奶粉生产过程控制

目录摘要.................................................................................................................................11.绪论...........................................................................................................................21.1背景.....................................................................................................................21.2研究的主要内容...............................................................................................22.设计方案................................................................................................................32.1概述....................................................................................................................32.2系统设计思路...................................................................................................32.3系统参数选择....................................................................................................42.4控制方案设计......................................................................................................53.仪表的选型与说明............................................................................................83.1温度传感器.........................................................................................................83.2调节阀的选择.....................................................................................................93.3调节器的选择...................................................................................................103.4调节器参数整定................................................................................................134.心得体会............................................................................................................13参考资料.....................................................................................................................151摘要本文主要是从乳粉生产工艺的实际情况论述过程控制系统在乳粉生产过程控制中的喷雾干燥方面的应用。乳品生产是一个典型的轻工化的生产过程，其中喷雾干燥过程较为复杂，控制难度较大，且对乳粉成品的质量影响最大。从现有国内的乳粉干燥技术的出发，优化了控制思想，设计了该串级复杂控制系统，并对控制部分的总体设计做了详细介绍。该系统在生产实际中具有可靠的稳定度和较高的控制精度，这套系统在设计充分考虑了生产实际中的各种干扰因素，使系统获得了较强的抗干扰能力。同时考虑到实际情况，尽可能地降低控制系统的成本，使系统具有极广的通用性。关键词：乳粉过程控制温度21.绪论1.1背景喷雾干燥技术已有一百多年的发展史。自1865年喷雾干燥最早用于蛋品处理以来，这种由液态经雾化和干燥在极短时间直接变为固体粉末的过程，已经取得了长足的进步。它使许多有价值但不易保存的物料得以大大延长保质期，使一些物料便于包装、使用和运输，同时也简化了一些物料的加工工艺。喷雾干燥是把产品从混合液分离出来的技术，将原料液用雾化器分散成雾滴，并用热空气(或其它气体)与雾滴直接接触的方式而获得粉粒状产品的一种干燥过程。原料液可以是溶液、乳浊液或悬浮液，也可以是熔融液或膏状物。干燥产品可以根据需要，制成粉状、颗粒状、空心球状或团粒状。1.2研究的主要内容本课题的研究内容主要有：温度的检测；工艺流程的参数要求；仪表仪器的选择；PID控制算法的实现；PID参数对系统性能的影响；32.设计方案2.1概述本次设计是对生产奶粉的干燥温度控制系统的设计，通过对过程控制课程所学的基本理论和基本方法，来掌握过程控制系统的基本方法。该系统主要应用于乳品制造干燥过程，主要包括温度检测、电源、调节器、和调节阀等部分。系统功能介绍：系统通过温度传感器检测干燥容器的出口温度，从而根据出口温度对奶粉含水量进行控制，使产品达到质量要求。2.2系统设计思路图2.1是奶粉喷雾干燥生产工艺流程图，乳粉生产过程的浓乳液，送入喷雾干燥塔内使其雾化，同时用热风加热干燥使之制成乳粉（奶粉），乳粉的含水量直接影响了乳粉的质量。图2.1奶粉喷雾干燥生产工艺流程图477787980818283842.502.252.001.751.501.25浓度15Be温度81℃图2.2排风温度与奶粉水分的一般关系曲线奶粉中的水分不仅作为产品质量的指标，代表产品的受热程度，而且也是喷雾干燥过程中自动控制的最佳参数。但是，湿度的测量是一大难题，无法对湿度进行直接检测和监控，但其与干燥塔的排风温度间有唯一的对应关系。我们可以根据实际工作经验和理论分析，找到这种一一对应的关系（见图2.2）。奶粉水分2.3系统参数选择工艺上要求：干燥热风的进口温度保持在，128℃±5℃；出口的排风温度稳定在80℃±2℃。通用的方法是通过调节蒸汽流量来控制干燥热风的温度，以控制进口温度，稳定乳粉的含水量；同时二次干燥器上面的排风温度控制系统可以采用喷雾质量恒定，调节进风量来控制排风温度的压力式喷雾干燥系统。影响干燥器出口温度的控制变量有加热蒸汽流量[记为f1(t)]、热风进风量[记为f2(t)]；干扰变量有喷嘴乳液流量[记为f3(t)]、蒸汽温度的变化[记为排风温度浓度14.5Be温度78℃5f4(t)]。并通过调节图2.1中的调节阀1、调节阀2、调节阀3对其进行控制。选取其中任意一个控制变量，都可实现干燥器出口温度（被控参数）的控制。2.4控制方案设计干燥塔是工业生产中常用的设备之一，工艺要求出口温度为某一定值，因此常选取排风温度为被控参数，选取蒸汽量作为控制参数，构成如图2.3所示的单回路系统。而影响排风温度的因素有很多，主要有被干燥物料的流量、干燥塔内压力的波动等。图2.3系统的特点是所有对被控参数的扰动都包含在这个回路中，理论上可以有温度调节器予以克服。但是控制通道的时间常数和容量滞后都比较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力比较差，不能满足生产工艺的要求。T1CT1T排风温度干燥塔乳液奶粉蒸汽进风图2.3干燥塔单回路温度控制系统（控制排风温度）另一种控制方案是选择排风温度作为主被控参数，选取进风温度为副参数，把排风温度调节器的输出作为进风温度调节器的给定值，就构成了图2.46所示的排风温度与进风温度的串级控制系统。这样，扰动喷嘴乳液流量f3(t)对进风温度的影响主要由副调节器构成的控制回路，即副回路来克服；喷雾塔压力（进风量）对排风温度的影响由主调节器构成的主回路来消除。蒸汽TCTT排风温度乳液奶粉进风温度FCFT给定温度T0图2.4干燥塔串级系统干燥塔串级控制系统的工作过程是：当处在稳定的工况时，乳液的流量和温度不变，蒸汽的流量也不变，进风温度与排风温度均处于相对平衡的状态，调节阀保持一定的开度，此时排风温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同的扰动，分一下几种情况讨论：1.二次回路或副回路扰动——蒸汽压力的变化f4(t)扰动f4(t)先影响进风温度，于是副调节器立即发出校正信号，控制调节阀的开度，改变蒸汽流量，克服上诉扰动对进风温度的影响。如果扰动量不7大，经过副回路的及时控制一般不影响排风温度；如果扰动的幅值较大，所经过副回路的及时校正，仍影响排风温度，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上诉扰动，使排风温度调回到给定值。2.一次扰动或主回路扰动——喷嘴乳液流量f3(t)扰动f3(t)使排风温度变化时，主回路产生校正作用，克服f3(t)对排风温度的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对排风温度的影响比单回路系统时要小。串级系统与单回路控制系统相比，改善了被控过程的动态特性，提升了对二次干扰的克服能力与回路参数变化的自适应能力。下面对动态特性进行具体分析。图2.5为此串级系统的控制框图。主回路记做W’01(s)，副回路记为W’02(s)。主调节器副调节器调节阀1调节阀2排风温度给定排风温度f4(t)f3(t)副变送器主变送器图2.5干燥塔串级系统的控制框图由图可以写出𝑊𝑊′02(s)=Y2(s)X2(s)=Wc2(s)v(S)W02(s)1+Wc2(s)Wv(s)W02(s)Wm2(s)8假设𝑊𝑊02(s)=𝐾𝐾02𝑇𝑇02(𝑆𝑆)+1，副调节器传递函数Wc2(s)=K2，调节阀与副测量变送器传递函数分别为WV(s)=KV和Wm2(s)=𝐾𝐾𝑚𝑚2。经整理后可得𝑊𝑊′02(s)=𝐾𝐾′02𝑇𝑇02(𝑠𝑠)+1其中𝐾𝐾′02=𝐾𝐾𝐶𝐶2𝐾𝐾𝑉𝑉𝐾𝐾021+𝐾𝐾𝐶𝐶2𝐾𝐾𝑉𝑉𝐾𝐾02𝐾𝐾𝑚𝑚2；𝑇𝑇′02=11+𝐾𝐾𝐶𝐶2𝐾𝐾𝑉𝑉𝐾𝐾02𝐾𝐾𝑚𝑚2；将𝑊𝑊02(s)与𝑊𝑊′02(s)比较，可得�𝐾𝐾′02𝐾𝐾02𝑇𝑇′02𝑇𝑇02。上述式子表明，𝑇𝑇′02仅为𝑇𝑇02的11+𝐾𝐾𝐶𝐶2𝐾𝐾𝑉𝑉𝐾𝐾02𝐾𝐾𝑚𝑚2，而且随着Kc的增大效果更加明显。若匹配得当，副回路近似为1:1环节。这样对于主调节器来说，其等效被控过程只剩下不包括副回路的部分，容量滞后大大减小，过程的动态特性得到明显的改善，使系统的响应更快，控制更加及时，从而提高了系统的控制质量。3.仪表的选型与说明3.1温度传感器温度传感器主要有四种类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。热电阻是低温区常用的一种温度检测器。它的主要特点就是测量精度高，性能稳定，典型的由铜热电阻、铂热电阻等。其中铂热电阻的测