CaCo3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課題名稱CaCo3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院（部）學(xué)生姓名日至日共指導(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13CaCo3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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

2、水分向表面擴(kuò)散，以及對(duì)于物料的加熱。本次對(duì)于CaCQ的加熱屬于表面水分氣話加熱！干燥過(guò)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(guò)程工藝流程示意圖。生產(chǎn)目的是將濃縮的CaC。溶液用熱空氣干燥成CaCo粉狀產(chǎn)品。1進(jìn)料調(diào)節(jié)閥2加壓空氣調(diào)節(jié)閥3蒸汽調(diào)節(jié)閥圖中，CaCo溶液來(lái)自干燥器底部的原料管道，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

3、風(fēng)機(jī)送入熱交換器，通過(guò)蒸汽加熱。熱空氣與旁路管道直接送來(lái)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(guò)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(guò)程為對(duì)象，如反應(yīng)器、精儲(chǔ)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。被

4、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(guò)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(guò)程的關(guān)系，可分為兩種類型的控制型式：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）

5、，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)。考慮到一般情況下的測(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

6、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)。經(jīng)過(guò)對(duì)噴霧式CaCo3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，和加熱蒸汽流量f

7、3，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(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

8、控制參數(shù)的控制方案應(yīng)盡可能避免。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(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3-1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)間。根據(jù)以上分析可知選擇換熱器后的

9、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。圖3-4控制器安裝圖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(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)電流與電壓車t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?，F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行4-20mA,EC圖4-1In

10、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(guò)基本誤差允許值的二分這一；供電電壓為24VDCt10%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)基本誤差允許值；使用環(huán)境溫度，控制室儀表為0-50C,現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表為-40-+82C;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0.2-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(guò)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(guò)基本誤差允許值：防爆等級(jí)可達(dá)到iaIICT6。4.1.1 測(cè)

11、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(wú)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

12、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(lái)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(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全開(kāi)，隨著信號(hào)增大，閥門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式。反之，無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全閉，隨著信號(hào)增大，閥門逐漸開(kāi)大稱的為氣開(kāi)式。閥門氣開(kāi)氣關(guān)式的選擇原則：當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，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(guò)程特性與控制要求，宜選用對(duì)數(shù)

13、流量特性的調(diào)節(jié)閥，這種閥門在小開(kāi)度時(shí)，放大系數(shù)小，工作得緩和平穩(wěn)，在大開(kāi)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(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。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Dg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(kāi)、閥前后壓差為0.IMPa、流體重度為lg/cm3時(shí)，每小時(shí)通過(guò)閥門的流體流量（m3或kg）?？梢?jiàn)流通能力直接代表了調(diào)節(jié)閥的容量

14、。由流體力學(xué)理論可知，當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的體積流量為：qv=AoJg（pi-p2）（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；AO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)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(guò)程為根據(jù)通過(guò)調(diào)節(jié)閥的最大流量Qmaxr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

15、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(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）(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(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)

16、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。Z(s)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(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)器的比例度萬(wàn)、積分時(shí)間Ti以及微分時(shí)間TD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IV20.750.9為主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)

17、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，并減小萬(wàn)直到出現(xiàn)圖4-4所示的等幅振蕩曲線為止。即Tk,按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的仃、Ti記錄下此時(shí)的臨界比例度k和等幅振蕩周期G(s) =10如我們假設(shè)控制對(duì)象傳遞函數(shù)(s 2)(2s 1)Gm(s)=110s 1Gv(s) =11 TiS 1Gc = -i因調(diào)節(jié)器選用PI ,則可設(shè) 8 TiS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七l/8=K ,此時(shí)系

18、統(tǒng)傳函數(shù)為k(ios+i)(4-5)特征萬(wàn)程D(S)=20S3+50S2+25S+2+10K=0其中，K注為滿足等幅振蕩條件，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)調(diào)節(jié)規(guī)(5(%)T，TnPPI22張PIDL7盤0.5TkO.I3Tk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(guò)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特集成電路CD4093反應(yīng)靈敏且聲光顯示。整機(jī)元件少、功耗也低，電路圖如下所示：電路分兩部分，由A、B及R4C1組成上限報(bào)警功能。而以C、D及R5、C2勾成下限報(bào)警功能。平時(shí)RP1、RP汾別設(shè)置上限和下限兩個(gè)報(bào)警點(diǎn)，使A和C輸入端都為高電平，輸出都為低電平而使振蕩器都停振。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，熱敏電阻R1阻值減小，使A輸出高電平，B起振，壓電陶瓷片YD發(fā)出高音調(diào)的蜂鳴聲。同時(shí)，發(fā)光二極管LED底，顯示溫度過(guò)高。溫度過(guò)低時(shí)，熱敏電阻R2阻值增大使C輸出高電平，D起振，壓電片YD發(fā)出低音調(diào)的蜂鳴聲。發(fā)光二極管LED2,顯示溫度過(guò)低。由于CMOSI路靜態(tài)功耗極小，電流僅在微安級(jí)，故靜態(tài)時(shí)的電源消耗主要