机接口界面。仿真程序运行过程中可 实时修改和调整过程 运行 参数, 从 而实 现对蒸 汽加 热器出口温度自动调节过程的在线仿真。在 P I D控 制器微分 运算 时以 被控 变 量的 微分 代替 偏 差的 微 分, 避免了因设定值的 变化 引起的 微分 项的输 出锐 变。仿真过度过程 与实际 装置控 制过 程基本 吻合, 仿真曲线和仿真数据对生产人员维护自控系统具有 很高的参考价值。
! 29!
改 变时系统 自动
式中: H ( k) 、 H ( k - 1) 前次测量值。 3. 2 调节阀模型
液位 当 前测 量 值、 液位
图 4中, 时间段 A 为设定 值
调节出口温 度 ∃ 跟随 设定值而变 化, 时间段 B 是进 水温度干扰时系统自动调节出水温度恢复到被控目 标范围内的过度 过程。由 图可知, 当 PID 输出 阀位 信号 %发生变化时, 由于执行机构滞后的存在, 使得 蒸汽流量 &的变化发 生了 滞后; 另 外通 过图中 仿真
1 引
言
考查加热器内热 量的 变化情 况, 假 设在单 位时 间 ( dt) 内流入加热蒸汽所含热量为 q s, 流入冷流体 所含热量为 qc, 流出热流体所含热量为 qa, 其它热损 失可忽略不计。 根据热量守衡定律, 单位时间内热量 进入量与热量流出量之差等于加热器内热量积存量 U 的变化量, 即:
3. 3 测量通道模型 工业上通常可用热电阻或热电偶完成温度信号 的测量和转换, 通常 由于测 温元 件具有 一定的 热容 性导致温度测量环节的输出信号与温度特性呈一阶 惯性的动态关系, 其离散关系式可表示为
T ( k) = ( 1 Ts Ts ) ! T ( k - 1) + ! (k) T T
[1 , 2] [ 4~ 7]
( 4)
蒸汽调节阀选用线性阀, 假定蒸汽压力不变, 则 蒸汽流量与阀门开 度成正 比, 考 虑到执 行机构 的滞 后特性, 可表示为:
W ( t) = c! M ( t - )
曲线可以较为清楚地 了解比 例作 用 ∋ 、 积 分作 用 ( 以及微分作用 ) 对 P I D 输 出 %的 贡献, 这对于 系统 维护人员正确设置和调试 P I D 参数提供了有效的帮 助。
V!
- T s! G c ! V!
a
(k) +
T s! G c V!
c
(k) ( 3)
图 2 自动控制系统方框图
+ W ( k) !
HTs V! ! cc
3 自动控制系统数学模型 3. 1 加热器对象模型
[ 2, 3]
收稿日期 : 2009 11 23( 修改稿 )
第 2期
杨
莹等 . 直接 蒸汽加热器自动控制系统在线仿真
用 [ J] . 化工自动化及仪表 , 2006 , 33 ( 2) : 84- 87. 陈积玉 . 一种基于 DC S的工业仿真方法 [ J]. 化工 自动化及 仪表 , 2004 , 31 ( 4) : 1- 6.
O nline Si m ula tion of D irect Steam H eater Au tom a tion Contro l Syste m YANG Y ing , CAO Yu bo , GAO W ei p ing ( a. S ch ool of Chem ica l and M a terials Eng in eering; b. S chool of Infor ma tion and Con trol Eng in eering, J ilin Institu te of Ch em ica l T echnology, J ilin 132022, Ch ina ) Abstract : T he m ath e m atical m odel of d irect stea m heater control loop based on mech an is m an alyt ical m ethod was bu ilt. Th e sm i u lating p rogram s w ere progra mm ed us ing d ifferen tial d ig ita lmodel and the contro l process was sm i u la ted by th e commun ication b etw een DDE in terface and con figu rat ion software . T he error d ifferen tial w as rep laced by the d ifferent ia l ofm an ipu lated variab les wh en the P I D con troller calcu lated the d ifferen tial avo id ing th e ou tpu t tran si t ions caused by the change of setting valu es . The s m i u lating resu lts h ave reference value for the con trol p rob lem s in practical p rodu ct ion. K ey words : PID con troller ; d irect steam heater ; sm i u lation; on lin e (上接第 22 页 ) 制算法对模型参数的鲁棒性, 具有明显的优势, 值得 在实际工程中进行推广和应用。 4. 2 系统测试 为 了测 试 整 个 液 位 控制 系 统 的 稳 定 性、 快速 性 和工业 以 太网 接 口 通 信 的 可靠 性 , 在 完 成 系 统 的 硬件焊 接 和检 查 后, 按 照 本 文 所 述算 法 进 行 了 软 件编程, 以太网 通信部分 通过 J45直 接插到 网络 交 换机上, 用 两 台电 脑 分 别 与 本 文 设计 的 结 晶 器 液 位控制系 统 进行 通 信, 形 成一 个 EPA 现场 控 制 系 统。用模 拟 盒 外 加 干 扰的 方 法 代 替 液 位 波 动。 测 试过程中 , MAX 7651 一 方 面 接收 来 自 网络 的 控 制 指令 并通 过处 理后 转化 为输 出命令 传送 给电 机 驱 动器 , 使其 动作 ; 另 一方 面实 时的对 外部 信号 进 行 采集和 处 理并 按 照 网 络 计 算机 控 制 要 求, 进 行 数据 汇报。 通过网络 交换机 将该设备 加入 EPA 网 络 进行 试验 , 成功 的通 过了 一致 性、 互 操作 性等 服 务测 试, 符 合 EPA 标准 的要求, 系统可 以满 足生 产 现 场的需要 。 5 结束语 本文针对结晶 器液位 控制问 题, 设 计了一 种基 于微控制 器 MAX7651和以 太网控制器 AX88796 的 网络液位控制系统, 系统不但具有小型化、 网络化的
d a = G c ! cc! dt + W ! H - G a! cc !
c
a
假设蒸汽用量比 流体 流量小 很多, 则可忽 略不 计, 则 G a = G c , 从而上式可简化为:
da V! ! + Gc dt
a
=
c
+ W!
H G c ! cc
( 2)
这里选加热蒸汽流量 W 为控制变 量, 并假 设冷 液体温度
通过以上分析, 式 ( 3) ~ 式 ( 7) 给出 了图 2 所示 方框图中各环节的动态输入、 输出关系, 通过编制程 序, 即可实现对直接 蒸汽加 热器 温度自 动控制 系统 的仿真。 4 控制系统仿真 直接蒸汽 加 热器 在 线仿 真 结构 原 理如 图 3 所 示。程序运行中随时可接受控制参数及设定值或干 扰变量的变化, 通过 P I D 运 算能 自动调 整被控 变量 恢复到设定目标范 围内, 人 机界 面与生 产过程 中实 际在线 DCS 画面一致。
参考文献 :
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 周春 晖 . 化工 过程控 制原理 [ M ] . 北 京: 化学 工业出 版社 , 1995 . 王骥程 , 祝和云 . 化工过程控制工程 [ M ] . 北京: 化学工业出 版社 , 1988 . 刘思华 , 王 英 . 基于相角裕度优化的 PI D 参数整定方法研 究 [ J] . 化工自动化及仪表 , 2008 , 35( 1 ): 17- 19. 吴国垣 , 李东海 , 薛亚丽 . 蒸馏 塔分散 PI D 控制器整 定研究 [ J] . 化工自动化及仪表 , 2004 , 31( 3 ): 42- 44. SYR CO S G, K OOK O S L K. P I D C ont rol ler T un in g U sing
[ 1]
。
式中: q s、 qc、 qa、 U dU = V ! ! ca ! d a; V 假定 为 常数; H 体温度; G a、 Gc 则式 ( 1) 变为:
V! ! cc !
中间变量, 与流体参数之间的
c
2 直接蒸汽加热器工艺简介 直接蒸汽加热器是一种直接将蒸汽与被加热介 质相混合的一种加 热方式, 当出 水温度 偏离目 标值 时, 通过调节加热蒸 汽量来 使出 口温度 自动恢 复到 设定目标值范围内。其工艺控制系统流程如图 1所 示。温度自动控制系统方框图如图 2 所示。
K P ! T D ! [ E ( k) - E ( k - 1) ] + Ts = K P ! E ( k ) + I( k - 1) + KP ! T s ! E (k) TI ( 6) ( 7)
K P ! T D ! [ E ( k) - E ( k - 1) ] + Ts E ( k ) = R ( k ) - H ( k)
过程控制
化工自动化及仪表 , 2010 , 37( 2): 28~ 30 Contro l and Instrum ents in Che m ical Industry
直接蒸汽加热器自动控制系统在线仿真
杨 莹 , 曹玉波 , 高维平
a b a
(吉林化工学院 a . 化工与材料工程学院 ; b . 信息与控制工程学院 , 吉林 吉林 132022)
关 系是: q s = W ! H; qc = G c ! cc!
; q a = G a ! ca ! a;
加热器内液体的体积, 可 、c 热、 冷流 热、 冷
流体 密 度, 可 假 定 为 常 数; W、
a
加热蒸 汽的 流 量和 热 焓;
热、 冷流体流量; ca、 cc
液体的比热, 假设近似相等, 并统一用 cc 表示。
摘要 :
以直接蒸汽加热器为研究对象 , 通过机理分析法建立了直接蒸汽加热器温度控制回路各环节的 数学
wk.baidu.com
模型 。 利用组态软件编制仿真界面 , 通过 DDE 接口与差分数字 化模型程 序进行通 讯 , 仿真程 序运行过 程中可 实 时修改和调整过程运行参数 , 从而实现了蒸汽 加热器出口温度自动控制过程的在线仿真 。 关键词 : P I D 控制器 ; 直接蒸汽加热器 ; 仿真 ; 在线 中图分类号 : T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 3932( 2010) 02 0028 03
c
为 干扰变量, 即当温度设 定值或冷液体
a
温度发生变化而导致热流体温 度
图 1 蒸汽加热器温度控制工艺
偏离设 定值时,
温度控制器 T IC101 通过 调节蒸 汽调 节阀 的开 度以 调整加热 量从 而使 出水 温 度自 动恢 复到 设 定值 附 近。上式采用前向差分离散化后有:
a
( k + 1) =
K P ! Ts ! TI
k
M ( k) = K P ! E ( k ) +
# E ( i)
i= 0
图 4 设定值改变和扰动情况下的调节过程 注: 差; & ) 温度设定 值 ; ∃ 蒸 汽 流 量; ∋ 微分输出 ; % 温 度 测量 值 ; ∗ 比 例 输 出; ( 阀位信号 系 统余 ( 偏 ) 积 分 输 出;
蒸汽加热器主要是利用蒸汽的冷凝热对工艺介 质进行加热, 是空 分行业、 石化工 业、 食 品工业 和冶 金等工业中应用非常广泛的单元操作设备之一。在 蒸汽加热过程中, 需 要对换 热器 出口温 度进行 定值 控制, 以保证生产过程的正常进行, 所以蒸汽加热器 出口温度的控制问题便成为工业生产中一项十分重 要的内容
:
( 5)
3. 4
PID 调节器模型
M ( t) = K P ! E ( t) + E ( t) = R ( t) - H ( t)
KP dE ( t) ! E ( t) dt+ K P ! T D ! dt TI
∀
式中: kP TD
比例放大倍数; T I
积分 时间常数; 系统余差。
微分时间常数; E ( t ) 离散化后有:
图 3 在线仿真程序结构图
[ 5]
! 30!
化 工 自 动 化 及 仪 表
第 37 卷
M th em a tica l Prog ramm ing [ J ] . Ch em ica l E ng ineerin g an d P rocess in g, 2 00 5, 44 ( 1 ) : 4 1 - 49. [ 6] 左 信 , 韩建立 , 殷卫兵 , 等 . P I D 仿真培训软件 的开发及应 [ 7]
5 结
论
通过机理分析, 建 立了 加热器 温度 对象和 控制 通道的数学模型, 并分别编制了加热器温度对象、 测 量环 节、 PI D 控 制器和 调节 阀单元 模拟 程序和 基于 组态软件的人机接口界面。仿真程序运行过程中可 实时修改和调整过程 运行 参数, 从 而实 现对蒸 汽加 热器出口温度自动调节过程的在线仿真。在 P I D控 制器微分 运算 时以 被控 变 量的 微分 代替 偏 差的 微 分, 避免了因设定值的 变化 引起的 微分 项的输 出锐 变。仿真过度过程 与实际 装置控 制过 程基本 吻合, 仿真曲线和仿真数据对生产人员维护自控系统具有 很高的参考价值。
! 29!
改 变时系统 自动
式中: H ( k) 、 H ( k - 1) 前次测量值。 3. 2 调节阀模型
液位 当 前测 量 值、 液位
图 4中, 时间段 A 为设定 值
调节出口温 度 ∃ 跟随 设定值而变 化, 时间段 B 是进 水温度干扰时系统自动调节出水温度恢复到被控目 标范围内的过度 过程。由 图可知, 当 PID 输出 阀位 信号 %发生变化时, 由于执行机构滞后的存在, 使得 蒸汽流量 &的变化发 生了 滞后; 另 外通 过图中 仿真
1 引
言
考查加热器内热 量的 变化情 况, 假 设在单 位时 间 ( dt) 内流入加热蒸汽所含热量为 q s, 流入冷流体 所含热量为 qc, 流出热流体所含热量为 qa, 其它热损 失可忽略不计。 根据热量守衡定律, 单位时间内热量 进入量与热量流出量之差等于加热器内热量积存量 U 的变化量, 即:
3. 3 测量通道模型 工业上通常可用热电阻或热电偶完成温度信号 的测量和转换, 通常 由于测 温元 件具有 一定的 热容 性导致温度测量环节的输出信号与温度特性呈一阶 惯性的动态关系, 其离散关系式可表示为
T ( k) = ( 1 Ts Ts ) ! T ( k - 1) + ! (k) T T
[1 , 2] [ 4~ 7]
( 4)
蒸汽调节阀选用线性阀, 假定蒸汽压力不变, 则 蒸汽流量与阀门开 度成正 比, 考 虑到执 行机构 的滞 后特性, 可表示为:
W ( t) = c! M ( t - )
曲线可以较为清楚地 了解比 例作 用 ∋ 、 积 分作 用 ( 以及微分作用 ) 对 P I D 输 出 %的 贡献, 这对于 系统 维护人员正确设置和调试 P I D 参数提供了有效的帮 助。
V!
- T s! G c ! V!
a
(k) +
T s! G c V!
c
(k) ( 3)
图 2 自动控制系统方框图
+ W ( k) !
HTs V! ! cc
3 自动控制系统数学模型 3. 1 加热器对象模型
[ 2, 3]
收稿日期 : 2009 11 23( 修改稿 )
第 2期
杨
莹等 . 直接 蒸汽加热器自动控制系统在线仿真
用 [ J] . 化工自动化及仪表 , 2006 , 33 ( 2) : 84- 87. 陈积玉 . 一种基于 DC S的工业仿真方法 [ J]. 化工 自动化及 仪表 , 2004 , 31 ( 4) : 1- 6.
O nline Si m ula tion of D irect Steam H eater Au tom a tion Contro l Syste m YANG Y ing , CAO Yu bo , GAO W ei p ing ( a. S ch ool of Chem ica l and M a terials Eng in eering; b. S chool of Infor ma tion and Con trol Eng in eering, J ilin Institu te of Ch em ica l T echnology, J ilin 132022, Ch ina ) Abstract : T he m ath e m atical m odel of d irect stea m heater control loop based on mech an is m an alyt ical m ethod was bu ilt. Th e sm i u lating p rogram s w ere progra mm ed us ing d ifferen tial d ig ita lmodel and the contro l process was sm i u la ted by th e commun ication b etw een DDE in terface and con figu rat ion software . T he error d ifferen tial w as rep laced by the d ifferent ia l ofm an ipu lated variab les wh en the P I D con troller calcu lated the d ifferen tial avo id ing th e ou tpu t tran si t ions caused by the change of setting valu es . The s m i u lating resu lts h ave reference value for the con trol p rob lem s in practical p rodu ct ion. K ey words : PID con troller ; d irect steam heater ; sm i u lation; on lin e (上接第 22 页 ) 制算法对模型参数的鲁棒性, 具有明显的优势, 值得 在实际工程中进行推广和应用。 4. 2 系统测试 为 了测 试 整 个 液 位 控制 系 统 的 稳 定 性、 快速 性 和工业 以 太网 接 口 通 信 的 可靠 性 , 在 完 成 系 统 的 硬件焊 接 和检 查 后, 按 照 本 文 所 述算 法 进 行 了 软 件编程, 以太网 通信部分 通过 J45直 接插到 网络 交 换机上, 用 两 台电 脑 分 别 与 本 文 设计 的 结 晶 器 液 位控制系 统 进行 通 信, 形 成一 个 EPA 现场 控 制 系 统。用模 拟 盒 外 加 干 扰的 方 法 代 替 液 位 波 动。 测 试过程中 , MAX 7651 一 方 面 接收 来 自 网络 的 控 制 指令 并通 过处 理后 转化 为输 出命令 传送 给电 机 驱 动器 , 使其 动作 ; 另 一方 面实 时的对 外部 信号 进 行 采集和 处 理并 按 照 网 络 计 算机 控 制 要 求, 进 行 数据 汇报。 通过网络 交换机 将该设备 加入 EPA 网 络 进行 试验 , 成功 的通 过了 一致 性、 互 操作 性等 服 务测 试, 符 合 EPA 标准 的要求, 系统可 以满 足生 产 现 场的需要 。 5 结束语 本文针对结晶 器液位 控制问 题, 设 计了一 种基 于微控制 器 MAX7651和以 太网控制器 AX88796 的 网络液位控制系统, 系统不但具有小型化、 网络化的
d a = G c ! cc! dt + W ! H - G a! cc !
c
a
假设蒸汽用量比 流体 流量小 很多, 则可忽 略不 计, 则 G a = G c , 从而上式可简化为:
da V! ! + Gc dt
a
=
c
+ W!
H G c ! cc
( 2)
这里选加热蒸汽流量 W 为控制变 量, 并假 设冷 液体温度
通过以上分析, 式 ( 3) ~ 式 ( 7) 给出 了图 2 所示 方框图中各环节的动态输入、 输出关系, 通过编制程 序, 即可实现对直接 蒸汽加 热器 温度自 动控制 系统 的仿真。 4 控制系统仿真 直接蒸汽 加 热器 在 线仿 真 结构 原 理如 图 3 所 示。程序运行中随时可接受控制参数及设定值或干 扰变量的变化, 通过 P I D 运 算能 自动调 整被控 变量 恢复到设定目标范 围内, 人 机界 面与生 产过程 中实 际在线 DCS 画面一致。
参考文献 :
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 周春 晖 . 化工 过程控 制原理 [ M ] . 北 京: 化学 工业出 版社 , 1995 . 王骥程 , 祝和云 . 化工过程控制工程 [ M ] . 北京: 化学工业出 版社 , 1988 . 刘思华 , 王 英 . 基于相角裕度优化的 PI D 参数整定方法研 究 [ J] . 化工自动化及仪表 , 2008 , 35( 1 ): 17- 19. 吴国垣 , 李东海 , 薛亚丽 . 蒸馏 塔分散 PI D 控制器整 定研究 [ J] . 化工自动化及仪表 , 2004 , 31( 3 ): 42- 44. SYR CO S G, K OOK O S L K. P I D C ont rol ler T un in g U sing
[ 1]
。
式中: q s、 qc、 qa、 U dU = V ! ! ca ! d a; V 假定 为 常数; H 体温度; G a、 Gc 则式 ( 1) 变为:
V! ! cc !
中间变量, 与流体参数之间的
c
2 直接蒸汽加热器工艺简介 直接蒸汽加热器是一种直接将蒸汽与被加热介 质相混合的一种加 热方式, 当出 水温度 偏离目 标值 时, 通过调节加热蒸 汽量来 使出 口温度 自动恢 复到 设定目标值范围内。其工艺控制系统流程如图 1所 示。温度自动控制系统方框图如图 2 所示。
K P ! T D ! [ E ( k) - E ( k - 1) ] + Ts = K P ! E ( k ) + I( k - 1) + KP ! T s ! E (k) TI ( 6) ( 7)
K P ! T D ! [ E ( k) - E ( k - 1) ] + Ts E ( k ) = R ( k ) - H ( k)
过程控制
化工自动化及仪表 , 2010 , 37( 2): 28~ 30 Contro l and Instrum ents in Che m ical Industry
直接蒸汽加热器自动控制系统在线仿真
杨 莹 , 曹玉波 , 高维平
a b a
(吉林化工学院 a . 化工与材料工程学院 ; b . 信息与控制工程学院 , 吉林 吉林 132022)
关 系是: q s = W ! H; qc = G c ! cc!
; q a = G a ! ca ! a;
加热器内液体的体积, 可 、c 热、 冷流 热、 冷
流体 密 度, 可 假 定 为 常 数; W、
a
加热蒸 汽的 流 量和 热 焓;
热、 冷流体流量; ca、 cc
液体的比热, 假设近似相等, 并统一用 cc 表示。
摘要 :
以直接蒸汽加热器为研究对象 , 通过机理分析法建立了直接蒸汽加热器温度控制回路各环节的 数学
wk.baidu.com
模型 。 利用组态软件编制仿真界面 , 通过 DDE 接口与差分数字 化模型程 序进行通 讯 , 仿真程 序运行过 程中可 实 时修改和调整过程运行参数 , 从而实现了蒸汽 加热器出口温度自动控制过程的在线仿真 。 关键词 : P I D 控制器 ; 直接蒸汽加热器 ; 仿真 ; 在线 中图分类号 : T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 3932( 2010) 02 0028 03
c
为 干扰变量, 即当温度设 定值或冷液体
a
温度发生变化而导致热流体温 度
图 1 蒸汽加热器温度控制工艺
偏离设 定值时,
温度控制器 T IC101 通过 调节蒸 汽调 节阀 的开 度以 调整加热 量从 而使 出水 温 度自 动恢 复到 设 定值 附 近。上式采用前向差分离散化后有:
a
( k + 1) =
K P ! Ts ! TI
k
M ( k) = K P ! E ( k ) +
# E ( i)
i= 0
图 4 设定值改变和扰动情况下的调节过程 注: 差; & ) 温度设定 值 ; ∃ 蒸 汽 流 量; ∋ 微分输出 ; % 温 度 测量 值 ; ∗ 比 例 输 出; ( 阀位信号 系 统余 ( 偏 ) 积 分 输 出;