液位控制系统的应用与优势

1.液位控制系统的类型

根据控制要求的不同，液位控制可分为连续的回路控制和离散的开关控制等两大类。

（1）液位的连续控制

液位连续控制是以液位为被控变量，以进料或出料量为操纵变量的控制。

液位连续控制的最简单形式是单回路控制系统。当操纵变量流量的波动较大，例如，受上游压力影响较大时，可选用以液位为主被控变量，以流量为副被控变量的串级控制系统。当要兼顾液位和流量的稳定运行时，可采用均匀控制系统，包括简单均匀控制系统，串级均匀控制系统等。例如，在精馏塔系的控制中，精馏塔前塔的塔釜液位和后续塔进料量组成串级均匀控制系统等。一些有操作软限的控制场合，可组成选择性控制方案。

（2）液位的离散控制

液位离散控制是以液位为被控变量，以流量开关量作为操纵变量的控制。液位信号可以是连续信号或离散的开关信号。操纵变量可以是进料阀（进料泵），也可以是出料阀（出料泵）等。

根据被控变量和操纵变量的不同类型，有下列几种液位的开关控制方案。

1）滞环开关控制。以液位开关控制出料阀为例说明液位滞环开关控制的特点。

滞环开关控制的输入-输出关系如图6-70所示。图中，液位设定值为S，液位的死区为D，当液位检测值≥S+D时，出料控制阀从全关切换到全开并保持，当液位检测值≤S-D时，出料控制阀从全开切换到全关并保持。该控制方案中，被控变量采用液位的两个开关信号S-D和S+D，操纵变量是出料控制阀的开关信号。

图6-70 液位滞环开关控制特性和波形

a）滞环开关控制特性 b） 滞环开关控制波形

实施时应注意下列事项：

①被控变量的开关信号可以是直接安装的两个液位开关，检测S+D和S-D信号。也可采用液位检测的模拟量信号，用比较器或显示仪表的限值微动开关等获得开关信号。

②操纵变量可以是出料控制阀（泵）或进料控制阀（泵）。采用进料控制阀时，滞环曲线和控制阀的波形都与图6-70所示的波形相反（垂直翻转）。

③控制精度与D有关，D值小，控制精度高，但控制阀开关频度高，使用寿命短。

④为实现上述开关控制，图6-71显示了用功能块编程语言编写的程序。采用两个液位开关的控制方案，只需要一个RS功能块。采用模拟量液位信号时，增加两个比较功能。图中，PV是液位测量信号，PVG是PV≥S+D的开关信号，PVS是PV≤S-D的开关信号，H_LIMIT和L_LIMIT分别是S-D和S+D的实际信号。

图6-71 液位控制程序

⑤通常，出料阀或进料阀都用RS功能块，在起动和停止条件同时满足时，能保证出料阀或进料阀关闭。

2）时间比例控制。一些控制方案，例如，间歇精馏塔的回流和出料控制、pH控制等控制方案中，常采用控制器的时间比例输出控制开关阀的开启和关闭时间。

时间比例控制算法与一般控制器的控制算法相同，其区别是时间比例控制器将其输出转换为与时间长短有关的开关量，用于控制控制阀的开启和关闭时间，即开或关的时间长短与控制器输出成比例。

常用占空比表示控制阀开或关时间的长短，占空比定义为控制阀开启时间占总时间的比值。假设控制阀开启和关闭总时间为100s，则占空比0.5表示控制阀打开时间为50s。

根据总时间是否变化，时间比例控制分为总时间固定和总时间不固定两大类。总时间不固定的类型中又可细分为开启时间固定和关闭时间固定两类。

6.1.1节介绍了时间比例控制的程序。其输出是总时间固定，开或关时间与控制输出成比例。

3）采用两个液位开关的开关控制。采用两个液位开关的开关控制有两种控制方式。

①滞环开关控制的变形。它与滞环开关控制的区别是本控制方案的两个液位开关直接安装在液位的高限和低限，而滞环开关控制的液位开关安装在S+D和S-D，其控制效果也与滞环开关控制相似。这种控制方案只控制一个出料阀或一个进料阀。

②液位开关设置在液位高限和低限。控制策略是当液位达到液位高限时，关闭进料阀，同时打开出料阀；液位下降后，液位达到液位低限时，自动关闭出料阀，并打开进料阀。

该控制方案采用进料和出料两个开关式操纵变量。放料一次的物料量基本恒定，即

FQ=（HL-LL）×A （6-29）

式中，FQ是物料量；HL和LL是液位的高限和低限；A是计量罐截面积。因此，这种控制方式常用于计量罐的计量控制。

图6-72 开关式计量控制实施逻辑图

实施两个液位开关的开关控制时，应注意下列事项：

①采用第一种控制方式时，应合理设置安装位置，兼顾控制精度和控制阀寿命等因素，在满足控制精度的前提下，加大D，延长控制阀的使用寿命。

②采用第二种控制方式时，可采用RS功能块和非逻辑运算函数实施。图6-72是液位低于限值时液位开关触点断开的程序。

③用于计量控制时，为了满足操作的要求，常需设置手动截止阀或设置手动开关，用于切断物料的加入或流出。

④选用RS功能块或SR功能块，取决于进料阀打开和出料阀打开对过程的影响程度。两个液位开关的条件同时满足时（事故状态），如进料阀不允许打开，则应选RS功能块；如出料阀不允许打开，则选SR功能块。

4）采用一个液位开关的开关控制。采用一个液位开关的开关控制根据液位开关的位置和操纵变量的不同可分为表6-12所示的4种不同类型。它们都借助PLC的定时器来延时关闭或打开进料或出料控制阀。液位与进料阀、出料阀的时间特性如图6-73所示。

表6-12 控制方案的适用场合和控制策略(www.xing528.com)

使用该控制方案时应注意下列事项：

①整个控制过程自动进行，即根据液位高限或低限信号自动开启和停止有关控制阀。因此，为保证控制系统停止运行应设置切断开关。

②为防止物料溢出或排空，设置该控制系统时，还需设置相应信号报警控制系统，防止因液位检测元件故障造成物料溢出或排空事故发生。

③一些应用场合，例如，液位控制搅拌机运转时，液位会受到搅拌机运转影响，使液位开关信号时断时通，为此，可采用液位高于高限后延时一定时间后才起动搅拌机，同样，在液位低于低限后也延时一定时间后才停止搅拌机电动机的运转。

④液位开关在正常工况下的状态决定实施程序中的触点是常开或常闭，因此，应注意在正常工况下液位开关触点为常闭情况的处理。

图6-73 液位与进料阀、出料阀的时间特性

2.液位控制系统的实施

对新建工程，应在设计阶段根据对控制精度的要求、工艺的合理性等设计合适的控制方案，并选购PLC来满足所需功能。对已建工程，应根据已有PLC的功能和所提供的备用触点等设计合理的控制方案，当不能满足工艺控制要求时才添加或更新有关设备。

从控制精度看，连续控制的精度最高。开关控制中，滞环控制和两个液位开关的开关控制方案实施时，如能合适选择D值，也能达到较高控制精度，但要与控制阀等设备的使用寿命综合考虑。时间比例控制常用于控制精度要求较高的场合和一些特殊应用场合。两个液位开关的开关控制常用于计量控制。一个液位开关的开关控制具有简单实用的特点，能自动进行液位的控制，使物料满足工艺所需，得到广泛应用。有时，也采用多个液位开关进行液位控制，例如，在电站中，用多个液位开关控制锅炉液位，有较高控制精度。

从控制系统实施看，连续控制的控制方案所需设备较多，通常需添加模拟量输入、输出单元和PID控制单元等。滞环控制和两个液位开关控制的控制方案中，所需设备是两个液位开关或模拟量测量和转换为两个开关信号的软设备。一个液位开关控制的控制方案所需设备是一个液位开关。从控制阀看，连续控制的控制方案需要连续调节的控制阀，开关控制的控制方案只需要开关式控制阀，价格相对比较低廉。

连续控制方案应用可见控制工程有关资料，这里仅对离散控制方案进行讨论。

（1）滞环控制和计量控制的实施

1）开关量输入信号的获得。开关量输入信号可直接从液位开关获得，可用液位信号和比较器结合获得，也可从液位显示仪表的微动开关获得。

2）开关量输出信号的获得。滞环控制和计量控制中，开关量输出信号来自PLC输出。

（2）一个液位开关控制液位控制方案的实施

液位开关在超限时的触点状态影响程序中元素的常开或常闭状态。

液位高限开关、液位低限开关、进料阀（泵）和出料阀（泵）可组成4种不同的控制方案。

以高液位开关控制进料阀和低液位开关控制出料阀的程序为例说明程序设计方法。

假设液位低于限值时液位开关闭合。LSH和LSL分别是液位高于高限和低于低限的液位开关输出信号。控制进料阀打开的信号是A，控制出料阀打开的信号是B。延时时间为40s。

1）高液位开关控制进料阀。控制要求是当液位高于高限，控制系统先关闭进料阀A，当液位下降到低于高限后，延时40s，开启进料阀A。

进料阀A的起动条件是液位下降到低于高限，并延时40s，即用定时器TIM0输出T0Q，停止条件是液位高于高限。程序如图6-74a所示。

2）低液位开关控制出料阀。控制要求是当液位低于低限，控制系统先关闭出料阀B，当液位上升到高于低限后，延时40s，开启出料阀B。

图6-74 一个液位开关控制液位的程序

a）高液位开关控制进料阀 b） 低液位开关控制出料阀

出料阀B的起动条件是液位上升到高于低限，并延时40s，即用定时器TIM1输出T1Q，停止条件是液位低于低限。程序如图6-74b所示。

3.实施时的注意事项

液位控制系统的示例也适用于其他被控变量和操纵变量的控制系统，例如，采用温度开关检测恒温箱温度、用加热器的接通或断开控制恒温箱温度等。

这类控制系统实施时应注意下列事项：

1）注意开关信号在正常工况下的触点状态，例如，示例中，在液位低于低限限值时液位液位开关闭合，这表示，当该液位开关用于高限时，在液位低于高限限值时液位开关闭合。因此，同样的液位开关，在用于高限和低限信号检测和比较时，程序中的信号正好相反。

2）顺序控制系统中常开和常闭触点的处理方法如下：

①对常开触点，按常开触点的设计方法编写有关控制程序。

②将正常工况下处于常开的触点按上面设计的编程方法编写程序。

③将正常工况下处于常闭的触点按上面设计的编程方法，将相应的常开触点用常闭触点代替，相应的常闭触点用常开触点代替。

④完成整个程序的编制。

3）采用单一设备起停控制的程序设计方法需分析各设备起动和停止条件。分析正确，才能使程序正确。

4）为便于手动对有关设备进行维护，应设置有关设备的起动或停止的手动按钮，必要时，可设置紧急停车按钮等。

5）定时器延时时间的设置原则是在最大进料或出料时，保证液位不被排空或溢出。例如，高液位开关控制进料阀的应用中，定时器设定时间应小于或等于在最大出料下液位从高限到低限的时间。