[毕业设计精品]啤酒生产线杀菌预热区温度控制系统的设计.doc
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1、啤酒生产线杀菌预热区温度控制系统的设计1 概述我国居民对物质需求的不断增长,导致了我国现代工业生产的迅速发展。而伴随着生产过程规模的不断扩大,生产过程自动化已经成为一项庞大的系统工程,生产过程控制系统的结构日益复杂。微电子技术,数据通信技术,网络技术和计算机多媒体技术在生产过程自动化中已经得到日益广泛的应用,过程控制仪表已经向电子化,微型化,数字化和智能化的方向发展;过程控制系统从传统的仪表控制系统向计算机集散控制系统和现场总线控制系统迅速发展已经成为成为不争的事实。过程控制通常是指连续生产过程的自动控制,它是自动化技术最重要的组成部分之一,自动控制的主要任务是对生产过程的有关参数进行控制,使
2、其保持恒定或按一定规律变化,在保持产品质量和生产安全的前提下,使连续型生产过程自动的进行下去。人们要控制一个过程,必须了解过程的特性,过程特性的数学描述就称为过程的数学模型。在控制系统的分析和设计中,过程的数学模型是极为重要的基础资料。过程的特性可从稳态和动态两方面来考察,前者指的是过程在输入和输出变量达到平稳状态下的行为,后者指的是输出变量和状态变量在输入影响下的变化过程的情况。生产过程是由各个环节或工艺设备组成的。各个工艺设备之间必然存在着相互联系和相互影响,因此,在设计简单控制系统时必须要有正确的设计思想,要站在全局自动化的立场上,从整个生产过程过程出发来考虑问题,从而做到既保证连续生产
3、物料供求关系的协调,又保证产品的数量和质量;既使生产过程能充分发挥设备的潜力,又保证生产过程的安全与可靠。过程控制系统分为多种,有简单控制系统和复杂控制系统,而复杂过程控制系统又可分为:串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统和均值控制系统等几种。在本次控制系统的选择中,因为设计题目要求是:对啤酒生产线的杀菌过程中的预热区的温度控制系统进行设计,所以本着简单、实用的原则我把它设计成一个简单的单回路系统来满足题目要求。2 啤酒杀菌过程及方法简介过去的20年是我国啤酒产销量高速增长的时期,从2002年起我国成为第一大啤酒生产和销售国。随之而来的是消费者对啤酒口感的要求愈来愈高,啤酒的口感是啤酒质量
4、的一个重要标志性指标,其影响因素很多,除原料、酿酒工艺、罐装工艺以及各生产环节的卫生处理状况外,杀菌工艺也是一个非常重要的因素。杀菌工艺不仅影响到啤酒的口味,同时也影响到啤酒的保质期。因此杀菌工艺是啤酒生产过程中一道非常重要的工序。目前普遍采用的是巴氏杀菌法,它是一种利用较低的温度既可杀死病菌又能保持物品中营养物质风味不变的消毒法。巴氏消毒法是法国微生物学家巴斯德为葡萄酒消毒时发明,并以他的名字来命名的一种消毒方法。指在规定时间内以不太高的温度处理液体食品的一种加热灭菌方法。巴氏消毒的原理是在一定温度范围内,温度越低,细菌繁殖越慢;温度越高,繁殖越快。但温度太高,细菌就会死亡。不同的细菌有不同
5、的最适生长温度和耐热、耐冷能力。巴氏消毒其实就是利用病原体不是很耐热的特点,用适当的温度和保温时间处理,将其全部杀灭。但经巴氏消毒后,仍保存小部分无害或有益、较耐热的细菌或细菌芽孢。根据杀菌温度,处理时间及玻璃瓶受热冲击和压力变化的能力,瓶装啤酒杀菌过程由三个温区组成:预热区,过热及保温区,冷却区。加热手段为热蒸汽。本次课程设计主要对预热区温度控制系统进行设计,以满足生产工艺要求。啤酒杀菌流工艺程图如下:图2-1 啤酒杀菌工艺流程图3 温度控制系统介绍温度控制系统是以温度作为被控制量的反馈控制系统。在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中,温度往往是一个很重要的参量,需要准确地加以控
6、制。除了这些部门之外,温度控制系统还广泛应用于其他领域,例如啤酒的加工生产。它是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。下图为啤酒预热区温度控制系统原理图:图3-1 啤酒预热区温度控制系统原理图图3-2 温度控制系统结构图如上图所示,温度控制系统由被控对象、测量装置、调节器和执行机构等部分构成。被控对象是一个装置或一个过程,它的温度是被控制量。测量装置对被控温度进行测量,并将测量值与给定值比较,若存在偏差便由调节器对偏差信号进行处理,再输送给执行机构来增加或减少供给被控对象的热量,使被控温度调节到整定值。测量装置是温度控制系统的重要部件,包括
7、温度传感器和相应的辅助部分,如放大、变换电路等。测量装置的精度直接影响温度控制系统的精度,因此在高精度温度控制系统中必须采用高精度的温度测量装置。温度控制系统的执行机构大多采用可控热交换器。根据调节器送来的校正后的偏差信号,调节流入热交换器的热载体(液体或气体)的流量,来改变供给(或吸收)被控对想的热量,以达到调节温度的目的。在一些简单的温度控制系统中,也常采用电加热器作为执行机构,对被控对象直接加热。通过调节电压(或电流)的大小可改变供出的热量。不同的应用部门对温度控制系统品质有不同的要求,并选用不同类型的调节器。如果精度要求不高,可采用两位调节器,一般情况下多采用PID调节器。高精度温度控
8、制系统则常采用串级控制。串级控制系统由主回路和副回路两个回路构成,具有控制精度高、抗干扰能力强、响应快、动态偏差小等优点,常用于干扰强,且温度要求精确的生产过程,如化工生产中反应器的温度控制。多数温度控制系统中被控对象在进行热交换时的温度变化过程,它既是一个时间过程,也是沿空间的一个传播过程,需要用偏微分方程来描述各点温度变化的规律。因此温度控制系统本质上是一个分布参数系统。分布参数系统的分析和设计理论还很不成熟,而且往往过于复杂而难于在工程实际问题中应用。解决的途径有二:一是把温度控制系统作为时滞系统来考虑。时滞较大时采用时滞补偿调节,以保证系统的稳定性。具有时滞是多数温度控制系统的特点之一
9、。另一途径是采用分散控制方式,把分布参数的被控过程在空间上分段化,每一段过程可作为集中参数系统来控制,构成空间上分布的多站控制系统。采用分散控制常可获得较好的控制精度。4 控制系统的设计过程控制系统设计和应用的两个重要内容:控制方案的设计、选择检测变送器、选择执行机构调节阀、选择调节器和调节器整定参数值的确定等几个部分。4.1 控制系统方案选择设计和应用好一个过程控制系统,首先应全面了解被控制过程,其次根据工艺要求对系统进行研究,确定最佳的控制方案,最后,对过程控制系统进行设计,整定和投运。对于过程控制系统而言,控制方案的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容,如果控制方案设计不合理,仅凭调节
10、器参数的整定无法获得良好的控制质量;相反控制方案很好,但是调节器参数整定的不合适,也不能使系统运行在最佳状态。过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。单回路控制系统包含一个测量变送器,一个调节器,一个执行器和对象,对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。在系统分析设计和整定中,单回路系统设计方法是最基本的方法,适用于其他各类复杂控制系统的分析,设计,整定和投运。本次温度控制系统设计中啤酒温度被作为被控量,为了使系统变得简单无需设置副被控量,因此采用单回路控制系统即可实现预热区温度的控制。详细的原因将在下一节和串级系统比较中重点介绍。采用单回路控制方式来实现啤酒生产线杀菌预热区温
11、度控制的系统结构如下图:图4-1 单回路控制系统结构图调节器PID调节器执行器气动薄膜式执行器被控对象换能器被控量啤酒温度检测变送器DDZ型热电阻温度变送器4.2 系统控制过程分析温度控制系统的控制阶段主要分为:平衡阶段和抗干扰调节阶段。下面我将分别对这两个阶段进行分析。下图问系统控制图:图4-2 控制图4.2.1 系统动态平衡阶段分析系统由蒸汽给未经杀菌的啤酒传递热量使其保持预热温度。当蒸汽的量和品质不变,未杀菌的啤酒的量和品质也保持不便,则控制系统处于平衡状态,并保持此动态平衡状态,直至有新干扰发生,或人们对被预热区的出口温度T有新的要求。4.2.2 系统抗干扰调节阶段分析该温控系统干扰主
12、要来自:啤酒流量的变化、啤酒温度的变化、蒸汽源不够稳定、蒸汽温度的变化、换能器环境温度的变化。干扰产生的结果主要有:1 啤酒流量的变化:流量上升,出口温度T下降;2 啤酒温度上升,出口温度T上升;3 蒸汽压力上升导致流量的上升,出口温度T上升。无论是由于何种原因,何种干扰,只要它的作用使出口温度T有了变化,控制系统就能通过调节器来克服,使出口温度T回到原来的平衡状态。显然出口温度T只能有两种改变,一种是温度上升,还有一种是温度下降。下面我将分别对这两种变换进行分析:1 温度T上升:当外界干扰使出口温度T上升时,温度变送器的热电阻阻值增加,电流值增大,使反馈测量值Z增大,偏差E因此减小,控制器发
13、挥作用使气动执行器的开度减小,热蒸汽流量减小,使出口温度T下降。2 温度T下降:当外界干扰使出口温度T下降时,温度变送器的热电阻阻值降低,电流值减小,使反馈测量值Z减小,偏差E因此增大,控制器发挥作用使气动执行器的开度增大,热蒸汽流量增大,使出口温度T上升。4.3 单回路与串级控制系统的比较单回路反馈控制系统,又称简单控制系统,是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个调节器和一个执行器所组成的对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运,能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛,尤其适用于被
14、控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓,或者控制质量要求不太高的场合。串级控制系统的采用了两个控制器,我们将温度控制器称为主控制器,把流量控制器称为副控制器。主控制器的输出作为副控制器的设定,然后由副控制器的输出去操纵调节阀。在串级控制系统中出现了两个被控对象,即主对象(温度对象)和副对象(流量对象),所以有两个被控参数,主被控参数(温度)和副被控参数(流量)。主被控参数的信号送往主控制器,而副被控参数的信号被送往副控制器作为测量,这样就构成了两个闭合回路,即主回路(外环)和副回路(内环)。串级控制系统的特点,改善了对象特征,起了超前控制的作用;改善了对象动态特性,提高了工作频率;提高
15、了控制器总放大倍数,增强了抗干扰能力;具有一定的自适应能力,适应负荷和操作条件的变化。串级控制系统的设计原则,在选择副参数时,必须把主要干扰包含在副回路中,并力求把更多的干扰包含在副回路中;选择副参数,进行副回路的设计时,应使主、副对象的时间常数适当匹配;方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。串级控制系统的应用场合,被控对象的控制通道纯滞后时间较长,用单回路控制系统不能满足质量指标时,可采用串级控制系统;对象容量滞后比较大,用单回路控制系统不能满足质量指标时,可采用串级控制系统;控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰;被控对象具有较大的非线性,而负荷变化又较大。串级控制系统应用中的问题,主
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