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1、武汉理工大学过程控制系统与仪表课程设计目录1喷雾式牛奶干燥控制系统简介11.1喷雾干燥技术的发展11.2喷雾干燥的过程12喷雾式牛奶干燥控制系统的控制原理33被控参数与控制参数的选择33.1被控参数的选择33.2控制参数的选择44仪表选择及参数整定74.1仪表的选择74.1.1测温元件及变送器的选择84.1.2调节阀的选择84.1.3调节器的选择94.2温度控制系统框图104.3调节器的参数整定104.4方案评价及改进方向125心得体会13参考文献141喷雾式牛奶干燥控制系统简介1.1喷雾干燥技术的发展通过干燥脱去微生物生长所必需的水分来保存不同食品的方法已经使用了几个世纪。按照马可波罗在亚洲
2、旅行的笔记记载，蒙古人通过在阳光下干燥牛乳以生产奶粉。在过去的150年左右的时间里，许多干燥食品的技术发展起来了，有一些就特别适合于乳粉生产。不容置疑，当今最重要的干燥方法是喷雾干燥，该原理可追溯到一个多世纪前的一项相关的专利，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前后，Merril-Soul和Grey-Jensen将喷雾干燥的加工方法用于商业化生产，直到50年以后，喷雾干燥才代替了滚筒干燥，成为最经典的乳粉生产方法。滚筒干燥仍然用于某些特殊的乳制品生产中，并且十分广泛地应用于食品工业
3、的其它领域。 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喷雾的方法生产奶粉。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，每工作一个班次人工出粉一次。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
4、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技术进步的一个关键环节，为促进我国奶粉工业的迅速发展奠定了基础。为提高牛奶液体干燥的速度，质量，提高牛奶液体转变为成品的生产效率，需要一套稳，准， 快的控制系统，因为喷雾干燥设备有可直接由溶液或悬浮体制得成分均匀的粉状产品的特殊优点，此课程设计要完成喷雾式牛奶干燥控制系统设计。1.2喷雾干燥的过程喷雾干燥包括浓缩物料微粒加热、表面水分汽化、微粒内部水分向表面扩散以及对干物料的加热。干燥过程可分为以下三个阶段。 预热阶段。 浓缩物料的微粒与干燥介质接触的瞬间，干燥过程便开始进
5、行，微粒表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度，则干燥介质供给的热量使微粒表面迅速达到湿球温度；如微粒表面的温度高于干燥介质的湿球温度，则其表面温度因水分蒸发而迅速下降，直至达到汽化所需热量平衡，此时预热阶段结束，干燥速度迅速增大，进入恒速干燥阶段。 恒速干燥阶段。 在恒速干燥阶段，微粒内部的水分不断向表面扩散，表面水分不断汽化，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5060）。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越好，干燥速度越大。恒速干燥阶段约0.0
6、10.04s内完成。 降速干燥阶段。 当微粒内部水分扩散速度降至低于颗粒表面的蒸发速度，恒速干燥阶段即告结束，降速干燥阶段开始。在降速干燥阶段，物料颗粒温度将逐步超出干燥介质的湿球温度，并逐步接近干燥介质温度，干物料的水分含量也接近或等于该干燥介质状态的平衡水分。此阶段的干燥时间较恒速干燥阶段长，为1030s或更长。2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。图2-1喷雾式牛奶干燥控制系统
7、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 3.1被控参数的选择 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
8、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。被控参数必须有足够大的灵敏度，容易被测量。选择被控参数时，必须考虑工艺合理性。被控参数的选择是与生产工艺密切相关的，而影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动控制。所以，必须深入实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键变量作为被控变量。所谓“关键”变量，是指这样一些变量：它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制型式：直接指标控制与间接指标控制。
9、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段，或虽能检测，但信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量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。考虑到一般情况下的测量水分的仪表精度较低，故选用间接参数，即干燥温度为被控参数，水分与温度一一对应，将温度控制在一定数值上。3.2控制参数的选择在选定被控变量之后，要进一步确定控制系统的调节变量或操纵变量
10、，即控制参数。实际上，被控变量与调节变量是放在一起综合考虑的。应对工艺进行分析，找出所有影响被控参数的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。在诸多影响被控参数的因素中选择一个对被控参数影响显著且便于控制的参数，作为控制参数，其它未被选中的因素则视为系统的干扰。控制参数的选取应遵循下列原则： （l）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。经过对喷雾式牛奶干燥控制系统的分析，可知影响干燥温
11、度的因素有乳液流量，旁路空气流量，和加热蒸汽流量。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方案。x(t)f1(t)混合过程风管测量变送调节器调节阀干燥器干燥器风管换热器干燥器f2(t)y(t)3-1 以乳液流量作控制参数的控制系统图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；
12、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。y(t)x(t)f1(t)测量变送干燥器干燥器风管换热器干燥器f3(t)调节器调节阀混合过程风管图3-2 以旁路空气量作控制参数的控制系统图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间。y(t)x(t)f1(t)测量变送干燥器干燥器风管测量过程干燥器f2(t)调节器调节阀换热
13、器风管图3-3 以旁路空气量作控制参数的控制系统图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。4仪表选择及参数整定4.1仪表的选择根据生产工艺要求，此次设计选用DDZ-III型仪表。DDZ-III型仪表与DDZ-II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420ADC，控制室联络信
14、号为15VDC，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。DDZIII型仪表信号制与传输方式如图4-1所示。 现场变送器现场执行装置24V.DC控制器R=25015V.DC420mA.DC420mA.DC现场控制室图4-1 型仪表的信号传输方式DDZIII型仪表的主要技术性能基本误差为0.5%，变差不超过基本误差允许值的二分这一；供电电压为24V.DC10%，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误差允许值；使用环境温度，控制室仪表为050，现场安装仪表
15、为-40+82；使用环境湿度，控制室仪表小于85%，现场安装仪表小于95%；环境振动影响，当振动频率为25Hz，控制室仪表在振幅不大于0.2mm，现场安装仪表在振幅不大于0.5mm时，仪表的附加误差均不超过基本误差的允许值；长期运行漂移，仪表通电四小时后，连续运行七天，其附加误差不超过基本误差允许值；防爆等级可达到iaCT6。4.1.1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补偿，使用更加方便，故选用热电阻温度计。因为二线制适用于测量精度较低的场合，三线制则适用于测量精度较高的场合。由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因
