喷雾式牛奶干燥控制系统设计

武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计1喷雾式牛奶干燥控制系统简介 1.2喷雾干燥的过程 2喷雾式牛奶干燥控制系统的控制原理 3被控参数与控制参数的选择 3.1被控参数的选择 3.2控制参数的选择 4仪表选择及参数整定 4.1仪表的选择 4.1.1测温元件及变送器的选择 4.1.2调节阀的选择 4.1.3调节器的选择 4.2温度控制系统框图 4.3调节器的参数整定 4.4方案评价及改进方向 12 按照马可波罗在亚洲旅行的笔记记载，蒙古人通过在阳光下干不容置疑，当今最重要的干燥方法是喷雾干燥，该原理可的专利，是通过雾化来改良干燥和浓缩的液态物料。尽管喷雾干燥的概念在19世纪后期就存在了，但大多数乳粉生产直到20世纪中叶仍采用滚筒干燥。美国在第一次世界大战喷雾干燥才代替了滚筒干燥，成为最经典的乳喷雾干燥设备在1901年首次用于奶粉工业的生产，在20世纪20年代才真正用于奶粉工业的生产，20世纪40年代末才在我国开始使用。最早的结构是属于压力箱式(卧式),物料的雾化为双流体式，动力消耗量大。到1958年，轻工部在黑龙江省推广畜力小型压力式喷雾干燥法生产奶粉，1955年哈尔滨松花江牛奶厂首次用离心这两种形式的喷雾干燥设备当时都是平底结构，出粉是间歇式的粉一次。20世纪60年代中期，箱式压力干燥设备出现了锥底带螺旋出粉器(搅龙)的结构形式。第一台立式多喷头压力喷雾干燥设备诞生在20世纪70年代初，它的出现使喷雾干燥设备的有效容积缩小近一半，而且不用搅龙，连续出粉。20世纪80年代又生产了单喷头的立式压力喷雾干燥设备，它在奶粉工业中的应用事推动我国乳粉工业为提高牛奶液体干燥的速度，质量，提高牛奶液体转变 2面的水分即开始汽化。微粒表面的温度如低于干燥介质的湿球温温度因水分蒸发而迅速下降，直至达到汽化所需热量平衡，此时汽化，水蒸气分压等于水的饱和蒸汽压，微粒表面温度等于干燥介质的湿球温度(一般为50～60℃)。干燥速度取决于干燥介质的温度、湿度、气流状况。干燥介质温度与微粒表面湿球温度间温差越大、湿度越低，微粒在干燥介质中的分散性的平衡水分。此阶段的干燥时间较恒速干燥阶段长，为10～30s或更长。 32喷雾式牛奶干燥控制系统的控制原理喷雾干燥器的工作原理是：用喷雾的方法将物料喷成雾滴分散在热空气中，物料与热空气呈并流、逆流或混流的方式互相接触，使水分迅速蒸发，达到干燥目的。由于牛奶属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。AB2O喷雾式牛奶干燥控制系统如图2-1所示，浓缩的牛奶由高位槽流经过滤器A或B,虑去凝结块和其他杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至换热器，用蒸汽进行加热，并将与来自鼓风机的另一部分空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥温度进行严格控制。3被控参数与控制参数的选择即被控变量，在自动控制系统中，一般指被控制的设备或过程为对象，如反应器、精馏设备的控制，或传热过程、燃烧过程的控制等。从定量分析和设计角度，控制对象只是被控设备或过程中影响对象输入、输出参数的部分因素，并不是设备的全部。 4艺，找出影响生产的关键变量作为被控变量。所谓"关指标控制。如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标(温度、压力、流量、液位、成分等),则称为直接指标控制；如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量信号的检测手号很微弱或滞后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。考虑到一般情精度较低，故选用间接参数，即干燥温度为被控参数，水分与温度一实际上，被控变量与调节变量是放在一起综合考虑的(1)调节变量必须是工艺上允许调节的变量。(2)调节变量应该是系统中所有输入变量中对被控变量影响最大的一个。调节通道的放大系数K要尽量大一些，时间常数T适当小些，滞后时间尽量小。(3)不宜选择代表生产负荷的变量作为调节变量，以免引起产量波动。5旁路空气流量f₂(t),和加热蒸汽流量f;(1)。选其中任意变量都可作为控制参数，均可构成温度控制系统。但并不是每个变量都是最优的选择，为此我根据图2-1所示的系统中调节阀1,2,3的位置分别画出了其各自的系统框图，对其进行近一步的分析一边选取最优的图3-1是选择乳液流量作为控制参数的控制系统，对其分析可知，乳液直接进入干燥器，控制通道的滞后最小，对被控温度的校正作用最灵敏，而且干扰进入系统的位置远离被控量，所以将乳液流量作为控制参数应该是最佳的控制方案；但是，由于乳液流量是生产负荷，工艺要求必须稳定，若作为控制参数则很难满足工艺要求。所以，将乳液流量作为控制参数的控制方案应尽可能避免。6图3-2是选择旁路空气量作为控制参数的控制系统，对其分析可知，旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与图3-1控制方案相比，控制通道存在一定的纯滞后，对干燥温度校正作用的灵敏度虽然差一些，但可通过缩短传输管道的长度而减小纯滞后时y图3-3是选择蒸汽流量作为控制参数的控制系统，对其分析可知，蒸汽需经过换热器的热交换，才能改变空气温度。由于换热器的时间常数较大，而且该方案的控制通道既存在容量滞后又存在纯滞后，因而对干燥温度校正作用的灵敏度最差。根据以上分析可知，选择旁路空气量作为控制参数的方案比较适宜，如图2-1所示安装温度测量变送器和温度调节器。 74仪表选择及参数整定根据生产工艺要求，此次设计选用DDZ-Ⅲ型仪表。DDZ-Ⅲ型仪表与DDZ-ⅡI型仪表相比具有以下优点：1、采用线性集成电路。2、采用国际标准信号制，现场传输信号为4-20mADC,控制室联络信号为1-5VDC,信号电流与电压转换成电阻为250欧姆。3、集中统一供电，由电源箱供给各单元24V直流电源，并备有蓄电池作为备用电源。4、结构合理，功能多样。5、可构成安全火花型防爆系统。DDZ—Ⅲ型仪表信号制与传输方式如图4-1所示。器器DDZ—Ⅲ型仪表的主要技术性能①基本误差为±0.5%,变差不超过基本误差允许值的二分这一；②供电电压为24V.DC±10%,当电源电压在此范围内变化时，仪表的附加误差不超过基本③使用环境温度，控制室仪表为0—50℃,现场安装仪表为-40—+82℃;④使用环境湿度，控制室仪表小于85%,现场安装仪表小于95%;⑤环境振动影响，当振动频率为25Hz,控制室仪表在振幅不大于0.2-mm,现场安装仪表在 84.1.1测温元件及变送器的选择因被控温度在600℃以下，热电阻的线性特性要优于热电偶，而且无需进行冷端温度由于连接导线必然存在引线电阻r,r大小与不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。4.1.2调节阀的选择9使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。 式中，α为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或依据流通能力的定义，则有流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据，可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即4.1.3调节器的选择所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。根据过程特性与工艺要求，宜选用将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差的PI控制规律。比例积分控制(PI) 由于选用调节阀为气关式，故Ky为负；当给被控过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故K。为负。;测量变送器的K通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的Kc应为正，故选用反作用调节器。4.2温度控制系统框图根据上述设计控制方案，牛奶喷雾式干燥设备控制系统的系统框图如图4-3所示。4.3调节器的参数整定对与调节起的参数整定我选择的是临界比例度的整定放法。临界比例度法是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性,其方法简单、使用方便，因而获得广泛应用。调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度δ、积分时间T₁以及微分时间Tp的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率y=0.75～0.9为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差(或超调量)和过渡过程时间等其它指标。具体整定过程步骤如下：1)首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值2)等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小δ直到出现图4-4所示的等幅振荡曲线为止。图4-4系统等幅振荡曲线如我们假设控制对象传递函因调节器选用PI,则可设●根据临界比例度法，先将调节器的积分时间T₁置于最大，则Gc≈1/8=K,此时系统传函数为特征方程D(S)=20S³+50S²+25S+2+10K=0其中，为满足等幅振荡条件，将S=JW带入，令实部，虚部为0查表可得Kc=2.84,Tr=4.76 T₁TP运用这样的整定方法我们就可以获得工艺生产所要求的参数了，满足过程特性和工艺