淺談液氨冷卻系統選擇性結構的設計范文

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《瀘天化科技》2017年第3期

摘要:由于滑模變結構控制具有高魯棒性，設計形式多樣，不局限于對象的數據模型的特點，越來越多的被應用于線性和非線性系統當中［7］。本文利用液氨冷卻熱物料的工藝過程設計一個選擇性過程控制系統，出現不同的工作狀況時切換到不同的控制結構。其中選擇結構采用滑模變結構的設計思想實現，通過設計合理的切換函數，可實現平滑的切換，保證系統的穩定性，避免了連續控制過程中控制結構的突然變換造成的系統震蕩現象。突然的震蕩情況在某些工作場合是不允許的，例如過程控制當中的閃蒸罐中壓強控制系統［9］。本設計在常規軟保護的設計思想基礎上，充分利用滑模控制的特點設計了一種新的切換模式，保證了切換過程中的穩定性。

關鍵詞:選擇分支;滑模;軟保護

0前言

選擇性控制是過程控制中屬于約束性控制類的方案［1］。在正常的工況下由一個正常的控制方案起作用，當生產操作趨向安全極限時，用另一個方案取代正常情況下的方案，直到生產操作重新回到允許范圍內，則重新恢復原來的控制方案。當生產操作達到安全極限時，處理的方法通常有兩種:一種是信號報警，由自動控制改為人工控制;另一種是采用連鎖停車保護，待操作人員排除故障后再重新開車［4］。在現代化生產過程中，停車會造成重大的經濟損失，控制系統應該起到自動保護的作用而不必停車，防止生產事故的發生，減少開、停車次數。本文采用一種新的軟保護的方法來設計選擇結構，有效的降低了結構切換時系統的不穩定性。

1滑模變結構思想

1.1滑動模態的數學描述

滑模變結構控制的關鍵問題是使系統在滑模面上的運動具有良好的動態性能，因此必須確定滑動模態的描述方程。從理論上講，系統的狀態軌跡一旦到達切換流形就保持在上面并沿其運動。但由于實際系統的慣性、切換遲滯等因素的存在，理想的滑動模態和實際的滑動模態總是存在著一定的偏差。

1.2滑模變結構控制的基本原理

［8］普通的控制系統通常采用狀態反饋，反饋量是狀態量的一個連續函數，假設系統是不變的，且參考輸入為零，此時閉環系統是一個自治系統，系統結構在反饋過程中保持不變。在滑模變結構控制中，反饋控制量為狀態量的一個非連續函數。

2液氨冷卻過程控制系統設計

液氨冷卻器是工業生產中用的較多的一種換熱設備。它利用液氨的氣化吸收大量的熱來冷卻物料。以被冷卻物料的出口溫度為被控量、以液氨流量為操縱量時的簡單控制系統［5］入圖2所示。從生產安全角度考慮液氨管道的控制閥應選擇氣開閥(氣源中斷時閥自動關閉，比較安全［3］)，溫度控制器TC為正作用，當被冷卻物料的出口溫度升高時，溫度變送器輸出增加，使控制閥開大，從而液氨增加，這樣就有更多的液氨氣化吸收熱量，使被冷卻物料的出口溫度下降。

2.1選擇性過程控制系統的方案設計

該選擇性控制系統由溫度和液面控制系統兩部分組成，工作的邏輯關系為:在正常情況下，溫度控制系統投入運行，液位控制器LC處于待命狀態;當液氨面達到高限時，溫度已暫時成為次要因素，而保護壓縮機不致損壞上升為主要矛盾，因此液位控制器LC必須立即取代溫度控制器TC而工作，以減少液氨進入量。等到液氨面低于界限值時，溫度控制器TC才自動切換回來恢復工作。從液面取代控制系統中可以確定液位控制器LC應為反作用。這里的溫度控制器TC是正常控制器，液位控制器LC是取代控制器。究竟選哪個控制器的輸出接至控制閥，可通過低值選擇器自動選擇。在正常工況下，液氨面低于界限值，液位控制器的輸出高于溫度控制器的輸出，應通過低值選擇器選擇溫度控制器控制控制閥動作，溫度控制回路正常工作。但當氨面超過界限值時，液位控制器的輸出立即下降，同時溫度控制器的輸出很高，低值選擇器選中液位控制器輸出，控制控制閥減少液氨量，液位控制回路投入工作，從而防止事故的發生

2.2選擇性控制系統方框圖

該選擇性系統中設計兩個PID控制器，正常控制器與取代控制器，這兩個控制器的輸出信號都送至選擇器，由選擇器將不同的控制信號切換到執行器上，從而調節液氨的流量。設液氨液位高度的安全極限為80，則液位≤80度時進行正常的熱物料冷卻控制;當液位為≥80，超過液位安全極限，則切換到取代控制器回路進行降液位的控制，以實現對生產過程的自動控制。

2.3具體實現過程

切換條件采用滑模變結構形式進行設計。設切換函數s(x)=x－80。其中x為液氨液位高度的設定值。液氨的液面高度安全限制為80。2.3.1建立一個工程本設計采用DCS集散控制方式，以HollySysDCS系統的實訓裝置為操縱和實訓平臺［2］。操作步驟:(1)點擊“工程總控”快捷方式，在彈出的窗口中輸入用戶名:a，密碼:a。

2.3.2硬件配置

在出現的工程總控窗口中，雙擊10號站，單擊“硬件配置”，變成硬件配置窗口，再次單擊“硬件配置”，然后單擊右邊的“設備庫”，在機柜中，選擇“K”主機柜，雙擊出現在硬件配置窗口。(1)右擊空白主控塊，設置成無冗余狀態。(2)右擊下邊的每個模塊，添加模塊，將實際的4個端子模塊添加到通用模塊中來。4個模塊的順序為:K－AI/01，K－RTD01，K0AO01，K－DO01．雙擊每個輸入輸出模塊，每個模塊由8路端子組成，為輸入輸出端子設計接收變量。采用模擬量輸入通道1作為液氨液位高度接收通道，采用模擬量輸入通道2作為物料出口溫度接收通道，采用模擬量輸出通道1作為控制執行器的通道。

2.3.3建立．CFC文件

進入工程總控界面，點擊左邊的用戶程序/點擊SYS文件夾/添加POU，出現如下窗口，文件取名shxy，然后選擇連續功能圖CFC，開始進入編程界面。主程序的編寫包括變量的復制，粘貼，PID模塊的參數設置。

2.3.4組態設計

(1)液氨冷卻罐液位組態用工具欄中的矩形工具和直線工具畫水箱的外形和刻度。并設置顯示屬性，實現液位與CFC程序的關聯。

(2)關聯其他變量，包括兩片PID給定值的關聯、比例增益KP、積分時間TI、微分TD，起停按鈕的設計、曲線圖表的設計等。

3結論

經過驗證，分別取KP=100，TI=30，TD=1。當系統超高安全限制時，當不采用滑模切換結構時，突然的切換過程造成了系統的震蕩加強，液位控制回路中的相應曲線如圖10所示。途中紅色曲線表示系統切換時液態氨液位的過渡過程曲線;圖中黃色線代表安全液位的給定值，認為液位高度不超過80認為在安全范圍，這里給PID的給定值設置為60;圖中藍色曲線代表PID控制器的輸出能力。

參考文獻

［1］齊衛紅．過程控制系統第二版［M］．北京:電子工業出版社，2011，3．

［2］王麗．合成氨工藝裝置自動化控制系統分析［J］．中國科技信息，2014，24(2)79－82．

［3］雷振伍等．基于PCS7和Simulink的過程控制虛擬仿真實驗平臺開發［J］．實驗技術與管理，2016，01(11)13－16．

［4］麻麗明等．基于PCS7的工業連續反應過程控制系統的設計與開發［J］．遼寧工業大學學報(自然科學版)，2016，05(2)32－35．

［5］任俊杰等．基于PLC和組態王的過程控制實驗系統［J］．實驗室研究與探索，2013，05(7)16－18．

［6］浙江亞龍公司．YL－370型實訓裝置指導書［M］．浙江:浙江大學出版社，2016，12．

［7］俞金壽．過程自動化及儀表［M］．北京:化學工業出版社，2013，06．

［8］金以慧．過程控制［M］．北京:清華大學出版社，1993，7．

［9］金以慧等．過程控制的發展與展望［J］．控制理論與應用，2015，02(22)37－40．

［10］黃堅．自動控制原理及應用(第2版)［M］．北京:高等教育出版社，2001．

［11］廖常初．S7－300/400PLC應用技術第四版［M］．北京:機械工業出社，2016，06．

［12］高為炳．變結構控制理論及設計方法［M］．北京:中國科學出社，1990，243－254．

［13］袁德成，樊立萍，李凌等．現代控制理論［M］．北京:清華大學出版社，2007.8．

［14］艾紅．自動化專業過程控制方向教學與實踐探究［J］．實驗技術與管理，2014，06(12)37－39．

［15］高強．一種先進過程控制研究的半實物仿真系統［J］．自動化與儀表，2014，02(17)23－26.

作者：張豐；趙曉寒 單位：綏化學院信息工程學院