噴霧式牛奶干燥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武漢理工大學(xué)《調(diào)節(jié)儀表與過(guò)程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)1噴霧式牛奶干燥控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.2噴霧干燥的過(guò)程 2噴霧式牛奶干燥控制系統(tǒng)的控制原理 3被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇 3.1被控參數(shù)的選擇 3.2控制參數(shù)的選擇 4儀表選擇及參數(shù)整定 4.1儀表的選擇 4.1.1測(cè)溫元件及變送器的選擇 4.1.2調(diào)節(jié)閥的選擇 4.1.3調(diào)節(jié)器的選擇 4.2溫度控制系統(tǒng)框圖 4.3調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 4.4方案評(píng)價(jià)及改進(jìn)方向 12 按照馬可波羅在亞洲旅行的筆記記載，蒙古人通過(guò)在陽(yáng)光下干不容置疑，當(dāng)今最重要的干燥方法是噴霧干燥，該原理可的專利，是通過(guò)霧化來(lái)改良干燥和濃縮的液態(tài)物料。盡管噴霧干燥的概念在19世紀(jì)后期就存在了，但大多數(shù)乳粉生產(chǎn)直到20世紀(jì)中葉仍采用滾筒干燥。美國(guó)在第一次世界大戰(zhàn)噴霧干燥才代替了滾筒干燥，成為最經(jīng)典的乳噴霧干燥設(shè)備在1901年首次用于奶粉工業(yè)的生產(chǎn)，在20世紀(jì)20年代才真正用于奶粉工業(yè)的生產(chǎn)，20世紀(jì)40年代末才在我國(guó)開(kāi)始使用。最早的結(jié)構(gòu)是屬于壓力箱式(臥式),物料的霧化為雙流體式，動(dòng)力消耗量大。到1958年，輕工部在黑龍江省推廣畜力小型壓力式噴霧干燥法生產(chǎn)奶粉，1955年哈爾濱松花江牛奶廠首次用離心這兩種形式的噴霧干燥設(shè)備當(dāng)時(shí)都是平底結(jié)構(gòu)，出粉是間歇式的粉一次。20世紀(jì)60年代中期，箱式壓力干燥設(shè)備出現(xiàn)了錐底帶螺旋出粉器(攪龍)的結(jié)構(gòu)形式。第一臺(tái)立式多噴頭壓力噴霧干燥設(shè)備誕生在20世紀(jì)70年代初，它的出現(xiàn)使噴霧干燥設(shè)備的有效容積縮小近一半，而且不用攪龍，連續(xù)出粉。20世紀(jì)80年代又生產(chǎn)了單噴頭的立式壓力噴霧干燥設(shè)備，它在奶粉工業(yè)中的應(yīng)用事推動(dòng)我國(guó)乳粉工業(yè)為提高牛奶液體干燥的速度，質(zhì)量，提高牛奶液體轉(zhuǎn)變 2面的水分即開(kāi)始汽化。微粒表面的溫度如低于干燥介質(zhì)的濕球溫溫度因水分蒸發(fā)而迅速下降，直至達(dá)到汽化所需熱量平衡，此時(shí)汽化，水蒸氣分壓等于水的飽和蒸汽壓，微粒表面溫度等于干燥介質(zhì)的濕球溫度(一般為50～60℃)。干燥速度取決于干燥介質(zhì)的溫度、濕度、氣流狀況。干燥介質(zhì)溫度與微粒表面濕球溫度間溫差越大、濕度越低，微粒在干燥介質(zhì)中的分散性的平衡水分。此階段的干燥時(shí)間較恒速干燥階段長(zhǎng)，為10～30s或更長(zhǎng)。 32噴霧式牛奶干燥控制系統(tǒng)的控制原理噴霧干燥器的工作原理是：用噴霧的方法將物料噴成霧滴分散在熱空氣中，物料與熱空氣呈并流、逆流或混流的方式互相接觸，使水分迅速蒸發(fā)，達(dá)到干燥目的。由于牛奶屬于膠體物質(zhì)，激烈攪拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的辦法。AB2O噴霧式牛奶干燥控制系統(tǒng)如圖2-1所示，濃縮的牛奶由高位槽流經(jīng)過(guò)濾器A或B,慮去凝結(jié)塊和其他雜質(zhì)，并從干燥器頂部由噴嘴噴下。有鼓風(fēng)機(jī)將一部分空氣送至換熱器，用蒸汽進(jìn)行加熱，并將與來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的另一部分空氣混合，經(jīng)風(fēng)管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸發(fā)掉乳液中的水分，使之成為粉狀物，并隨濕空氣一起由底部送出進(jìn)行分離。生產(chǎn)工藝對(duì)干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，水分含量不能波動(dòng)太大，因而需要對(duì)干燥溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。3被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇即被控變量，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般指被控制的設(shè)備或過(guò)程為對(duì)象，如反應(yīng)器、精餾設(shè)備的控制，或傳熱過(guò)程、燃燒過(guò)程的控制等。從定量分析和設(shè)計(jì)角度，控制對(duì)象只是被控設(shè)備或過(guò)程中影響對(duì)象輸入、輸出參數(shù)的部分因素，并不是設(shè)備的全部。 4藝，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量。所謂"關(guān)指標(biāo)控制。如果被控變量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)(溫度、壓力、流量、液位、成分等),則稱為直接指標(biāo)控制；如果工藝是按質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行操作的，照理應(yīng)以產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量進(jìn)行控制，但有時(shí)缺乏各種合適的獲取質(zhì)量信號(hào)的檢測(cè)手號(hào)很微弱或滯后很大，這時(shí)可選取與直接質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變根據(jù)生產(chǎn)工藝，水分含量與干燥溫度密切相關(guān)?？紤]到一般情精度較低，故選用間接參數(shù)，即干燥溫度為被控參數(shù)，水分與溫度一實(shí)際上，被控變量與調(diào)節(jié)變量是放在一起綜合考慮的(1)調(diào)節(jié)變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。(2)調(diào)節(jié)變量應(yīng)該是系統(tǒng)中所有輸入變量中對(duì)被控變量影響最大的一個(gè)。調(diào)節(jié)通道的放大系數(shù)K要盡量大一些，時(shí)間常數(shù)T適當(dāng)小些，滯后時(shí)間盡量小。(3)不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為調(diào)節(jié)變量，以免引起產(chǎn)量波動(dòng)。5旁路空氣流量f?(t),和加熱蒸汽流量f;(1)。選其中任意變量都可作為控制參數(shù)，均可構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。但并不是每個(gè)變量都是最優(yōu)的選擇，為此我根據(jù)圖2-1所示的系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥1,2,3的位置分別畫(huà)出了其各自的系統(tǒng)框圖，對(duì)其進(jìn)行近一步的分析一邊選取最優(yōu)的圖3-1是選擇乳液流量作為控制參數(shù)的控制系統(tǒng)，對(duì)其分析可知，乳液直接進(jìn)入干燥器，控制通道的滯后最小，對(duì)被控溫度的校正作用最靈敏，而且干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置遠(yuǎn)離被控量，所以將乳液流量作為控制參數(shù)應(yīng)該是最佳的控制方案；但是，由于乳液流量是生產(chǎn)負(fù)荷，工藝要求必須穩(wěn)定，若作為控制參數(shù)則很難滿足工藝要求。所以，將乳液流量作為控制參數(shù)的控制方案應(yīng)盡可能避免。6圖3-2是選擇旁路空氣量作為控制參數(shù)的控制系統(tǒng)，對(duì)其分析可知，旁路空氣量與熱風(fēng)量混合，經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，它與圖3-1控制方案相比，控制通道存在一定的純滯后，對(duì)干燥溫度校正作用的靈敏度雖然差一些，但可通過(guò)縮短傳輸管道的長(zhǎng)度而減小純滯后時(shí)y圖3-3是選擇蒸汽流量作為控制參數(shù)的控制系統(tǒng)，對(duì)其分析可知，蒸汽需經(jīng)過(guò)換熱器的熱交換，才能改變空氣溫度。由于換熱器的時(shí)間常數(shù)較大，而且該方案的控制通道既存在容量滯后又存在純滯后，因而對(duì)干燥溫度校正作用的靈敏度最差。根據(jù)以上分析可知，選擇旁路空氣量作為控制參數(shù)的方案比較適宜，如圖2-1所示安裝溫度測(cè)量變送器和溫度調(diào)節(jié)器。 74儀表選擇及參數(shù)整定根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，此次設(shè)計(jì)選用DDZ-Ⅲ型儀表。DDZ-Ⅲ型儀表與DDZ-ⅡI型儀表相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、采用線性集成電路。2、采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為4-20mADC,控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為1-5VDC,信號(hào)電流與電壓轉(zhuǎn)換成電阻為250歐姆。3、集中統(tǒng)一供電，由電源箱供給各單元24V直流電源，并備有蓄電池作為備用電源。4、結(jié)構(gòu)合理，功能多樣。5、可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ—Ⅲ型儀表信號(hào)制與傳輸方式如圖4-1所示。器器DDZ—Ⅲ型儀表的主要技術(shù)性能①基本誤差為±0.5%,變差不超過(guò)基本誤差允許值的二分這一；②供電電壓為24V.DC±10%,當(dāng)電源電壓在此范圍內(nèi)變化時(shí)，儀表的附加誤差不超過(guò)基本③使用環(huán)境溫度，控制室儀表為0—50℃,現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表為-40—+82℃;④使用環(huán)境濕度，控制室儀表小于85%,現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表小于95%;⑤環(huán)境振動(dòng)影響，當(dāng)振動(dòng)頻率為25Hz,控制室儀表在振幅不大于0.2-mm,現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表在 84.1.1測(cè)溫元件及變送器的選擇因被控溫度在600℃以下，熱電阻的線性特性要優(yōu)于熱電偶，而且無(wú)需進(jìn)行冷端溫度由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r,r大小與不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線(從熱電阻到中控室)也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。4.1.2調(diào)節(jié)閥的選擇9使閥門(mén)經(jīng)常工作在小開(kāi)度位置，造成調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。如果口徑選得太小，閥門(mén)完全打開(kāi)也不能滿足最大流量的需要，就難以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。 式中，α為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形狀和流體流動(dòng)狀況，可從有關(guān)手冊(cè)查閱或依據(jù)流通能力的定義，則有流通能力C與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這就是確定調(diào)節(jié)閥尺寸的理論依據(jù)，可得流通能力與流體重度、閥前后壓差和介質(zhì)流量三者的定量關(guān)系，即4.1.3調(diào)節(jié)器的選擇所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)之間的關(guān)系。根據(jù)過(guò)程特性與工藝要求，宜選用將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又能消除余差的PI控制規(guī)律。比例積分控制(PI) 由于選用調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，故Ky為負(fù)；當(dāng)給被控過(guò)程輸入的空氣量增加時(shí)，干燥器的溫度降低，故K。為負(fù)。;測(cè)量變送器的K通常為正。為使整個(gè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，則調(diào)節(jié)器的Kc應(yīng)為正，故選用反作用調(diào)節(jié)器。4.2溫度控制系統(tǒng)框圖根據(jù)上述設(shè)計(jì)控制方案，牛奶噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖4-3所示。4.3調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定對(duì)與調(diào)節(jié)起的參數(shù)整定我選擇的是臨界比例度的整定放法。臨界比例度法是一種閉環(huán)整定方法。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要測(cè)試過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性,其方法簡(jiǎn)單、使用方便，因而獲得廣泛應(yīng)用。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的任務(wù)是根據(jù)被控過(guò)程的特性，確定PID調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間T?以及微分時(shí)間Tp的大小。在簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率y=0.75～0.9為主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。另外還應(yīng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、最大動(dòng)態(tài)偏差(或超調(diào)量)和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等其它指標(biāo)。具體整定過(guò)程步驟如下：1)首先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，微分時(shí)間置零，比例度置為較大的數(shù)值2)等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)設(shè)定值施加一個(gè)階躍變化，并減小δ直到出現(xiàn)圖4-4所示的等幅振蕩曲線為止。圖4-4系統(tǒng)等幅振蕩曲線如我們假設(shè)控制對(duì)象傳遞函因調(diào)節(jié)器選用PI,則可設(shè)●根據(jù)臨界比例度法，先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T?置于最大，則Gc≈1/8=K,此時(shí)系統(tǒng)傳函數(shù)為特征方程D(S)=20S3+50S2+25S+2+10K=0其中，為滿足等幅振蕩條件，將S=JW帶入，令實(shí)部，虛部為0查表可得Kc=2.84,Tr=4.76 T?TP運(yùn)用這樣的整定方法我們就可以獲得工藝生產(chǎn)所要求的參數(shù)了，滿足過(guò)程特性和工藝