蒸发器e1201系统控制方案--大学毕业论文设计.doc

蒸发器E1201系统控制方案
—2012年“西门子杯”全国大学生工业自动化挑战赛

大赛主题： 绿色与安全

沈阳建筑大学广思源队

2012年7月8日
方案设计依据、范围及相关标准

1. 设计依据
（1）2012年西门子杯全国大学生自动化挑战赛设计开发型竞赛组分赛区考题及其初赛评分细则。
（2）新一代高级多功能过程控制实训系统（SMPT-1000）说明。
（3）SIMATIC PCS7使用手册及产品目录。
2.设计范围
本设计包括基础过程控制系统（BPCS）方案设计、安全相关系统（SRS）方案设计、自控设备的选型以及仪表电源供给方案设计。
3.设计遵循的标准和规范
（1） HG/T 20636-1998 《自控专业设计管理规定》
（2） HG/T 20637-1998 《自控专业工程设计文件的编制规定》
（3） HG/T 20638-1998 《自控专业工程设计文件深度的规定》
（4） HG/T 20639-1998 《自控专业工程设计用典型图表及标准目录》
（5） HG 20505-2000 《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》
（6） HG/T 20507-2000 《自动化仪表选型设计规定》
（7） HG/T 20509-2000 《仪表供电设计规定》
（8） HG 20512-1992 《仪表配管、配线设计规定》
（9） HG/T 20519-1992 《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》
（10）HG 20556-1993 《化工厂控制室建筑设计规定》
（11）HG 20559-1993 《管道仪表流程图设计规定》
（12）GB/T 21109-2007 《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》
（13）IEC61882 《危险与可操作性分析应用指南》

序 言
针对本次西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型的被控装置——蒸发器E1201，本参赛队按照自控系统设计规范，进行了工程方案的设计。
自控工程设计常用的方法是由工艺专业提条件，自控与工艺专业一起讨论确定控制方案，确定开、停车以及紧急事故处理方案等。本次工程设计的主要任务包括：
（1） 接受工艺等专业的设计条件，提出设备、管道、电气等专业的设计条件；
（2） 负责生产装置的检测、控制、报警、联锁/停车和监控/管理计算机系统的设计；
（3） 负责检测仪表、控制系统及其辅助设备和安装材料的选型设计；
（4） 负责PLC、ESD和上位计算机（监控、管理）的系统设置、功能要求和设备选型，并参加软件的编制工作；
（5） 负责控制室、仪表车间的设计。
大赛要求以一个实用的控制工程项目为背景，大赛组委会作为甲方发布工程项目的控制需求，各参赛队伍以乙方身份，根据甲方对于安全、稳定、绿色生产的要求，完成工程方案设计，并进入现场实施工程项目。

目录
第一章 蒸发器E1201对象分析 6
1.1 蒸发器E1201对象描述 6
1.1.1 蒸发器工艺流程的描述 6
1.1.2 蒸发器E1201对象工艺过程简介 8
1.2 蒸发器控制任务描述 8
1.3 蒸发器特性分析 8
1.3.1 状态图描述 8
1.3.2 蒸发器特性分析 11
1.3.3 被控参数特性分析 12
第二章 蒸发器控制方案设计 13
2.1 总体方案设计原则 14
2.2 基础过程控制系统(BPCS) 14
2.2.1 基础过程控制系统设计原则 14
2.2.3 蒸发器温度-蒸汽流量串级控制 19
2.2.4蒸发器液位-稀液流量串级控制 21
2.2.5 蒸发器蒸发系统综合控制方案表 24
2.2.6 开车顺序控制 24
2.2.7 正常停车顺序控制 25
2.3 蒸发器控制节能减排 25
2.3.1 蒸发器开车过程中的节能 26
2.3.2 蒸发器控制方案设计中的节能减排 26
2.4 安全相关系统（SRS） 26
2.4.1 安全相关系统设计原则 26
2.4.2 安全相关系统设计步骤 27
2.4.3 蒸发器安全分析与保护层设计 28
2.4.4 安全相关系统设计 39
2.5蒸发器系统动态模型的建立 41
2.5.1基本原理 41
2.5.2模型建立 43
2.6 蒸发器仪表流程图（P&ID） 44
第三章 自控设备的选择 46
3.1 控制装置的选择 46
3.1.1 DCS/SIS选型 46
3.1.2 系统输入输出模块配置 47
3.1.3 系统软件配置 53
3.2 检测仪表和执行机构的选择 54
3.3 系统配置 56
3.3.1 系统配置图 57
3.3.2 仪表回路图 60
第四章 仪表供电系统设计 62
4.1 仪表供电要求 62
4.2仪表供电配电设计 63
4.3 系统连接 68
第五章 控制方案实施 69
5.1 通信网络实施 69
5.2 控制功能实施 69
第六章 经济效益分析 74
6.1、经济分析 74
6.1.1 生产规模预测 74
6.2项目成本、经济效益预测分析 74
6.2.1成本预测分析（2012年） 74
6.2.2经济效益预测分析（2012年） 76
6.2.3 投资利润率 76
6.2.4 投资利税率 76
6.2.5 销售净利润率 76
6.2.6 盈亏平衡分析 76

第一章 蒸发器E1201对象分析
只有在充分了解被控对象的基础上才能进行控制方案的设计，这里首先对被控装置蒸发器进行对象特性分析。
1.1 蒸发器E1201对象描述
1.1.1 蒸发器工艺流程的描述
蒸发器是通过加热，使溶液浓缩或者从溶液中析出物质的设备。蒸发器向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化，同时，提供较大空间使气液两相完全分离。它被广泛用于化工、轻工等行业。蒸发器的主要控制指标是最终产品的浓度。蒸发器主要由两个部分组成：加热室和蒸发室：其中加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室使气液两相完全分离。加热室中产生的蒸汽带有大量液沫，到了较大空间的蒸发室后，这些液体借自身凝聚或除沫器等的作用得以与蒸汽分离。通常除沫器设在蒸发室的顶部。
本次大赛所提供的蒸发器为SMPT-1000型蒸发器，其工艺流程图如图1.1所示：

图1.1 系统工艺流程图

被控对象的检测仪表说明和执行机构说明分别见表1-1和1-2：
表1-1 检测仪表说明
位号
检测点说明
单位
FI1105
过热蒸汽流量
Kg/s
FI1201
稀液流量
Kg/s
FI1202
浓缩液流量
Kg/s
FI1203
二次蒸汽流量
Kg/s
LI1201
蒸发器液位
%
TI1201
蒸发器温度
℃
PI1201
蒸发器压力
M Pa

表1-2 执行机构说明
位号

执行机构说明
FV1105

过热蒸汽管线调节阀
FV1201

蒸发器入后稀液管线调节阀
FV1202

蒸发器底部出口浓缩液管线调节阀
FV1203

蒸发器顶部出口二次蒸汽管线调节阀

1.1.2 蒸发器E1201对象工艺过程简介
蒸发器是一类有相变的换热装置，在过程工业中广泛应用于浓缩、提纯等环节。满足工艺要求的过热蒸汽由蒸发器E1201 中部通入蒸发器夹套，过热蒸汽流量为FI1105，过热蒸汽管道上设调节阀FV1105。经过换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。
待浓缩的稀液由蒸发器上部进入蒸发器，在与过热蒸汽换热后，稀液中的水分变成二次蒸汽由蒸发器顶部排出，浓缩液则由蒸发器底部排出。稀液流量为FI1201，析液流量管线设调节阀FV1201。浓缩液流量为FI1202，浓缩液流量管线设调节阀FV1202。二次蒸汽流量为FT1203，二次蒸汽流量管线设调节阀FV1203。蒸发器压力为PI1201，温度为TI1201，液位为LI1201。
1.2 蒸发器控制任务描述
针对本次控制对象的控制任务，具体分为以下三个方面：
（1）满足生产指标的考虑：在浓缩液流量稳定的前提下，保证浓缩液中组分（糖分）维持在7.4%~7.6%的波动范围之内。
所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定，并要充分考虑生产过程中可能出现的异常工况。
（2）满足节能指标的考虑：出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统的设计和实施中对过热蒸汽用量等能耗等指标予以充分考虑。
（3） 满足控制指标的要求：从生产单元冷态起，按照开车步骤实施全自动顺序控制，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。
1.3 蒸发器特性分析
1.3.1 状态图描述
为了便于对蒸发器进行对象分析，更系统、更全面的了解和掌握控制对象的特性，下面采用系统描述语言——状态图对蒸发器装置进行描述，状态图能够清楚表达系统的所有状态及其转移条件，其中图1.2给出了系统正常工作过程的状态图，图1.3给出了系统紧急停车时的状态图。并且表1-3和表1-4分别为系统工作状态列表和条件列表。

图1.2 系统正常工作状态图

图1.3 紧急停车状态图
符号
内 容
符号
内 容
0
初始状态
S1.1
打开阀FV1201
1
冷态开车
S1.2
LI1201达到80%
2
稳态工况
S1.3
设置控制器LIC1201设定值并投自动
3
正常停车
S2.1
打开阀FV1202
4
终止状态
S2.2
打开阀FV1203
5
紧急停车
S2.3
流量FI1202超过1.6kg/s
6
紧急处理
S2.4
设置控制器FIC1202设定值并投自动
S1
进料
S3.1
打开阀FV1105
S2
LI1201稳定在80%
S3.2
温度TI1201超过99℃
S3
浓缩液出口流量稳定在1.74Kg/s
S3.3
设置控制器TIC1201设定值并投自动
S4
蒸发器温度稳定在108℃
S4.1
提升负荷，调节阀FV1202
S5
蒸发器的出口流量稳定在4.63Kg/s
S4.2
流量FI1202超过4.5Kg/s
S6
关闭阀FV1202
S4.3
设置控制器FIC1202设定值并投自动
S7
关闭阀FV1105

S8
关闭阀FV1203

S9
关闭阀FV1201

表1-3 系统工作状态表

表1-4 条件列表
符号
内容
ready
所有阀门全部处于关闭状态
start
按下开车按钮
stop
按下停车按钮
a1
按下紧急停车按钮或紧急停车联锁自动启动
t1
蒸发器温度T1201超过200℃
t2
蒸发器液位高于90％

1.3.2 蒸发器特性分析
通过上述状态图描述可以知道被控对象——蒸发器是一个复杂的控制系统。其主要输入变量主要有过热蒸汽流量FI1105和稀液流量FI1201等，输出变量主要有二次蒸汽流量FI1203、冷凝水、浓缩液流量FI1202。上述输入变量和输出变量之间相互关联。如果在加入过热蒸汽后稀液流量的供给量发生变化，则输出量（二次蒸汽、冷凝水和浓缩液）都将发生变化；当输入系统一定量的稀液后，供给系统不同量的过热蒸汽，则输出量的值也按照一定的规律发生变化，因此该系统是一个多输入、多输出的复杂控制系统，且各参数之间的相互影响关系可以用符号有向图(Signed Directed Graph SDG)进行描述，如图1.4所示。

图 1.4 蒸发器SDG模型
SDG 是一种系统的定性描述方式，图中每一个圆圈代表一个参数，圆圈之间的箭头表达了参数之间的影响关系，箭头的始端代表影响变量，箭头的末端代表被影响变量。箭头为实线表明上游变量增大（减小）时，下游变量也会增大（减少）；箭头为虚线则表明上游变量增大（减小）时，下游变量减小（增大）。通过加热炉SDG 模型，可以直观地表达出各输入、输出变量以及中间变量之间的相互影响关系以及参数之间的耦合关系。
1.3.3 被控参数特性分析
蒸发器控制系统中被控对象的主要有温度、液位和流量等三个参数。不同对象参数具有不同的特性，需要采用不同的控制方法。
（1） 温度
温度对象通常是多容的。温度动态特性具有惯性大，容易受其它因素干扰，且易于变化的特点。
由于容量滞后大，有些过程的时间常数达到十几分钟。 由于温度变化滞后大，控制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分作用环节。在工业生产过程中，温度控制就是对传热过程的控制，包括对流传热、传导传热和辐射传热。温度控制的操纵变量通常是流量，如加热介质的流量、冷却介质的流量、燃料的流量等。温度控制的方法与被控对象的特点、控制精度要求等有关，其种类很多。因此，在工业生产中要实现对系统温度的准确控制常使用PID控制器进行合理控制。
（2） 流量
流量过程时间常数很小，当手动调整阀门时，流量在几秒钟内就能变化完毕，响应比较灵敏。这是由于工业过程中调节阀（执行机构）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，缓冲余地小，阀门一动作，流量立即变化，滞后时间小、响应快。
对于流量而言，广义对象的时间常数主要取决于控制器、定位器、变送器和信号传输等部分，流量自身的时间常数相对较小。
流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁地变动。这是由于管道中的流动正常时都呈现湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动。特别是流体通过截流装置时，此种骚动程度比较大，产生的噪声也较大。噪声是一种频率很高、变化无常的流体流动，因此流量控制系统不能加微分控制环节。
由于噪声频率很高，尽管噪声幅度变化不大，但若加上微分控制器，则其输出容易出现波动，反而使系统不稳定，降低系统的稳定性。因此，在工业中对流量的控制常采用PI控制器。
（3） 液位
液位特性的特点是负荷变化不大、滞后比较小、且在一定范围内允许变化。基于液位特性的这些特点，在工业生产中常选择比例控制器实现对它的控制。
观察该控制系统，影响蒸发器液位高低的主要因素是稀液的流入量、浓缩液的流出量以及冷凝水的排出量。它们的共同作用使正常工作下的系统液位保持基本不变。且容易实现对它的测量。

第二章 蒸发器控制方案设计
在充分考虑了蒸发器装置对象特性的基础上，下面对其进行控制方案的设计。
2.1 总体方案设计原则
系统控制方案设计在整个工程方案设计中占有十分重要的地位，一个控制系统的成功与否主要取决于是否有一个设计优良的控制方案。任何一种控制系统设计的目的都是为了满足生产过程中的工艺要求，从而提高产品质量和生产效率。因此，为实现此目的，设计加热炉装置的控制方案时，应遵循以下基本原则：
（1）满足要求
最大限度地满足被控对象的控制要求，这是设计该控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。进行设计前，需要深入了解被控对象，收集资料。
（2）安全可靠
保证控制系统长期运行的安全、可靠、稳定，是设计中的重要原则。为了达到这一目的，在系统方案设计、可靠性设计、设备选择、软件编程方面应进行总体规划和全面考虑。
（3）经济实用
在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、实用、维护方便。
（4）适应发展
考虑到生产发展和工艺的改进，设计的控制系统应具有适当的扩展功能。本参赛队以上述原则为基本出发点，根据蒸发器生产工艺要求，对蒸发器进行控制方案设计。控制方案主要包括两大部分：基础过程控制系统（Basic Process Control System，BPCS）的方案设计和安全相关系统（Safety Related System，SRS）的方案设计。
2.2 基础过程控制系统(BPCS)
2.2.1 基础过程控制系统设计原则
一、控制方案设计原则
控制方案的设计遵循合理性、可行性原则，即所设计的控制方案一定是经过验证可以实施的。按照这一原则，本方案以工业上常见的控制方案为参照，以单回路控制、串级控制、前馈控制、PID 控制前馈-反馈控制等为基本方案，这样可以保证方案具有较高的可实施性和工业应用价值。
二、控制阀选型原则
（1）阀门开闭形式选择原则
对于一个具体的控制系统来说，究竟选择气开阀还是气闭阀，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则进行选择：
① 首先要从生产安全出发，即当气源供气中断、控制器故障无输出或调节阀膜片破裂、漏气等而使调节阀无法正常工作，使得阀芯回复到无能源的初始状态时，应能确保生产工艺设备的安全，不致于发生事故。
② 从保证产品质量出发，当调节阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。
③ 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。
④ 从介质的特点考虑。
一般来说，根据上面介绍的几条原则，调节阀开、闭形式不难选择。不过，如遇到下面两种情况时，在调节阀开、闭形式的选择上需要加以注意。第一种情况是由于工艺要求不一，对于同一调节阀可以有两种不同的选择结果。如果出现这种情况，需要与工艺专业人员认真分析、仔细协商、分清主次、权衡利弊、慎重选择。第二种情况是某些生产工艺对调节阀开、闭形式的选择没有严格要求，调节阀的开、闭形式可以任选。
(2) 阀门流量特性选择原则
调节阀的流量特性指流过调节阀的流量与阀杆行程之间的函数关系。根据调节阀两端的压降，调节阀流量特性分固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性是调节阀两端压降恒定时的流量特性，亦称为理想流量特性。工作流量特性是在工作状态（压降变化）下调节阀的流量特性。调节阀出厂所提供的流量特性是理想流量特性。
国内常用的理想流量特性有线性、等百分比（对数）和快开等几种。图2.1 所示为调节阀的流量特性曲线，可以看出流过调节阀的流量随调节阀开度的变化曲线，其中1 为线性流量特性，2 为等百分比流量特性，3 为快开流量特性。实际应用时，由于调节阀两端的压降下降不是恒定的，因此，调节阀理想流量特性会发生畸变。所以在调节阀流量特性选择时，先选好工作流量特性，然后根据压降比S 来确定理想流量特性。

图2.1 调节阀流量特性曲线
根据控制系统稳定运行的原则，扰动或设定值变化时，控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。
选择调节阀工作流量特性的目的是通过调节阀调节机构的增益来补偿因对象增益变化而造成的开环总增益变化的影响。总开环增益K 开=KcKv1Kv2KpKm，一般已整定好的调节器增益Kc、执行机构增益Kv1和检测变送环节增益Km 不随负荷或设定值而变化。为使K 开恒定，需用调节阀增益Kv2 的变化补偿过程对象增益K p。当K p 随负荷或设定值变化时，通过选择合适的调节阀流量特性，使Kv2Kp 保持基本不变。
对于流量控制回路，被控变量与操纵变量相同，都为流量，所以流量对象K p=1。若使用流量变送器时，变送器输出与流量成正比，KM=常数，为使系统稳定，选Kv2 恒定的调节阀，即线性调节阀。若使用差压变送器而又没有加开方器时，变送器输出与压差成正比，即YM=KQ2；KM=d Y/d Q=2KQ，使KM K p 与流量Q 成正比，为补偿该非线性关系，应选择Kv2 与流量Q 的倒数成正比的调节阀流量特性，即选用快开调节阀。
由于调节阀出厂所提供的流量特性为理想流量特性，因此工作流量特性选定后，根据压降比S 来确定理想流量特性。当S>0.6 时，应选理想流量特性与所需工作流量特性相同；当S<0.3 时，应该采用特殊的低S 调节阀；当0.3<S<0.6 时，对应关系如表2-1 所示。

表2-1 0.3<S<0.6时调节阀流量特性确定
所需工作流量特性
应选理想流量特性
线性
等百分比
等百分比
等百分比
快开
线性

三、控制器正反作用选择原则
从控制原理可知，对于一个反馈控制系统，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到干扰时，其过渡将会是衰减的。反之，如果系统是正反馈，那么系统是不稳定的，一旦遇到干扰，过渡过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定地工作，必须要构成负反馈，即控制回路各个环节的符号之积为负值。在控制回路中，对象、调节阀、测量变送装置和偏差环节的符号是很容易确定的，这样就可以确定控制器的正反作用。需要注意的是，对于DCS 而言，偏差为设定值减去测量值，因为该环节的输入为测量值，当测量值减少的时候，偏差增加；当测量值增加的时候，偏差减少，因此，该环节的符号一直为负。
四、控制器规律选择原则
工业过程中常见的控制规律有开关控制、比例控制、比例-积分控制、比例-微分控制、比例-积分-微分控制等。过程工业中常见的参数有流量、液位、压力和温度，这些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，所以控制要求也是各有不同，控制规律的选择要根据具体情况而定。有一些基本原则可以在选择时加以考虑：
对于不太重要的参数，可以考虑采用比例控制，甚至采用开关控制；
对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制。但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例-微分控制；
对于比较重要的、控制精度要求比较高的参数，可采用比例-积分控制；
对于比较重要的、控制精度要求比较高、希望动态偏差小、被控对象的时间滞后较大的参数，应该采用比例-积分-微分控制或者是先进控制算法。

2.2.2 浓缩液流量单回路控制系统
浓缩液流量是生产过程中具有传播性质的参量，通过流体的流动，将生产单元有效的衔接起来。上游生产单元出料平衡，往往是下游生产单元稳定生产的保证。因此对于一些重要的流量参数，通常需要进行控制，以保证生产的平衡性。
一、控制方案
本系统的浓缩量具有一定的浓度，且其浓度的大小是由过热蒸汽和稀液在蒸发器中完成热量交换后形成的一个相对固定的值，维持在7.4%-7.6%。由于浓缩液的流量可以波动，除此之外没有其他扰动，因此选用单回路控制系统，且对浓缩液流量进行控制时，被控变量和操作变量都是浓缩液的流量。控制系统的方框图如图2.2所示：

图2.2 浓缩液流量控制方框图
其中F（s)为浓缩液控制器的设定值，为7.5%的已知浓度；E（s）为系统的偏差量；Y（s）为系统的输出，是浓缩液的浓度，用于与设定值作差进行系统的控制。
二、控制阀选型
根据阀门开闭形式的选择原则：发生故障时必须保证生产安全；降低原料、成品、动力损耗等，当发生故障的时候，为了节约保证浓缩液浓度，应该将浓缩液流量调节阀关闭，所以浓缩液出料流量调节阀门为气开阀。
根据调节阀流量特性的相关知识，选用等百分比阀。
三、 控制器正反作用选定
在浓缩液出料流量控制回路中，流量调节阀为气开阀，符号为“正”；当流量调节阀开大时，浓缩液流量会增加，所以流量对象的符号为“正”；变送器的符号为“正”；偏差环节的符号为“负”；为了保证控制系统稳定，必须保证该系统的反馈为负反馈，即该控制系统中各组成部分的符号之积为“负”，所以浓缩液流量控制器为正作用控制器。
四、 控制规律选择
流量被控对象的被控变量和操纵变量是同一物料的流量，只是处于管路的不同位置。由于时间常数很小，其控制通道基本上是一个放大系数接近于1 的放大环节。因此，广义对象特性中测量变送环节和调节阀的滞后就不能忽略，使得对象、测量变送环节及调节阀的时间常数在数量级上相同，且数值不大。此时组成的系统可控性较差，且频率较高，所以控制器的比例度必须放得大些。为了消除余差，提高系统动态性能，对流量精确控制，有必要引入积分作用，积分时间通常在0.1 分钟到数分钟之间。有时可在变送器和控制器间接入反微分器，以提高系统的控制质量。所以流量控制回路中，流量控制器的控制规律一般选用比例积分（PI）控制器。
因为生产工艺对进料流量的稳定性要求较高，为减小稳态误差，控制器应该具有积分作用，所以浓缩液出料流量控制器采用PI 控制器。

2.2.3 蒸发器温度-蒸汽流量串级控制
一、影响蒸发器温度的因素
过热蒸汽的流量波动对温度的影响。
二、控制方案
浓缩液组分是质量指标，然而，在蒸发器工程中，浓缩液组分无法在线测量和分析，因此不能直接选取质量指标作为被控变量。但是蒸发器温度的高低对于浓缩液组分有直接的影响，并且具有单值对应关系，因此可以选取蒸发器温度作为间接质量指标进行控制。由于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。在该控制系统中，蒸发器温度控制回路为串级控制系统的主回路。
对于副回路的设计应考虑一些基本原则，如：使系统的主要干扰包含在副环内，在可能的情况下应使副回路包含更多的干扰等，经过对干扰的分析得，过热蒸汽的流量对蒸发器的温度有直接的影响，因此将过热蒸汽流量控制系统作为副回路，过热蒸汽流量作为操纵变量，该串级控制系统如图2.3所示：负号

图 2.3 蒸发器温度-过热蒸汽流量控制方框图
其中T1（s）和T2（s）分别是蒸发器温度控制器的设定值和过热蒸汽流量控制器的设定值；E1(s)和E2(s)分别是主副控制器的偏差值；D1(s)和D2(s)分别是主副回路的扰动；Z1(s）和Z2(s）分别是主副回路的反馈量。
三、控制器正反作用的确定
在串级控制系统中控制器正反作用的确定采取“先副后主”的判断过程。
该串级控制系统的副回路为过热蒸汽流量控制系统。在串级控制系统中，副回路是随动控制系统，所以整个副回路的符号为“正”：温度对象以及测量变送装置的符号均为“正”，偏差环节的符号为“负”：根据整个回路必须构成负反馈的原则可以得出，主控制器为正作用控制器。
四、控制规律的选择
在串级控制系统中，副控制器不需要有微分作用，因为有微分作用时，一旦主控制器和输出稍有变化，调节阀就大幅度变化，不利于控制。副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器的输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢。而且从串级控制系统的控制要求角度看，副回路通常不要求消除余差，可不用积分，但为了让副环快速跟随主控制器输出的给定值，过热蒸汽流量采用p控制。
从控制任务上看，主回路是一个定值控制系统，主控制器起定值控制作用。由于被控变量为温度，控制通道容量滞后比较大，为了克服对象的容量滞后，应引入微分作用，同时为了使主变量无余差，主控制器必须具有积分作用。因此主控制回路采用PID控制。

五、控制阀的选择
阀门选择所考虑的原则是当信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。对于过热蒸汽流量控制回路，当发生故障时，阀门应处于关闭状态，所以应选择气开式。根据调节阀流量特性选择的相关知识，过热蒸汽流量调节阀选用等百分比阀。
六、参数整定步骤
（1）断开主回路，闭合副回路，整定流量控制器的参数，按照PID参数整定方法，整定出P参数，使流量能够满足随动系统快速、准确的要求。
（2）闭合主、副回路，保持第一步的副回路参数，根据现场实际调试的情况，调节主控制器的参数。
（3）主、副回路闭合，主回路参数不变的情况下，在调整副回路的参数。
（4）如果结果仍不满意，重复第二步和第三步。
PID参数整定列表
P控制器
将比例带放在较大位置，逐步减小，观察被控量的过渡过程曲线，直到曲线满意为止。
PI控制器
先置Ti=∞，按纯比例先整定比例带，使之达到4：1衰减过程，然后将比例带放大（10～20）%，而时间积分Ti由大到小逐渐加入，直到达到4：1的衰减过程。
PID控制器
将Td置为0，按PI控制器的方法整定PI值。然后将比例带减低到比原值小（10～20）%的位置，而Ti也适当减小，再把Td由小到大逐步加入观察曲线，直到达到满意过程为止。

2.2.4蒸发器液位-稀液流量串级控制
一、主副回路设计
在生产过程中，液位的波动会引起蒸发室温度和压力的的波动在生产过程中是不允许的。因此可对蒸发器的液位进行控制使其维持在一定的范围内。
对蒸发器液位有影响主要是稀液的进料流量和浓缩液的出口流量。稀液的进料量直接影响液位的高低，同时为了避免稀液流量的波动对液位的影响可采用蒸发器液位-稀液流量串及控制系统。如图2.4所示，为蒸发器液位-稀液流量串级控制方案。

图2.4 蒸发器液位-流量串级控制方框图
其中被控量是蒸发器的液位，操纵变量是稀液流量，执行机构是稀液调节阀FV1201。而输入量的设定值R1(s)代表的是蒸发器的液位为蒸发器总液位高度的80%；R2(s)为稀液流量控制器的设定值；E1(s)和E2(s)分别是主回路和副回路的偏差量；Z1(s)和Z2(s)分别是主回路和副回路的反馈量；D1(s)和D2(s)分别是主被控量和副被控量的扰动；Y1（s）为系统的输出量。
二、主副控制器选择
(1)主、副控制器的控制作用选择
为了让副环快速的跟随主控制器的输出给定值的同时还能让副环变量维持在一个稳定的值，所以稀液流量选择PI控制。为了让液位控制无余差且考虑到液位滞后不是很严重，所以蒸发器液位控制也采用PI控制。
(2)主、副控制器的正反作用选择
根据主副控制器正反作用选择顺序和原则，先副环再主环，使系统构成一个负反馈系统。所以稀液流量副控制器为反作用。
主控制器正反作用判别式：
（主控制器±）（副回路±）（主对象±）（主变送器±）=(﹣)
因为副环是一个随动系统，要求副变量快速的跟踪主控制器的输出变化，所以副回路可以视为“正环节”。可以确定主控制器也为反作用。

控制器正反作用确定列表
主控制器
副回路
主对象
主变送器
反馈类型
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
－
－
＋
＋
－
＋
－
＋
－
＋
＋
－
－
＋
＋
＋
－
＋
＋
－
－
＋
＋
－
＋
－
＋
－
＋
＋
－
＋
＋
－
－
＋
＋
－
＋
－
＋
＋
－
－
＋
＋
＋
＋
－
－
－
－
－
－
＋
－
－
－
＋
－
－
－
－
－
－
＋
－
－
－
－
－
＋

三、投运与参数整定
串级控制系统的投运原则：其一是投运顺序，一般都采用先投副环后投主环的投运顺序;其二是投运过程必须保证无扰动切换，以保证生产的平稳运行。
（1） 副回路的投运与参数整定
确保LTC1201置手动，断开主控制器，闭合副回路。手动调节FV1201开度，当液位接近80％时，将副回路投入自动。整定稀液流量控制器FTC1201的参数。按照PID参数整定的方法，整定出P、I的参数，是流量能够满足随动系统快速、准确的要求。
（2）主回路的投运与参数整定
系统稳态的前提下，闭合主副回路，将主回路投入自动，按照单回路系统整定方法直接整定主控制器P、I参数。

2.2.5 蒸发器蒸发系统综合控制方案表
表2-2 BPCS控制回路汇总
控制回路
被控变量
操纵变量
控制器正反作用
控制器执行规律
执行机构开闭形式
执行机构流量特性
浓缩液流量单回路控制
生成浓缩液流量
生成浓缩液流量
正
PI
气开阀
等百分比
蒸发器温度-过热蒸汽流量串级控制
蒸发器温度
过热蒸汽流量
主正，副正
主PID，副P
气开阀
等百分比
蒸发器液位-稀液流量串级控制
蒸发器液位
稀液流量
主负，副负
主PI，副PI
气开阀
等百分比
2.2.6 开车顺序控制
开车过程需要综合考虑生产安全、节能、环保等多方面因素，并且通过反复实践才能得出最优的开车步骤。结合当前的综合控制方案本蒸发器的开车顺序如图2.6所示：