課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)CaCo3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課題名稱(chēng) caco3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院(部) 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 月 日至 月 日共 周指導(dǎo)教師(簽字) 年 月 日目錄1caco3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介21.1噴霧干燥的過(guò)程22 caco3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)的控制原理23被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇33.1被控參數(shù)的選擇33.2控制參數(shù)的選擇44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84.1.3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114.4方案評(píng)價(jià)及改進(jìn)方向125心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)131. caco3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1噴霧干

2、燥的過(guò)程噴霧干燥包括濃縮物料微粒加熱、表面水分汽化、微粒內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散以及對(duì)干物料的加熱。干燥過(guò)程可分為以下三個(gè)階段。 預(yù)熱階段。 濃縮物料的微粒與干燥介質(zhì)接觸的瞬間，干燥過(guò)程便開(kāi)始進(jìn)行，微粒表面的水分即開(kāi)始汽化。微粒表面的溫度如低于干燥介質(zhì)的濕球溫度，則干燥介質(zhì)供給的熱量使微粒表面迅速達(dá)到濕球溫度；如微粒表面的溫度高于干燥介質(zhì)的濕球溫度，則其表面溫度因水分蒸發(fā)而迅速下降，直至達(dá)到汽化所需熱量平衡，此時(shí)預(yù)熱階段結(jié)束，干燥速度迅速增大，進(jìn)入恒速干燥階段。 恒速干燥階段。 在恒速干燥階段，微粒內(nèi)部的水分不斷向表面擴(kuò)散，表面水分不斷汽化，水蒸氣分壓等于水的飽和蒸汽壓，微粒表面溫度等于干燥介質(zhì)的濕

3、球溫度（一般為5060）。干燥速度取決于干燥介質(zhì)的溫度、濕度、氣流狀況。干燥介質(zhì)溫度與微粒表面濕球溫度間溫差越大、濕度越低，微粒在干燥介質(zhì)中的分散性越好，干燥速度越大。恒速干燥階段約0.010.04s內(nèi)完成。 降速干燥階段。 當(dāng)微粒內(nèi)部水分?jǐn)U散速度降至低于顆粒表面的蒸發(fā)速度，恒速干燥階段即告結(jié)束，降速干燥階段開(kāi)始。在降速干燥階段，物料顆粒溫度將逐步超出干燥介質(zhì)的濕球溫度，并逐步接近干燥介質(zhì)溫度，干物料的水分含量也接近或等于該干燥介質(zhì)狀態(tài)的平衡水分。此階段的干燥時(shí)間較恒速干燥階段長(zhǎng)，為1030s或更長(zhǎng)。2.caco3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)的控制原理 如圖是caco3干燥過(guò)程工藝流程示意圖。生產(chǎn)目的是將

4、濃縮的caco3溶液用熱空氣干燥成caco3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 4旁路空氣調(diào)節(jié)閥 5干燥器 6冷凝罐圖中，caco3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，caco3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caco3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。主要參數(shù)1、

5、干燥器工作溫度：280102、熱空氣入口溫度范圍：320103、熱蒸汽溫度：360154、蒸汽加熱器冷凝水溫度：15085、加壓空氣壓力：26 mpa0.5 mpa3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、精餾設(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

6、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(lèi)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），則稱(chēng)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

7、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)量水分的儀表精度較低，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)，

8、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： （l）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)caco3干燥過(guò)程控制系統(tǒng)的分析，可知影響干燥溫度的因素有濃縮的caco3溶液，旁路空氣流量，和加熱蒸汽流量。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)圖2-1所示的系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥1，2，3的位置分別畫(huà)出了其各自的系統(tǒng)框圖，對(duì)其

9、進(jìn)行近一步的分析一邊選取最優(yōu)的方案。x(t)f1(t)混合過(guò)程風(fēng)管測(cè)量變送調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥干燥器干燥器風(fēng)管換熱器干燥器f2(t)y(t)3-1 以濃縮的caco3溶液流量作控制參數(shù)的控制系統(tǒng)圖3-1是選擇濃縮的caco3溶液流量作為控制參數(shù)的控制系統(tǒng)，對(duì)其分析可知，濃縮的caco3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，所以將濃縮的caco3溶液流量作為控制參數(shù)應(yīng)該是最佳的控制方案；但是，由于濃縮的caco3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，將濃縮的caco3溶液流量作為控制參數(shù)的控制方案應(yīng)盡

10、可能避免。y(t)x(t)f1(t)測(cè)量變送干燥器干燥器風(fēng)管換熱器干燥器f3(t)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥混合過(guò)程風(fēng)管圖3-2 以旁路空氣量作控制參數(shù)的控制系統(tǒng)圖3-2是選擇旁路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。y(t)x(t)f1(t)測(cè)量變送干燥器干燥器風(fēng)管測(cè)量過(guò)程干燥器f2(t)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥換熱器風(fēng)管圖3-3 以旁路空氣量作控制參數(shù)的控制系統(tǒng)圖3-3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

11、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。根據(jù)以上分析可知，選擇旁路空氣量作為控制參數(shù)的方案比較適宜，如圖2-1所示安裝溫度測(cè)量變送器和溫度調(diào)節(jié)器。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420adc，控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為15vdc，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

12、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)。ddziii型儀表信號(hào)制與傳輸方式如圖4-1所示。 現(xiàn)場(chǎng)變送器現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行裝置24v.dc控制器r=25015v.dc420ma.dc420ma.dc現(xiàn)場(chǎng)控制室圖4-1 型儀表的信號(hào)傳輸方式ddziii型儀表的主要技術(shù)性能基本誤差為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24v.dc10%，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050，現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表為-40+82；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

13、振幅不大于0.2mm，現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表在振幅不大于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iact6。4.1.1測(cè)溫元件及變送器的選擇因被控溫度在600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

14、為測(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(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)中斷后閥門(mén)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(mén)逐漸關(guān)小的稱(chēng)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(mén)逐漸開(kāi)大稱(chēng)的為氣開(kāi)式。閥門(mén)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(mén)的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備

15、處于安全狀態(tài)。所以根據(jù)生產(chǎn)工藝安全和閥門(mén)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)流量特性的調(diào)節(jié)閥，這種閥門(mén)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(mén)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(mén)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(chēng)直徑dg和閥座直徑dg表示，它

16、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0.1mpa、流體重度為1g/cm3時(shí)，每小時(shí)通過(guò)閥門(mén)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。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： （4-1）式中，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 （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

17、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qmax，r流體重度，以及調(diào)節(jié)閥的前后壓差 ，求得最大的流通能力，然后選取大于 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(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）式中稱(chēng)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

18、于選用調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，故為負(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，故為負(fù)。；測(cè)量變送器的通常為正。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，牛奶噴霧式干燥設(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(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、積分

19、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(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，并減小直到出現(xiàn)圖4-4所示的等幅振蕩曲線為止。圖4-4系統(tǒng)等幅振蕩曲線記錄下此時(shí)的臨界比例度和等幅振蕩周期 .按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的、ti、td如我們假設(shè)控制對(duì)象傳遞函數(shù)，因調(diào)節(jié)器選用pi，則可設(shè)。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gc1/8=k，此時(shí)系統(tǒng)傳函數(shù)為 （4-5）特征方程其中，為滿足等幅振蕩條件，將s=jw帶入，令實(shí)部，虛部為0解得k=6.3即=0.16.。查表可得kc=2.84，ti=4.76表4-1 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定規(guī)律 整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律ppipid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方案評(píng)價(jià)及改進(jìn)方向本系統(tǒng)能將濃縮的caco3溶液的干燥溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并且有較快的抗干擾能力減小純滯后時(shí)間。改進(jìn)主要針對(duì)對(duì)成品溫度的控制的靈敏度的提高。 5心得體會(huì)通過(guò)這次的設(shè)計(jì)使我對(duì)過(guò)程控制中所學(xué)習(xí)到的知