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摘 要：本文介绍了利用西门子的过程控制系统PCS7构建制糖蒸发器控制系统的硬件及软件设计。详细介绍了PCS7的全集成自动化功能是如何完成系统的硬件组态、软件编程和监控组态的过程，并阐述了浓度控制的算法设计和程序编制方法以及开车顺序的控制办法。经试验运行，该系统运行安全稳定、人机界面友好，能在较短的时间内对系统变化做出响应。
关键词：PCS7；制糖控制系统；蒸发器
前言
目前，蒸发器的应用在工业生产当中已经非常广泛，蒸发器是一种通过加热使溶液浓缩或从溶液中析出结晶的设备。溶液一般是含有不挥发性固体溶质的稀水溶液，将其加热到沸腾，使溶液中部分溶剂汽化，就可以提高溶液中溶质的浓度，在工业上制取烧碱、食盐、糖等都要用蒸发器来处理。蒸发器的控制系统涉及到温度、压力、液位等参量，任何一个参量的变化都会引起系统的不稳定，是一个比较复杂的控制过程。本文以制糖的蒸发器为例，介绍利用西门子PCS7过程控制系统，如何实现对蒸发器的稳定控制，使之达到系统的控制要求。
1、蒸发器及工艺流程
如图1所示，被控对像为一个连续蒸发系统，过热蒸汽由蒸发器E1201中部通入蒸发器夹套，过热蒸汽流量为FI1105，管道设有过热蒸汽调节阀FV1105。热蒸汽经过换热后变为冷凝水，被蒸发器排出。需要浓缩的稀溶液从蒸发器的上端流入，经过换热后，稀溶液中的水分被蒸发，变成二次蒸汽从蒸发器顶部排出，浓缩溶液则由底部排出。
由图1可知，位号FI1201表示稀液流量，位号FV1201表示稀液管道内的调节阀，位号FI1202表示浓缩液流量，
位号FV1202表示浓缩液管道内的调节阀，位号FT1203表示二次蒸汽流量，FV1203表示二次蒸汽流量管道内的调节阀，位号PI1201表示蒸发器压力，位号TI1201表示温度，位号LI1201表示液位。
2、系统组成
2.1 硬件组成
西门子PCS 7系统是集散控制系统的一个应用实例，它采用了当前主流的LAN技术、西门子PLC和现场总线技术。 整个系统由大量的西门子硬件组件组成，包括仪表、执行机构、模拟和数字信号模块，控制器、通讯处理器、工程师站和操作员站等。
本系统的控制器单元采用西门子S7-400系列处理器，包括电源模块、CPU412-3H模块、CP443-1通讯模块，并采用 PROFIBUS-DP的现场总线结构，将ET200M远程I/O模块以及泗博PM125通讯模块挂载到现场总线上，如图2所示。
系统网络通讯结构如图3所示，由两个站点组成，均挂载在PROFIBUS工业以太网上：1个工程师站、1个操作员站，自动化站（AS）到操作员站服务器（OS Server）采用ISO协议通信，操作员站服务器（OS Server）到操作员站客户端（OS Client）采用基于Internet的 TCP/IP协议进行通信。
2.2 软件组成
完成硬件组态之后，需要搭建一个完整、好用的软件平台。对于控制系统设计而言，我们需要运行应用软件的操作系统，需要设计MHI界面的组态软件，需要后台强大的数据库运行能力，因此，我们需要三大类的软件：操作系统、组态软件、数据库软件。在选择上，操作系统可以选用Windows XP 和 Windows 7等计算机常用的系统软件；组态软件就直接使用PCS7自带的WinCC；而数据库软件则可以使用SQLServer 2010。完成以上软件的安装及调试即可搭建好整个软件平台。
3、系统控制程序
3.1 上位机监控组态
PCS7过程控制系统完美地体现全集成自动化的优势，它集成STEP7、SCL、CFC、SFC、WinCC、PLCSIM 等软件，形成了一套完整的编程组态软件，即PCS7工程师集。利用这些软件，可以非常方便地实现系统的硬件组态、算法设计、HMI监控和模拟测试等多种功能。本文利用WinCC 6.2组态软件开发监控界面，如图 4 所示。
3.2 下位机控制程序
下位机的功能主要包括：采集、控制生产现场的工艺参数、设备运行状态等数据；然后，将采集上来的模拟量信号和开关量信号转化成数字信号；将这些信息交控制器由进行数据处理和运算，实现算法控制；同时，与上位机进行通信，利用组态软件实现对现场数据的监控。
本文中的蒸发器控制系统中，涉及到温度-过热蒸汽流量串级控制、液位-稀液流量串级控制、浓缩液流量控制、二次蒸汽流量控制等多个控制回路。
3.2.1 浓度控制
由于浓度是蒸发器产品质量的重要指标，如何控好浓度是重点，所以我们以浓度控制为例介绍控制程序的编制。由于浓度不容易实时测量，可以利用软测量的方法进行测量得出溶液组分的评估。假定在液位、压力、温度等这些变都稳定的情况下，二次蒸汽蒸发量的大小决定着浓度的大小。为了将控制对象清晰化，在控制浓度时先将其它变量假设为稳定，在这样的前提下将蒸发器变为理想化蒸发器，不管蒸发器容积如何变化，蒸发能力都能满足工艺要求，现将蒸发器的容积变小，接近同样长度管道的容积。
该算法在PCS7中的实现，考虑到去除波动干扰，二次流量突变限制，多段加速因子设定，为了使设计精简化，使用SCL进行二次蒸汽流量生成器的编写。并且按照PASCAL程序设计步骤进行。
3.2.2 温度控制
过热蒸汽流量直接决定蒸发器温度，可以通过控制过热蒸汽流量来调节蒸发器温度。同时，为了减少过热蒸汽流量波动对蒸发器温度的干扰，可以构成蒸发器温度-过热蒸汽流量串级控制系统。
由于稀液的温度为90℃，稀液进入蒸发罐之后往下沉，使得蒸发器底部的温度下降，而温度传感器未能及时地检测到底部的温度变化，因而未能对过热蒸汽的进入量进行及时地调节，从而可能对浓缩液的浓度造成影响。因此需对过热蒸汽阀加入前馈控制，使得过热蒸汽响应及时。 3.3 开车顺序的控制
开车顺序控制的好坏关系到系统能否快速稳定。如果开车顺序控制不好很可能造成前期产品的产量下降，浓度不达标等问题。为了减少开车时间，稀液注入蒸发器时阀门应当全开，升温度和蒸发时不仅要保证最大速度，还要保证温度在一定范围内，以达到工艺要求，所以在开车的升温、浓缩时要引入温度控控制回路，但参数和连续生产时有所不同。因为温度、液位、流量和压力都是可测的，所以它们的转换条件相当清晰，也比较好控。但是浓度不可测，在控制时必须依靠其他变量。
根据蒸发前后容质质量不变定律，得到：浓液质量/稀液质量=α稀/α浓。所以稀液质量和浓液质量存在比例关系。当稀液流入蒸发器，稀液的质量就对应着液位，因此无需再单独计算。假定稀液进入蒸发器，液位达到80%时，FV1201关闭。蒸发器内液体的质量是M1，对应的液位为H1。蒸发后的浓液质量为M2，对应的液位为H2，由于液体密度可认为不变，容器底面积不变。M1和H1、M2和H2成线性关系。只要控制H1和H2就能控制M1和M2。从而把质量问题转变为液位来考虑。将液位作为转换条件。当液位从H1变为H2时，就可以认为浓度已经达标，可以开始下一个操作。
4、结束语
西门子PCS7的全集成自动化功能十分强大，在PCS7上可以非常方便地完成系统的硬件组态、HMI组态、控制算法实现以及系统调试的过程。在整个控制系统的设计中，需要考虑对蒸发器的液位、流量、温度和浓度，尤其的浓度的控制是控制算法的重点，本文给出了基于软测量的浓度串级控制算法。通过实验，系统运行的结果表明本文的控制方案设计合理、可行，具有较好的控制效果，系统能够在短时间内达到稳态。
参考文献
[1] 陈家海，彭宇宁.基于 PCS7的SMPT-1000蒸发器控制系统[J]，工业控制计算机，2013.7.
[2] 麦艳红.西门子PCS7在蒸发器控制系统的应用[J]，科技通报，2013.4.
[3] 肖 莉，荆彦超.西门子S7-300 PLC在浓缩果汁厂蒸发自动控制系统中的应用[J]，三门峡职业技术学院学报，2010.10.
作者简介
李宁（1978- ），男，广西南宁人，硕士，副教授、工程师，研究方向：电气自动化技术；林勇坚（1971-），男，福建福清人，硕士，教授，研究方向：电气自动化技术。
关键词：PCS7；制糖控制系统；蒸发器
前言
目前，蒸发器的应用在工业生产当中已经非常广泛，蒸发器是一种通过加热使溶液浓缩或从溶液中析出结晶的设备。溶液一般是含有不挥发性固体溶质的稀水溶液，将其加热到沸腾，使溶液中部分溶剂汽化，就可以提高溶液中溶质的浓度，在工业上制取烧碱、食盐、糖等都要用蒸发器来处理。蒸发器的控制系统涉及到温度、压力、液位等参量，任何一个参量的变化都会引起系统的不稳定，是一个比较复杂的控制过程。本文以制糖的蒸发器为例，介绍利用西门子PCS7过程控制系统，如何实现对蒸发器的稳定控制，使之达到系统的控制要求。
1、蒸发器及工艺流程
如图1所示，被控对像为一个连续蒸发系统，过热蒸汽由蒸发器E1201中部通入蒸发器夹套，过热蒸汽流量为FI1105，管道设有过热蒸汽调节阀FV1105。热蒸汽经过换热后变为冷凝水，被蒸发器排出。需要浓缩的稀溶液从蒸发器的上端流入，经过换热后，稀溶液中的水分被蒸发，变成二次蒸汽从蒸发器顶部排出，浓缩溶液则由底部排出。
由图1可知，位号FI1201表示稀液流量，位号FV1201表示稀液管道内的调节阀，位号FI1202表示浓缩液流量，
位号FV1202表示浓缩液管道内的调节阀，位号FT1203表示二次蒸汽流量，FV1203表示二次蒸汽流量管道内的调节阀，位号PI1201表示蒸发器压力，位号TI1201表示温度，位号LI1201表示液位。
2、系统组成
2.1 硬件组成
西门子PCS 7系统是集散控制系统的一个应用实例，它采用了当前主流的LAN技术、西门子PLC和现场总线技术。 整个系统由大量的西门子硬件组件组成，包括仪表、执行机构、模拟和数字信号模块，控制器、通讯处理器、工程师站和操作员站等。
本系统的控制器单元采用西门子S7-400系列处理器，包括电源模块、CPU412-3H模块、CP443-1通讯模块，并采用 PROFIBUS-DP的现场总线结构，将ET200M远程I/O模块以及泗博PM125通讯模块挂载到现场总线上，如图2所示。
系统网络通讯结构如图3所示，由两个站点组成，均挂载在PROFIBUS工业以太网上：1个工程师站、1个操作员站，自动化站（AS）到操作员站服务器（OS Server）采用ISO协议通信，操作员站服务器（OS Server）到操作员站客户端（OS Client）采用基于Internet的 TCP/IP协议进行通信。
2.2 软件组成
完成硬件组态之后，需要搭建一个完整、好用的软件平台。对于控制系统设计而言，我们需要运行应用软件的操作系统，需要设计MHI界面的组态软件，需要后台强大的数据库运行能力，因此，我们需要三大类的软件：操作系统、组态软件、数据库软件。在选择上，操作系统可以选用Windows XP 和 Windows 7等计算机常用的系统软件；组态软件就直接使用PCS7自带的WinCC；而数据库软件则可以使用SQLServer 2010。完成以上软件的安装及调试即可搭建好整个软件平台。
3、系统控制程序
3.1 上位机监控组态
PCS7过程控制系统完美地体现全集成自动化的优势，它集成STEP7、SCL、CFC、SFC、WinCC、PLCSIM 等软件，形成了一套完整的编程组态软件，即PCS7工程师集。利用这些软件，可以非常方便地实现系统的硬件组态、算法设计、HMI监控和模拟测试等多种功能。本文利用WinCC 6.2组态软件开发监控界面，如图 4 所示。
3.2 下位机控制程序
下位机的功能主要包括：采集、控制生产现场的工艺参数、设备运行状态等数据；然后，将采集上来的模拟量信号和开关量信号转化成数字信号；将这些信息交控制器由进行数据处理和运算，实现算法控制；同时，与上位机进行通信，利用组态软件实现对现场数据的监控。
本文中的蒸发器控制系统中，涉及到温度-过热蒸汽流量串级控制、液位-稀液流量串级控制、浓缩液流量控制、二次蒸汽流量控制等多个控制回路。
3.2.1 浓度控制
由于浓度是蒸发器产品质量的重要指标，如何控好浓度是重点，所以我们以浓度控制为例介绍控制程序的编制。由于浓度不容易实时测量，可以利用软测量的方法进行测量得出溶液组分的评估。假定在液位、压力、温度等这些变都稳定的情况下，二次蒸汽蒸发量的大小决定着浓度的大小。为了将控制对象清晰化，在控制浓度时先将其它变量假设为稳定，在这样的前提下将蒸发器变为理想化蒸发器，不管蒸发器容积如何变化，蒸发能力都能满足工艺要求，现将蒸发器的容积变小，接近同样长度管道的容积。
该算法在PCS7中的实现，考虑到去除波动干扰，二次流量突变限制，多段加速因子设定，为了使设计精简化，使用SCL进行二次蒸汽流量生成器的编写。并且按照PASCAL程序设计步骤进行。
3.2.2 温度控制
过热蒸汽流量直接决定蒸发器温度，可以通过控制过热蒸汽流量来调节蒸发器温度。同时，为了减少过热蒸汽流量波动对蒸发器温度的干扰，可以构成蒸发器温度-过热蒸汽流量串级控制系统。
由于稀液的温度为90℃，稀液进入蒸发罐之后往下沉，使得蒸发器底部的温度下降，而温度传感器未能及时地检测到底部的温度变化，因而未能对过热蒸汽的进入量进行及时地调节，从而可能对浓缩液的浓度造成影响。因此需对过热蒸汽阀加入前馈控制，使得过热蒸汽响应及时。 3.3 开车顺序的控制
开车顺序控制的好坏关系到系统能否快速稳定。如果开车顺序控制不好很可能造成前期产品的产量下降，浓度不达标等问题。为了减少开车时间，稀液注入蒸发器时阀门应当全开，升温度和蒸发时不仅要保证最大速度，还要保证温度在一定范围内，以达到工艺要求，所以在开车的升温、浓缩时要引入温度控控制回路，但参数和连续生产时有所不同。因为温度、液位、流量和压力都是可测的，所以它们的转换条件相当清晰，也比较好控。但是浓度不可测，在控制时必须依靠其他变量。
根据蒸发前后容质质量不变定律，得到：浓液质量/稀液质量=α稀/α浓。所以稀液质量和浓液质量存在比例关系。当稀液流入蒸发器，稀液的质量就对应着液位，因此无需再单独计算。假定稀液进入蒸发器，液位达到80%时，FV1201关闭。蒸发器内液体的质量是M1，对应的液位为H1。蒸发后的浓液质量为M2，对应的液位为H2，由于液体密度可认为不变，容器底面积不变。M1和H1、M2和H2成线性关系。只要控制H1和H2就能控制M1和M2。从而把质量问题转变为液位来考虑。将液位作为转换条件。当液位从H1变为H2时，就可以认为浓度已经达标，可以开始下一个操作。
4、结束语
西门子PCS7的全集成自动化功能十分强大，在PCS7上可以非常方便地完成系统的硬件组态、HMI组态、控制算法实现以及系统调试的过程。在整个控制系统的设计中，需要考虑对蒸发器的液位、流量、温度和浓度，尤其的浓度的控制是控制算法的重点，本文给出了基于软测量的浓度串级控制算法。通过实验，系统运行的结果表明本文的控制方案设计合理、可行，具有较好的控制效果，系统能够在短时间内达到稳态。
参考文献
[1] 陈家海，彭宇宁.基于 PCS7的SMPT-1000蒸发器控制系统[J]，工业控制计算机，2013.7.
[2] 麦艳红.西门子PCS7在蒸发器控制系统的应用[J]，科技通报，2013.4.
[3] 肖 莉，荆彦超.西门子S7-300 PLC在浓缩果汁厂蒸发自动控制系统中的应用[J]，三门峡职业技术学院学报，2010.10.
作者简介
李宁（1978- ），男，广西南宁人，硕士，副教授、工程师，研究方向：电气自动化技术；林勇坚（1971-），男，福建福清人，硕士，教授，研究方向：电气自动化技术。