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1、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
2、一个合理的 X 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 示。图 2-2 冷却塔控制系统结构框图这是单回路冷却塔液
3、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
4、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，GC ）、Gm C I、G”C ）和l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
5、数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）比）通过检测变送 仪表后将其变换为测量值ym Q，（并反馈到控制器GW的输入端；控制器G ）根据系统被 控变量的设定值r Q与测量值ym c）的偏差e（t ），按照一定的控制算法输出控制量u Q；执行 器G”c）根据控制器小）送来的控制信号uQ，通过改变操作变量卩0的大小，对被控对 象Gc）进行调节，克服扰动d（t）对系统的影响，从而使被控变量y（t）趋于设定值人），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，
6、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o10mA、420mA、1 5V电流或电压，0.02O.IMPa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
7、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05KP，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 X 围：01.2m3/h;精度：1.0%;输出：42OmADC。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1M(t)二 K (e + J tedt + T de
8、/dt) + M(4-1)c T 0 D inital10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
9、为：M(n) = K e(n) + Y e(i) + de(n)-e(n-1) + M(4-2)p T T inital1 i =1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。图 4-1 控制流程图5 分析总结5.1 整体稳定性及误差控制当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大 的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适， 则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后， 如何整定好控制器的参数是一个很重要的
10、实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投 运和参数整定是十分重要的工作。系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰 动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给 定值无偏差存在。一般言之，具有比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度6的大小不仅会影响 到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的 作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数6, Ti选择合理，也能使系统具有良好的动 态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使 系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、
11、稳定性等）。在单位阶跃作用下 P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图5-1中的曲线、所示。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，进一步得出PID控 制器各校正环节的作用。如下：1）比例环节用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。比例度越大，系统的响应速度越快， 系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。比例度取值过小，则会降 低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。2）积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。积分时间越小，系统的静态误差消除越快，但积分时间过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调
12、。若积分 时间过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3）微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但微分时间过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间， 而且会降低系统的抗干扰性能。5.2 系统干扰控制系统可能受到的差模干扰有：外交变磁场对传感器的一端进行电磁耦合，外高压交变 电场对传感器的一端进行漏电耦合等。针对具体情况已采用双绞信号传输线、传感耦合端 加滤波器金属隔离线屏蔽等措施来消除差模干扰。系统测量转换成信号（以下称信号源）的位置与测量电路、显示系统相距很远，易受外 来干扰影响。采用屏蔽与接地、“保护”屏蔽
13、、采用合适的连接电缆线和滤波法来抑制外 来干扰。系统也可能遭受源于自动测试系统中的电源变压器的内部干扰。变压器绕组中存在着 分布电容（约为1001000pF），漏电流可达8-70yA，由它引起的干扰在某些电路中的干 扰电压可达1 - 1 0V ，因此，采用隔离变压器供电来消除影响。结束语冷却塔液位控制系统是一种简单的单闭环控制系统，也是自动检测技术的在自动控制 中的基础应用。虽然系统简单，但是能有效的达到设计效果，实现液位的精确控制和实时 监控。当然本系统也会存在需要进一步完善的问题，比如元器件的寿命、稳定性及精度取 舍问题，某些干扰的滤波问题等等。关注和学习本液位控制系统的案例设计是关于自动检测技术系统的学习和应用，是对 所学课程的深入研究。同时学习了自动检测技术及应用课程后，更能为自己以前的迷茫解 惑。通过对经典案例的学习，将理论与实际生产实际联系起来，让知识从书本中解放出来。参考文献1 武昌俊.自动检测技术与应用.机械工业，2010.01.2 金以慧.过程控制.清华大学，1993.3 王化祥.自动检测技术.化学工业.2009.08.
