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1、喷雾干燥过程双重控制系统设计喷雾干燥过程双重控制系统设计前 言 本毕业设计（计算机双重控制系统上位机程序设计，Computer Dual Control System and Computer Programming） 为喷雾干燥过程的双重控制系统。浆料从喷头喷淋下来，与热风接触换热，浆料被干燥并从干燥塔底部排出，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，采用双重控制系统，可以取得良好的控制效果。本计算机双重控制系统设计主要包含四部分：第一部分是干燥过程计算机控制方案的确定，主要包括：干燥过程的工艺流程、控制要求及扰动分析、双重控制方案的分析、控制方案具体
2、的设计过程。第二部分是干燥过程控制系统PLC控制的实现，主要包括：可编程控制器简介、PLC的特点及作用、PLC控制系统工程设计的方法和步骤以及计算机PLC控制系统的硬件设计步骤和注意问题、软件设计流程图和梯形图设计。第三部分是计算机双重控制系统上位机人机界面的设计（在实验室中进行模拟实验，以液位为控制变量，变频器和电动阀作为操作变量进行双重控制实验）主要包括：组态软件MCGS的简介、MCGS工程的构成、组建MCGS工程的一般过程以及双重控制中人机界面MCGS的具体应用、设计步骤。第四部分是计算机双重控制系统的调试，主要包括：计算机与PLC之间的通讯、PLC程序的写入和在线调试及修改和完善、MC
3、GS与PLC的连通和调试以及整个系统的实验仿真。计算机双重控制系统，具有友好的人机界面，方便直观的实现了对指标温度的监控和操作。控制效果具有良好的稳定性和准确性，为方便对系统的调节，控制系统有手动和自动两种模式，并且之间的切换是无扰动的。在实验室THSA实验平台及液位装置上进行模拟仿真，通过对程序的在线调试和系统结果的分析，喷雾干燥过程计算机双重控制系统达到了设计的要求，并且体现了良好的控制性能。1 喷雾干燥过程计算机双重控制系统控制方案的确定1.1 喷雾干燥过程的工艺流程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
4、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2060Pm，因此具有很大的表面
5、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
6、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。
7、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
8、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
9、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
10、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主控制器主控制阀副控制器副控制阀对象变送器y图1-1双重控制的基本结构Fig.1-1 dual control of the basic structure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
11、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Fig1-2 Equivalent block diagram of a dual control system（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
12、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
13、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Fig1-3 Response curve of a dual control system1.4 喷雾干燥过程计算机双重控
14、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。TCVPC干燥塔进料V1V2V3蒸汽空气10%图1-4喷雾干燥的双重控制系统Fig.1-4 Spray-drying system of dual control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
