喷雾干燥过程双重控制系统设计设计共29页word资料Word格式.docx
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干燥是一种古老的操作，也是高能耗的操作工艺之一，因此，在能源紧张的今天，干燥工艺是否节能越来越受到业界的关注。
高能耗除了因干燥本身需要大量的热量去蒸发水分或者其它溶剂外，大部分干燥工艺的热效率偏低也是一个重要因素。
喷雾干燥是一种已被业界广泛接受的干燥工艺，其特点是可以把初始状态为含固的液体通过特殊设计的雾化器物化后再与干燥介质接触，在短时间内完成蒸发干燥而获得干燥的产品。
但是，喷雾干燥的研究还有很多方面需要不断提高和深入。
喷雾干燥过程可分为四个阶段：
料液雾化为料液雾化为雾滴；
雾滴与空气接触（混合与流动）；
雾滴干燥（水分蒸发）；
干燥产品与空气分离。
从这四个阶段，可以了解到喷雾干燥的某些特点，现分别说明如下。
1料液雾化。
料液雾化的目的在于将料液分散为微细的雾滴，雾滴的平均直径一般为20—60Pm，因此具有很大的表面积，当其与热空气接触时，雾滴中的水分迅速汽化而干燥为粉末或颗粒状产品。
雾滴大小和均匀程度对于产品质量和技术经济指标影响很大，特别是热敏性物料的干燥尤为重要。
如果喷出的雾滴大小很不均匀，就会出现大颗粒还未达到干燥要求，小颗粒却已干燥过度而变质。
因此，使料液雾化所用的雾化器是喷雾干燥的关键部件。
2雾滴——空气接触（混合和流动）。
在干燥室内，雾滴和空气的接触有并流式、逆流式和混合流式三种。
雾滴和空气的接触方式不同，对于干燥室内的温度分布、液滴和颗粒的运动轨迹、物料在干燥室中的停留时间以及产品质量都有很大影响。
在并流系统中，最热的干燥空气和水分含量最大的雾滴接触，因而水分迅速蒸发，雾涌表面温度接近于空气的湿球温度，同时空气温度也显著降低，因此从雾滴到干燥成品的整个历程中，物料的温度不高，这对于热敏性物料的干燥是特别有利的。
这时，由于水分的迅速蒸发，液滴膨胀甚至破裂，因此并流操作时所得干燥产品常为非球形的多孔颗粒，具有较低的松密度。
对于逆流系统，在塔顶喷出的雾滴与塔底上来的较湿空气相接触，因此水分蒸发速率较并流的为侣。
在塔底最热的干燥空气与最干的颗粒相接触，因此对于能经受高温、需要含水量低和松密度较高的非热敏性物料，用逆流系统操作合适。
此外，在逆流系统中，全过程的平均温度差和分压差较大，停留时间较长，有利于传热传质，热的利用率也高。
混合流系统实际上是并流和逆流二者的结合，其性能也介于二者之间。
对于能耐高温的干物料，这种系统最为经济。
3雾滴干燥（水分蒸发）。
喷雾干燥时，物料也经历着恒速干燥和降速干燥两个阶段，这与物料在常规干燥设备中所经历的历程完全相同。
雾滴与热空气接触时，热量由空气经过雾滴表面的饱和蒸汽膜传递给雾滴，使雾滴中的水分汽化，只要雾滴内部的水分力“散列表面的量足以补充表面的水分损失，蒸发就以恒速进行，这时雾滴表面温度相当于热量’之的湿球温度，这就是恒速干燥阶段。
当雾滴内部水分向表面的扩散而不足以保持表面的润湿状态时。
也就是达到临界点以后，雾滴表面逐渐形成干壳，干壳随时间的增加而增厚，水分从液滴内部通过干壳向外扩散的速度也随之大为降低，亦即蒸发速率逐渐降低，这财物料表面温度将高于热空气的湿球温度、这一阶段就是降速干燥阶段。
4干燥产品与空气分离。
干燥的粉末或颗粒产品落到干燥室的锥体壁并滑行至锥底，通过线形阀等的排料装置排出，少量细粉随空气进入旋风分离器中进—步分离。
然后，将这两部分成品输送到另—处混合后贮入成品库中或直接送去包装成袋。
1.2确定设计方案的原则
确定设计方案，要遵循下列原则：
1、满足工艺要求。
所确定的流程和设备，必须保证产品的质量能达到规定的要求，而且质量要稳定。
这就要求各物流的流量稳定，有关的操作参数稳定。
同时设计方案要有一定的适应性，例如能适应季节的变化、原料湿含量及粒度的变化等。
因此，应考虑在适当的位置安装必要的控制调节装置和测量仪表等。
2、经济上要合理。
要节省热能和电能，尽量降低生产过程中各种物料的损耗，减少设备费和操作费，使总费用尽量降低。
3、保证生产安全，注意改善劳动条件。
处理易燃易爆或有毒物料时，要有相应的安全措施。
确定设计方案时，应采取有效措施防止环境污染。
1.3喷雾干燥过程的控制方案
1.3.1双重控制方案
双重控制系统是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。
一个被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行控制。
这类控制系统不止一个控制器，其中一个控制器输出作为另一个另一个控制器的测量信号。
系统操纵变量的选取需从操作优化的要求综合考虑。
它既要考虑工艺的合理和经济，又要考虑控制性能的快速性。
而两者又常常在一个生产过程中同时存在。
双重控制系统是综合这些操纵变量的优点，克服各自弱点进行优化控制的。
1.3.2双重控制系统的传递函数
图1-1双重控制的基本结构
Fig.1-1dualcontrolofthebasicstructure
图1-1是双重控制系统的框图。
对框图稍加变换，可画成图1-2a和b的形式。
图中
，
，分别是主、副广义对象的传递函数。
通常主对象是具有快速响应的过程。
是主控制器传递函数，
是副控制器（或阀位控制器）的传递函数。
图1-2b中
=
。
与串级控制系统相比，双重控制系统少用了一个变送器，而多用了一个控制阀。
它们都有两个控制回路，但串级控制系统两者是串联的，双重控制系统中却是并联的。
它们都有“急则治标，缓则治本”的功能，但解决的问题不同。
1.3.3系统分析
从整体看，双重控制系统仍是一个定值控制系统,由于增加了一个具有快速响应的回路，使它具有一些特殊的功能。
a）
b）
图1-2双重控制系统等效框图
Fig1-2Equivalentblockdiagramofadualcontrolsystem
（1）由于双回路的存在增加了开环零点，改善了控制品质，提高了系统的稳定性。
由图1-2b所示，假设
（1-1）
（1-2）
（1-3）
式中，
、
分别是s的
、m、
阶多项式，一般有
在开环条件下，与慢响应的单回路控制系统相比，双重控制系统的开环零点增加（
）个。
而他们的位置可由
参数的改变而得到调整，所以品质得到改善，稳定性得到提高。
（2）双重控制系统的的工作效率也能得到提高。
双重控制系统的特征方程是：
（1-4）
由上述假设可以得到
（1-5）
与两阶标准形式比较，可得
（1-6）
工作频率
（1-7）
当衰减比取相同时，有
，因此有
=
（1-8）
当控制系统正常运行时,应满足总回路增益为正，即应有
因此有
这表明，双重控制系统的工作效率提高了，且随着
值的增大而增大。
随着
的增大与
的减小而增大。
当
时，有
（1-9）
这时，衰减比一定条件下，随着快响应对象时间常数
的减小，双重控制系统的工作频率增大。
为此，双重控制系统中，常选时间常数尽量小的快响应通道来提高系统的工作频率。
（3）动静结合，快慢结合，“急则治标，缓则治本”。
这里的“快”指动态性能好，“慢”指静态性能好。
由于双回路的存在，使双重控制系统能先用主控
制的作用使
尽快回复到设定值
，保证了系统具有良好的动态响应，达到了“急则治标“的功效。
同时，在偏差减小的同时，双重控制系统又充分发挥了副控制器缓慢的调节作用，从根本上消除偏差，并使
回复到设定值
，这就使系统具有较好的静态性能。
由于双重控制系统较好的解决了动静的矛
盾，达到了操作优化的目的
图1-3双重控制系统响应曲线
Fig1-3Responsecurveofadualcontrolsystem
1.4喷雾干燥过程计算机双重控制系统方案
本毕业设计的喷雾干燥过程的双重控制系统如图1-4所示。
浆料经阀
后从喷头喷淋下来，与热风接触换热，浆料被干燥并从塔底部排出，干燥的程度由间接指标温度控制。
为了获得高精度的温度控制及尽可能节省蒸汽的消耗量，采用图示的双重控制系统，取得良好的控制效果。
图1-4喷雾干燥的双重控制系统
Fig.1-4Spray-dryingsystemofdualcontrol
喷雾干燥过程中，操纵变量的选择十分重要。
调节过程如下：
图中，
是进料量控制阀，由于它受前工序来料的影响，一般不能控制；
是旁路冷风量控制阀，它具有快速响应的特性，但经济性较差；
是蒸汽量控制阀，它具有工艺合理的优点，但动态响应慢。
该方案中，将调节
和
的优点结合起来，当温度有偏差时，先改变旁路风量，使温度快速回复到设定，同时，代表阀位的信号作为VPC的测量，直接说明蒸汽量是否合适，在VPC的调节下，蒸汽量逐渐改变，以适应热量平衡的需要，因此，扰动的响应最终通过改变载热体流量克服。
2喷雾干燥过程控制系统PLC控制的实现
2.1可编程控制器简介
2.1.1PLC的概述
可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。
与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计[2]。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
2.1.2PLC的结构
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
由图2-1所示PLC实质上是一种工业控制用的计算机。
图2-1PLC硬件系统简化框图
Fig.2-1BlockdiagramofPLCconnection
2.2PLC控制系统的设计步骤
PLC控制系统的设计步骤：
（1）根据被控对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从而确定PLC的I/O点数，包括开关量I/O、模拟量I/O以及特殊功能模块等。
充分估计被控对象和工厂今后发展的需要，所选的PLC的I/O点数应留有一定的余量。
另外，在性价比不大的情况下，尽可能选用同类型中功能强的新一代PLC。
（2）确定选用的PLC机型。
（3）建立I/O分配表，绘制PLC控制系统的输入、输出接线图。
（4）根据控制要求绘制用户程序的流程图。
（5）编制用户程序，并借助用户程序装入PLC的用户程序存储器。
（6）在实验室模拟调试用户程序。
（7）进入现场联机调试用户程序。
（8）整个系统的调试工作结束后，编制技术文件。
（9）交付使用。
2.3喷雾干燥过程计算机控制系统硬件设计
通过以上对PLC的了解和第一章所确定的控制方案，对喷雾干燥计算机控制系统进行PLC的硬件设计。
2.3.1PLC的选择
选择三菱FX2N-48MR的PLC，及其4AD和4DA模块。
2.3.2I/O的确定
（1）输入设备：
间接指标温度T的检测选用温度变送器，蒸汽和冷空气流量F的检测选用流量变送器，采用南京高华科技有限公司的MTH压力变送器。
（2）输出设备:
由温度控制器和流量控制器来控制调节阀动作，同时由报警灯来观测安全软限。
2.3.3PLC硬件连线图
图2-2PLC硬件连接图
Fig.2-2Theconnectionoftheplchardware
2.3.4PLC中数据的处理
硬件的A/D、D/A接口，实现模数转换，可编程控制器就可以方便的处理模拟量。
图说明模拟量处理的流程。
从流程中可以看出，实际上用户程序中处理的只是与模拟量成比例的数字量。
在喷雾干燥过程双重控制系统中，将温度测量值和流量测量值分别通过温度传感器和流量传感器变送成为4－20mA的模拟信号，将此模拟信号接入到模拟量输入模块中，转换成0－1000的数字量信号。
在控制器中将数字信号通过PID运算输出变成0-32767的数字量，再将此数字量转换成0-1000的数字量信号，再将数字量信号送到模拟量输出模块中，变成的模拟量信号来控制控制调节阀。
2.4喷雾干燥过程计算机控制系统软件设计
2.4.1PLC控制流程图
为了达到干燥过程间接指标温度的控制要求，通过对控制过程的分析，建立PLC控制程序的流程图。
如2-3图所示
Fig.2-3TheflowchartofPLCcontrol
2.4.2PLC梯型图设计
2.4.2.14AD/4DA的缓冲区及其初始化
4AD的主要缓冲区定义：
①#0：
通道初始化。
在BFM#0中写入十六进制四位数字HOOOO使各通道初始化。
最低位数字控制通道1，最高位控制通道4，数字的意义如下：
0代表设定输入范围-10—+10V
1代表设定输入范围+4—+20mA
2代表设定输入范围-20--+20mA
3代表关闭该通道
将BFM#0=H1111，其中：
CH1：
出口温度设定输入范围+4～+20mA
CH2：
蒸汽流量输入范围+4—+20mA
CH3：
冷空气流量输入范围+4—+20mA
CN4：
备用通道设定输入范围+4—+20mA
②#1～4：
平均采样数，缺省设定值为8
③#5～8：
A/D值
④#29：
错误状态
⑤#30：
特殊功能模块的识别码（K2019）
4-20MA的输入信号经4AD转化为0-1000的数字，则PLC所控制的输入温度、流量信号由0-1000的数字来表示。
4AD的模块初始化程序如下：
4DA的主要缓冲区定义：
①#0：
输出模式选择，写入十六进制4位数字HOOOO使各通道初始化，其中：
0代表设定输出范围-10-+10V
1代表设定输出范围+4-+20mA
2代表设定输出范围-20-+20mA
设定输出范围+4-+20mA，用来控制蒸汽流量阀
CH2设置同CH1，用来控制冷空气流量阀
CH3、CH4设置同CH1
②#1～4：
通道D/A值
③#5：
数据保持模式
④#29：
⑤#30：
特殊功能模块的识别码（K3020）
4DA的模块初始化程序为：
2.4.2.2指标温度PID控制
2.4.2.3流量PID控制
2.4.3手自动切换控制
如上图温度、流量的PID控制程序中，M50、M51实现系统的手自动切换。
当M50、M51都闭合时的时候为手动状态控制，当M50、M51都打开的时候为自动状态控制。
2.4.4程序调试
将程序在编程软件中反复调试，检查是否有语法错误，观看各步是否顺利实现，通过模拟调试，PLC控制程序初步完成，之后可以进行联机调试。
3喷雾干燥过程双重控制系统人机界面设计
3.1MCGS组态软件简介
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，可稳定运行于Windows95/98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域[5]。
MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。
MCGS组态软件由组态环境和运行环境两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
如图3-1、3-2所示：
图3-1MCGS整体结构
Fig.3-1TheintegerconfigurationofMCGS
图3-2组态的生成与运行
Fig.3-2Creatingandfunctionofconfiguration
3.2MCGS的工程构成
MCGS组态软件
工程有五大组成部分。
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
图3-3MCGS工程的构成
Fig.3-3TheconstitutesofMCGSproject
3.2.1主控窗口
主控窗口是工程的主窗口或主框架。
在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
3.2.2设备窗口
设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
3.2.3用户窗口
用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：
生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
3.2.4实时数据库
实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。
在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
3.2.5运行策略
运行测略窗口主要完成工程运行流程的控制。
包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：
数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。
3.3组建MCGS工程的一般过程
3.3.1工程项目系统分析
分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。
3.3.2工程立项搭建框架
MCGS称为建立新工程。
主要内容包括：
定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。
经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。
封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。
3.3.3设计菜单基本体系
为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。
编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。
在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。
3.3.4制作动画显示画面
动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。
前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。
后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。
3.3.5编写控制流程程序
在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。
MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。
3.3.6完善菜单按钮功能
包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；
实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；
建立工程安全机制等。
3.3.7编写程序调试工程
利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。
3.3.8连接设备驱动程序
选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。
此项操作在设备窗口内进行。
3.3.9工程完工综合测试
最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。
3.4喷雾干燥过程计算机控制系统人机界面MCGS的设计
3.4.1工程分析
通过上两章对喷雾干燥过程控制的分析和设计，整体上对工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能有了详细的了解，下面为具体的框架组成。
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