液位控制

简介

比较温度、压力，流量和液位这四种最常见的过程变量，对于像蒸馏塔这样的大规模连续过程，液位回路的重要性经常被忽视。通常，液位是通过操纵进流量或出流量来控制的，液位被认为是比较容易控制的回路。

为什么液位会难控

由于在设备运行过程中存在进料量和出料量的变化，所以很难通过调整PID控制器参数来满足所有的工况条件，获得理想的控制效果。过调会导致了流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。因此，PID液位控制器通常处于欠调状态允许液位在一定范围内波动，以减小出料量的变化。然而，欠调的PID不能及时抑制大扰动，这就可能引起生产的安全问题。另外，液位的波动也会破坏生产过程的稳定，使得产量下降。

MFA控制解决方案

使用鲁棒MFA控制器来控制液位能平滑各设备间的物料和能量的传输，同时也避免了在不正常的工况条件下出现过高或过低的液位。鲁棒MFA控制器的参数设置如下图所示。

1. 上下限（Upper Bound和Lower Bound）－ 过程变量（PV）的被控范围。通常，PV值不会超过这里所设定的上下限。控制器输出（OP）可以硬限幅或设定约束条件，而PV是只能通过OP的调节而产生变化的过程变量。因此，这里的PV上下限与OP约束的概念完全不同。

2. 增益比（Gain Ratio）－根据PV值的大小加强或减弱MFA控制器作用的系数。例如，当增益比为默认值3时，在PV接近上下限时，MFA的增益将变为原来设定值的三倍。这不是一种规则增益方法，尽管看起来很像。规则增益方法不能解决复杂的问题。

锅炉汽包液位控制

汽包液位需要控制在中间位置，防止锅炉水管上产生热应力（液位过低）或水管腐蚀（液位过高）。液位控制不当会引起系统停车，能源浪费以及设备寿命缩短。

影响锅炉液位的关键变量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。

CyboSoft的3冲量MFA控制系统能有效地控制汽包液位。MFA液位控制器和给水控制器组成了一个串级控制系统对汽包液位加以调节，并补偿了给水和流出蒸汽的扰动。Anti-delay MFA控制器解决了液位控制回路大而变化的时滞问题。Feedforward MFA控制器保持了给水量和蒸汽需求变化之间的平衡。表1显示了客户使用这种MFA控制解决方案所获得的收益。

表1. 汽包液位MFA控制的收益

采用MFA控制技术	收益
• 抗滞后和前馈MFA控制器有效的解决了“收缩和膨胀”问题。	• 克服汽压大负荷变化和其它设备扰动，汽包液位控制在高限和低限的范围内。
• 避免液位过高或过低。	• 提高了蒸汽系统的安全性和生产力。
• 防止蒸汽系统停车。	• 提高了生产效率和产量。
• 控制蒸汽温度。	• 节省能源。
• 提高了生产效率和生产力。	• 在几个月或更短的时间内就能完全收回投资。

蒸发器液位控制

蒸发器是脱水、浓缩和结晶过程的常用设备。如果产品的密度或浓度是关键的质量变量，那么液位控制会变得十分困难。

例如，番茄加工厂使用蒸发器来生产番茄酱，番茄酱的浓度是最关键的质量变量，要求控制在一个很小的范围内。操作变量是进料量和出料量，它们会同时影响浓度和液位。蒸发器本身是一个多输入多输出（MIMO）系统，如果使用单回路控制器来分别控制液位和浓度的话，这两个回路会相互影响从而影响正常的生产。

多变量MFA控制器能同时操纵进料量和出料量，快速精确地控制浓度和液位。MFA约束控制器能防止蒸发器液位过高或过低。表2列出了客户使用MIMO MFA控制器来控制蒸发器所获得的收益。

表2. 番茄蒸发器MFA控制的收益

采用MFA控制技术	收益
• 同时控制进料量和出料量。	• 改进浓度控制，浓度变化至少减少50%。
• 防止蒸发器过干。	• 减少蒸汽消耗。
• 蒸发器可以在自动状态下进行开车及运行。	• 实现柔性生产，减少蒸汽发生器的负荷扰动。
• 减少产品浓度变化。	• 提高了生产效率和产品质量。
• 提高了生产效率和生产力。	• 在几个月或更短的时间内就能完全收回投资。

总结

基于MFA控制算法的核心技术，已经开发出多种MFA控制器以解决特定的控制问题，包括适用于液位回路的控制器。

1. 鲁棒MFA控制器非常适用于传统的液位回路的控制，为防止液位过高或过低提供了一种很好的保护措施。

2. 抗滞后MFA控制器配合前馈MFA控制器能有效地控制汽包液位。

3. MIMO MFA控制器能同时控制诸如蒸发器设备的浓度和液位。