CaCo3干燥過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說明書課題名稱CaCo 3干燥過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院（部）專 業(yè)班 級(jí)學(xué)生姓名月日至月日共周指導(dǎo)教師（簽字）目錄1. 噴霧干燥系統(tǒng)簡(jiǎn)介 12. 干燥控制系統(tǒng)的控制原理 13. 被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇 23.1 被控參數(shù)的選擇 23.2 控制參數(shù)的選擇 24. 儀表選擇及參數(shù)整定 64.1 儀表的選擇 64.1.1 測(cè)溫元件及變送器的選擇 74.1.2 調(diào)節(jié)閥的選擇 74.1.3 調(diào)節(jié)器的選擇 94.2 溫度控制系統(tǒng)框圖 104.3 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 104.4 上下限報(bào)警器的選擇 124.5 壓力檢測(cè)器的選擇 134.6 方案評(píng)價(jià)及改進(jìn)方向 13CaC0 3干燥過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 噴

2、霧干燥系統(tǒng)簡(jiǎn)介：噴霧干燥系統(tǒng)包括濃縮物料微粒加熱，表面水分氣化加熱，微粒內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散， 以及對(duì)于物料的加熱。本次對(duì)于CaC03的加熱屬于表面水分氣話加熱！干燥過程可以分為三個(gè)階段。預(yù)熱階段，恒速干燥階段，降速干燥階段。對(duì)于本次自動(dòng)控制的主要階段主要在恒速干 燥階段與降速干燥階段，使 CaCo溶液充分與熱蒸汽充分接觸，而且在降速干燥階段使干物 料的水分含量波動(dòng)不能太大，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的要求！2. 干燥控制系統(tǒng)的控制原理：如圖是CaCo干燥過程工藝流程示意圖。生產(chǎn)目的是將濃縮的CaCo溶液用熱空氣干燥成CaCo粉狀產(chǎn)品。4旁路空氣調(diào)節(jié)閥5 干燥器6冷凝罐圖中，CaCo溶液來自干燥器底部的原料管

3、道，在干燥器入口前與加壓空氣混合，然后 經(jīng)噴嘴以霧化形式噴干燥器內(nèi)。另一路空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入熱交換器，通過蒸汽加熱。熱空氣與旁路管道直接送來的空氣混合后，經(jīng)送風(fēng)管道進(jìn)入干燥器；在加熱空氣的作用下，CaCo溶液中的水分被蒸發(fā)，成為產(chǎn)品，并隨干燥器內(nèi)空氣一起送出。在生產(chǎn)過程中，要求干燥后 的CaCo粉含水量不能波動(dòng)太大，否則將影響產(chǎn)品質(zhì)量。系統(tǒng)中的主要干擾有：熱蒸汽壓力 （流量）、加壓空氣壓力（流量）、原料流量等。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)備或過程為對(duì)象，如反應(yīng)器、精 餾設(shè)備的控制，或傳熱過程、燃燒過程的控制等。從定量分析和設(shè)計(jì)

4、角度，控制對(duì)象只是 被控設(shè)備或過程中影響對(duì)象輸入、輸出參數(shù)的部分因素，并不是設(shè)備的全部。被控參數(shù)必須有足夠大的靈敏度，容易被測(cè)量。選擇被控參數(shù)時(shí)，必須考慮工藝合理 性。被控參數(shù)的選擇是與生產(chǎn)工藝密切相關(guān)的，而影響一個(gè)生產(chǎn)過程正常操作的因素是很 多的，但并非所有影響因素都要加以自動(dòng)控制。所以，必須深入實(shí)際，調(diào)查研究，分析工 藝，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量。所謂“關(guān)鍵”變量，是指這樣一些變量：它們 對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求的；或者人 工操作雖然可以滿足要求，但是，這種操作是既緊張而又頻繁的。根據(jù)被控變量與生產(chǎn)過程的關(guān)系，可分為兩種類型的控制型式：

5、直接指標(biāo)控制與間接 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)手段，或雖能檢測(cè)，但信 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 量，如溫度、壓力等作為間接控制指標(biāo)，進(jìn)行間接指標(biāo)控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝，水分含量與干燥溫度密切相關(guān)?？紤]到一般情況下的測(cè)量水分的儀袁 精度較低，故選用間接參數(shù)，即干燥溫度為被控參數(shù)，水分與溫度一一對(duì)應(yīng)，將溫度控制 在一定數(shù)值上。3.2 控制參數(shù)的選擇在選定被控變量之

6、后，要進(jìn)一步確定控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)變量或操縱變量，即控制參數(shù)。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。應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行分析，找出所有影響 被控參數(shù)的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。在諸多影響被控參數(shù) 的因素中選擇一個(gè)對(duì)被控參數(shù)影響顯著且便于控制的參數(shù)，作為控制參數(shù)，其它未被選中 的因素則視為系統(tǒng)的干擾?？刂茀?shù)的選取應(yīng)遵循下列原則：(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)。

7、經(jīng)過對(duì)噴霧式CaC03干燥控制系統(tǒng)的分析，可知影響干燥溫度的因素有溶液流量fl(t)，旁路空氣壓力f2 (t)，和加熱蒸汽流量f3 (t)，換熱器熱后管道空氣流量f4(t)。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)原理圖所示的系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥1，2，3, 4的位置分別畫出了其各自的系統(tǒng)框圖，對(duì)其進(jìn)行近一步的分析一邊選取最優(yōu)的方案。圖3-1選擇溶液流量作為控制參數(shù)的控制系統(tǒng)圖3-1是選擇溶液流量作為控制參數(shù)的控制系統(tǒng)，對(duì)其分析可知，溶液直接進(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， 所以將溶

8、液流量作為控制參數(shù)應(yīng)該是最佳的控制方案；但是，由于溶液流量是生產(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，將溶液流量作為控制參數(shù)的控制方案應(yīng)盡可能避免。2.冶圖3-2以蒸汽流量為控制參數(shù)的控制系統(tǒng)圖3-2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圖3-3換熱器后的空氣流量為控制參數(shù)的系統(tǒng)圖圖3-3是選擇換熱器后的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

9、-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，但可通過縮短傳輸管道的長(zhǎng)度而減小純滯后時(shí) 間。根據(jù)以上分析可知選擇換熱器后的空氣流量作為控制參數(shù)是最合適的?？刂苾x表如下圖 安裝。4.儀表選擇及參數(shù)整定4.1儀表的選擇根據(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-II型儀表相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1 、采用線性集成電路。2 、采用國際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為4-20mADG控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為I-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)

10、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。-EOmA.DC24V.T1CR=2501-5VDC4-2OmA.IC圖4-1 I n型儀表的信號(hào)傳輸方式DDZ-III 型儀表的主要技術(shù)性能 基本誤差為土 0.5%，變差不超過基本誤差允許值的二分這一； 供電電壓為 24VDC 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基本誤差允許值； 使用環(huán)境溫度，控制室儀表為0-50 C,現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表為-40-+82 C; 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% 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

11、.2- mm,現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表振幅不大于0.5mm時(shí)，儀表的附加誤差均不超過基本誤差的允許值； 長(zhǎng)期運(yùn)行漂移，儀表通電四小時(shí)后，連續(xù)運(yùn)行七天，其附加誤差不超過基本誤差允許值： 防爆等級(jí)可達(dá)到 iaIICT6 。4.1.1 測(cè)溫元件及變送器的選擇因被控溫度在600C以下，熱電阻的線性特性要優(yōu)于熱電偶，而且無需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，使用更加方便，故選用熱電阻溫度計(jì)。因?yàn)槎€制適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合，三線制則適用于測(cè)量精度較高的場(chǎng)合。 由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻 r， r 大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度的因素有關(guān)，因此二線制只 適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合。此次設(shè)計(jì)不宜用二線制法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引

12、起的測(cè)量誤差，因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是 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，造成測(cè)量誤差。采用三線 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在的橋臂及與其相鄰的橋 臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測(cè)量誤差。所以選用三線制接法。并配用溫度變送器。4.1.2 調(diào)節(jié)閥的選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在氣壓信號(hào)申斷后閥門會(huì)復(fù)位。無壓力信號(hào)時(shí)閥全開，隨著信號(hào)增大，閥 門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式。反之，無壓力信號(hào)時(shí)閥全閉，隨著信號(hào)增大，閥門逐漸開大稱 的為氣開式。閥門氣開氣關(guān)式的選擇原則：當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，

13、閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)。所以根據(jù)生產(chǎn)工藝安全和閥門選擇的原則，適宜選用氣動(dòng)氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇，保證控制品質(zhì)的重要因素之一是：保持控制系統(tǒng)的總放大倍數(shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定。所以根據(jù)過程特性與控制要求，宜選用對(duì)數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥，這種閥門在小開度時(shí)，放大系數(shù)小，工作得緩和平穩(wěn)，在大開度時(shí)，放大系數(shù)大，工作得靈敏有效。為保證工藝的正常進(jìn)行，必須合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸。如果調(diào)節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門經(jīng)常工作在小開度位置，造成調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。如果口徑選得太小，閥門完全打開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。對(duì)于調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇，調(diào)節(jié)閥的尺寸通常用公稱直徑D

14、g和閥座直徑dg表示，它們的確定是合理應(yīng)用執(zhí)行器的前提條件。確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是流通能力，它定義為調(diào)節(jié)閥全開、閥前后壓差為0. IMPa、流體重度為lg/cm 3時(shí)，每小時(shí)通過閥門的流體流量(m5或kg)?？梢娏魍芰χ苯哟砹苏{(diào)節(jié)閥的容量。由流體力學(xué)理論可知，當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥的體積流量為：qv AoJP1p2) (4-1)式中，a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)查閱或由實(shí)驗(yàn)確定；A0為調(diào)節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度：r為流體重度。依據(jù)流通能力的定義，則有C aA0 2g (4-2)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)

15、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(4-3)調(diào)節(jié)閥尺寸的確定過程為根據(jù)通過調(diào)節(jié)閥的最大流量Qmax r流體重度，以及調(diào)節(jié)閥的前盾壓差A(yù)p,求得最大的流通能力 Cmax然后選取大于 Cmax的最低級(jí)別的C值，即 可查調(diào)節(jié)閥技術(shù)手冊(cè)確定出Dg和dg的大小。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)過程特性與工藝要求，宜選用將比例與積分組合起來，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）(4-4)式中K,稱為PI調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生

16、的輸出變化之比。其階躍響應(yīng)如圖4-2所示。圖4-2比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性由于選用調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，故Kv為負(fù)：當(dāng)給被控過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K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，CaCo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。圖4-3溫度控制系統(tǒng)框圖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)試過程的動(dòng)態(tài)特性，其方法簡(jiǎn)單、使用方

17、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)被控過程的特性，確定PID調(diào)節(jié)器的比例度萬、積分時(shí)間Ti以及微分時(shí)間TD的大小。在簡(jiǎn)單過程控制系統(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IV 2 0.750.9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）和過渡過程時(shí)間等其它指標(biāo)。具體整定過程步驟如下：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，并減小萬直到出現(xiàn)圖4-4所示的等幅振蕩曲線為止。記錄下此時(shí)的臨界比例度圖4-4系統(tǒng)等幅度震蕩曲線k和等幅振蕩周期Tk,按經(jīng)驗(yàn)公

18、式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的、丁、如我們假設(shè)控制對(duì)象傳遞函數(shù)Gv(s) 1Gc因調(diào)節(jié)器選用PI，則可設(shè)1 T$ 18 TSG(s)10(s 2)(2s 1)Gm(s)110s 1根據(jù)臨界比例度法，先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Ti置于最大, 則Gc l/8=K，此時(shí)系統(tǒng)傳函數(shù)為” EGG* K(lOSf(4-5)1 + Gt-GG 20S52S25S+2+lOK32特征萬程 D(S)=20S +50S +25S+2+10K=0其中，=丟為滿足等幅振湯條件，將S=JW帶入，令實(shí)部，虛部為 o解得 K=6.3 即 =0.16 . T=2/W=5.6。查表可得 Kc=2.84 , Ti=4.76定參數(shù)說節(jié)規(guī)ST,ToP卩【0.85T tPIDL 了幾0.5Ik0.13Tk表4-1調(diào)節(jié)器參數(shù)整定規(guī)律運(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，滿足過程特性和工藝要求，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。4.4上下限報(bào)警器的選擇該溫度報(bào)警器可設(shè)定溫度的上下限，以將溫度控制在一定的范圍內(nèi)。報(bào)警器采用了一塊施密