毕业设计（论文）-牛奶喷雾干燥控制系统设计.doc

毕毕业业设设计计说说明明书书 题目题目：牛奶喷雾干燥控制系统设计牛奶喷雾干燥控制系统设计 姓姓名名： 学学号号： 指导教师指导教师： 专业年级专业年级：自动化自动化 2013 级级 所在学院和系所在学院和系：化工学院化工机械系化工学院化工机械系 完成日期完成日期：2017 年年 06 月月 01 日日 答辩日期答辩日期：2017 年年 06 月月 02 日日 牛奶喷雾干燥控制系统 摘 要 随着人口的急剧增长，新生儿的出生率越来越高，新生儿的奶粉销量也大大增长。由于奶粉较 乳液更容易储存和运送，在我国的奶制品生产的总产量中，有约 80%的产量是奶粉的生产。喷雾干 燥设备有可直接由溶液或浓缩乳液制得颗粒大小或接近粉状的产品，且粉末性质能得到保障，干燥 范围广，又能实现自动化生产，所以是奶粉生产普遍运用的方法。因此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、快的喷雾干燥控制系统，最终设计 选用模糊控制来增强系统的稳定性及快速性。 考虑到在线测量装置的经济性和必要性，选择以旁路空气流量作为调节变量，旁路空气经与热 空气混合后，再通过通风管道进入干燥机的控制方法，使出口温度稳定在一定范围内。整套喷雾干 燥控制装置主要有：牛奶喷雾装置，空气加热装置，干燥装置，温度控制装置等组成。 关键词：喷雾干燥，奶粉，温度控制，干燥塔 DESIGN OF MILK SPRAY DRYING CONTROL SYSTEM Abstract With the rapid growth of the population, the birth rate of newborns is getting higher and higher, the sales of newborn milk powder is also greatly increased in Chinas dairy production, milk production accounts for about 50% of the total dairy production, Milk powder for storage and transportation. Spray drying equipment can be directly from the solution or suspension of ingredients made of uniform powder products, and the nature of the powder is guaranteed, a wide range of drying, but also to achieve automated production, it is commonly used in milk powder production methods. Therefore, in order to improve the speed of milk liquid drying, quality, improve the milk liquid into the finished product production efficiency, the need for a stable, quasi-fast spray drying control system. Taking into account the economics and necessity of the on-line measuring device, the bypass air flow is selected as the adjustment variable, the bypass air is mixed with the hot air and then passed through the ventilation pipe into the control method of the dryer so that the outlet temperature is stabilized within a certain range Inside. The whole set of spray drying control devices are: milk spray device, air heating device, drying device, temperature control device and so on. Key words: Spray dry, Milk powder, Temperature control, Drying tower 目录 1绪 论.1 1.1 引言 .1 1.2 牛奶喷雾干燥控制系统的背景 .1 1.3 牛奶喷雾干燥控制系统的国内外发展概况 .1 1.4 牛奶喷雾干燥控制系统的研究意义 .2 2系统整体方案设计.3 2.1 系统方案选择 .3 2.2 系统基本结构 .5 2.2.1 送风模块与加热模块.6 2.2.2 干燥模块.6 2.3 系统工作原理 .7 3模糊控制算法设计.9 3.1 模糊控制原理 .9 3.2 喷雾干燥控制系统仿真 .9 3.2.1 干燥系统传递函数建立 .9 3.2.2 传统 PID 控制模型建立.10 3.2.3 模糊控制模型建立.11 4硬件设计.15 4.1 系统硬件基本组成.15 4.1.1 PLC 硬件选型 .15 4.1.2 测温元件及变送器的选用.19 4.1.3 过程检测控制仪表的选用.20 4.1.4 调节阀的选用.21 4.1.5 继电器选型.22 5软件设计.24 5.1 控制器程序设计 .24 5.2 调节函数设定 .25 5.3 PLC 梯形图.25 6抗干扰设计.30 6.1 干扰来源及成因 .30 6.2 抑制干扰方法 .30 结 论.32 参考文献.35 致 谢.37 附录 1 仿真图 .39 1.绪论 青海大学化工机械系 1 1绪 论 1.1 引言 随着我国二胎政策的开放，我国新生儿的出生率越来越高，婴幼儿的奶粉的需求也大大增加， 奶粉生产效率将需要进一步提高，衍生的品种也将越来越丰富，以满足不同人群的营养所需。 在我国所有奶制品的生产中，由于奶粉更容易储存和运输的原因，有 80%的产量是奶粉的产量， 而喷雾干燥设备可直接由溶液或悬浮液制得成分均匀的粉状产品，且粉末性质得到保障、干燥范围 广，又能实现自动化生产，所以是奶粉生产普遍运用的方法。奶粉的生产设备及控制系统由生产工 艺决定，但先进的设备和控制系统又可改变奶粉的生产工艺。喷雾干燥需要消耗大量的能量，且由 于奶粉质量要求非常高，产品的湿含量波必须稳定在很小的范围内，干燥温度需要严格控制，因此 干燥设备的选型及控制系统的设计将直接影响产品的质量1。 1.2 牛奶喷雾干燥控制系统的背景 在越来越注重生活质量和物质享受的现代，母乳喂养的婴幼儿已经越来越少，特别是在城市中， 家庭主妇越来越少，很多母亲都是有自己的工作，而婴幼儿一天需要进食 6 次，以致很多母亲无法 随时在自己孩子的身边喂养，而奶粉的便携性和随用随冲，让很多家庭都选择用奶粉来代替母乳喂 养。近年随着我国二胎政策的开放，新生儿的出生率大大增加，奶粉的需求量也大大提高，婴幼儿 作为奶粉使用最多的一类群体。一方面，婴幼儿由于本身代谢系统尚未完全发育，不能食用五谷杂 粮，只能通过食用流性食品来补充身体所需的各种营养；另一方面，婴幼儿处于身体和智力发育最 为迅速也是身体最为脆弱的时候，且在这一关键时期营养摄入的数量和质量将对其以后的人生形成 重大影响。据中国国家统计局 2017 年 1 月 20 日公布的数据显示，中国 2016 年全年新增人口 1786 万人，比 2015 年多 131 万人。新生儿的奶粉销量也大大增加，每个新生儿每年大约需要 43.5 千克 的奶粉，中国每年只新生儿的奶粉量就达 77691000 千克，也就是 77691 吨，而这数据仅仅是新生 儿一年的奶粉量。奶粉主要是由牛奶干燥制得，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，喷雾干燥设备可直接由溶液或悬浮液制 得成分均匀的粉状产品，且粉末性质得到保障、干燥范围广，又能实现自动化生产，所以是奶粉生 产普遍运用的方法2。 1.3 牛奶喷雾干燥控制系统的国内外发展概况 喷雾干燥机在 1901 年被首次应用于奶粉工业的生产，在 1920 年才真正用于奶粉工业的生产， 1940 年以后才被我国引进投入使用。喷雾干燥机最初的结构形式是压力箱式(卧式)，物料的雾化为 双流体式，能量需求量大。到 1958 年，我国的轻工部在东北推广畜力小型压力式喷雾干燥法生产 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 2 青海大学化工机械系 奶粉，1955 年哈尔滨松花江牛奶厂首先用离心喷雾的方法生产出奶粉。这两种喷雾干燥机当时的 结构都是平底的，奶粉生产是间歇式的，每工作一个周期需人工出粉一次。 1965 年箱式压力干燥设备有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 雾干燥机于 1970 年研发成功，它的诞生减小了喷雾干燥机的有效容积的一半左右，而且可以取消 螺旋出粉器，能够不间断出粉。而促进我国奶粉产业技术进步的一个关键环节是 1980 年研发的单 喷头的立式压力喷雾干燥机应用于奶粉生产，为推动我国奶粉生产的快速发展奠定了基础3。 1.4 牛奶喷雾干燥控制系统的研究意义 在各种干燥方法中，应用最广的技术之一就是喷雾干燥，它能够将液体直接干燥为粉体，有效 提高牛奶乳液干燥的速度，质量，提高牛奶液体转变为成品的生产效率，喷雾干燥方法有如下优点： 首先，干燥的范围广，尤其是对热敏感性液体的干燥；其次，干燥过程是机器操作不间断进行的且 便于操控的，可以进行自动化操控，大大提高工作效率；最后，只要控制住干燥条件保持不变，经 过干燥后的奶粉基本性质就不会发生任何异变。随着技术的发展及改进，生产的奶粉将不再局限于 一种，可以生产包括脱脂、全脂、高脂乳粉，乳清粉，蛋白浓缩乳等其他衍生产品，随着超滤和酶 法水解的发展，也将会生产出更多样性的衍生产品4。 2.系统整体方案设计 青海大学化工机械系 3 2系统整体方案设计 2.1 系统方案选择 无论是调节变量还是被控变量的选择都需要遵循一定的规则，即都需要尽量容易被系统检测。 在挑选被控变量时，除了满足检测要求外，必须与工艺紧密结合，选择最适合的变量。控制方式根 据系统的不同大体分为两种，一种是产品质量这类不能直接检测或检测起来复杂且延迟性很高的工 艺指标，需要通过检测其他变量来体现工艺指标，这种控制方式为间接控制；另一种本身就是工艺 要求的检测指标，这种控制方式简单直接称为直接控制。奶粉的生产需要检测奶粉质量，即检测奶 粉中的水含量，难度很大，且延迟高，只能通过检测与之有紧密关系的其他变量来确定质量，因此 奶粉生产就属于间接控制。 一般奶粉的生产要保证奶粉的质量，这就需要将奶粉的干燥度控制在一定的范围内。因为水含 量的检测不仅工艺复杂，且所需时间较长，不能实时进行控制，而出口温度又直接影响奶粉的水含 量，因此工艺选择对出口温度进行控制，即被控变量选用出口温度，只要将出口温度稳定在一定的 范围内，就可以保证产品的质量。 喷雾干燥包括浓缩乳液雾滴热交换、表面水分蒸发、雾滴的水分由内向外扩散以及对干物料的 热交换。干燥过程有以下三个过程： 1、预热过程。 浓缩乳液的雾滴与热空气接触的瞬间，干燥过程便开始进行，雾滴表面的水分 即开始汽化蒸发。雾滴外面的温度如比热空气的湿球温度低，则热空气提供的热量使雾滴外部迅速 达到湿球温度；如雾滴外部的温度比热空气的湿球温度高，由于水分蒸发带走大量的热量导致雾滴 外部温度急剧降低，当达到热量平衡后，表示此过程结束，干燥进入下一阶段。 2、恒速干燥过程。 在恒速干燥过程，雾滴里面的水分不断向外部渗透，外部水分不断汽化蒸 发，水蒸气分压与水的饱和蒸汽压相一致，雾滴外部温度与热空气的温度达到平衡，不再进行热交 换。热空气的各种指标直接影响干燥速度。雾滴越分散接触面积越大，干燥速度也就越快，同时， 若雾滴与热空气的温差越大，热交换越剧烈，干燥也会加快。这一阶段时间一般很短，根据设备工 艺的不同也将造成时间的差异。 3、降速干燥过程。 当雾滴里面水分渗透速度降比外部的蒸发速度慢时，恒速干燥过程宣告完 成，降速干燥过程开始。在降速干燥过程，乳液雾滴温度将慢慢比热空气的湿球温度高，并慢慢与 热空气温度相同，干物料的水分含量也与热空气的平衡水分相近或相等。此过程的干燥时间长于恒 速干燥过程，为 1030s 或更久5。 喷雾干燥器的工作原理是乳液通过干燥塔顶部的喷头分散成雾滴，与来自下方的热空气接触， 因两者温度差别很大，会发生热交换，雾滴中的水分受热蒸发，雾滴中的水分因此迅速散失，从而 达到干燥的目的。 牛奶喷雾干燥控制系统装置主要是通过对干燥塔出口温度进行检测并根据这些数据对干燥塔内 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 4 青海大学化工机械系 的干燥状况进行实时控制。温度检测主要是通过温度传感器来实现，而对干燥过程的控制可以通过 以下几种方案来实现6。 方案一：干燥塔的热量是由换热器热交换加热后的空气获得，通过控制热空气的流量 X(t)来控 制温度，热空气在与旁路空气 f2(t)混合后进入干燥塔，与乳液流量 f1(t)喷雾的雾滴接触若调节变量 为热空气流量，调节通道长，容量滞后严重，灵敏度差，热空气流量的调节位置与干扰位置太近。 图 2.1 调节参数为热空气流量时的系统 方案二：喷雾干燥的原料是浓缩牛奶，将乳液流量当作调节变量 X(t)，乳液通过过滤器进入干 燥塔，与旁路空气 f2(t)和加热的空气 f3(t)混合后的空气接触，此方法滞后非常小，对干燥温度的校 正作用明显，且干扰地点与调节阀距离很短，适合当作调节变量，但乳液流量是工艺负荷，要追求 质量需要保持稳定。 图 2.2 调节变量为物料流量时的系统 2.系统整体方案设计 青海大学化工机械系 5 方案三：将旁路空气流量当作调节变量 X(t)，旁路空气与加热空气 f3(t)混合后，再通过风管进 入干燥塔内，与上方的乳液雾滴 f1(t)接触，将旁路空气流量当作调节变量的方法，滞后比方案一低， 比方案二高，灵敏度较高，基本满足系统需求。 图 2.3 调节参数为旁路空气流量的系统 控制参数的选取应遵循下列原则： （l）调节变量不可以是工艺上生产负荷。 （2）调节变量的变化会引起系统被控变量的剧烈变化，而不影响其他变量且滞后要尽量的小。 （3）调节变量需要是系统能够调节的变量，不能选择确定量为调节变量。 考虑到测量装置的经济性和原则性，乳液流量是工艺负荷，而热空气流量滞后严重，灵敏度太 低，因此选用将旁路空气流量作为调节变量的方案三最合适。要求系统实现的功能有： （1）在干燥塔出口进行温度测量，温度值波动小于2。 （2）喷雾装置能够连续均匀喷雾。 （3）进风量会随着温度的变化实时调节。 2.2 系统基本结构 整个喷雾干燥的过程是由几个功能不一的模块来配合完成的，每个模块都有自己的主要任务， 也有各自的技术要求，且各个模块之间是相互关联的，一个模块出现了问题，可能导致整个系统无 法运行。整体上根据干燥过程要求大致可以将系统划分为以下几个模块：乳液过滤输送模块、出口 温度检测模块、送风模块、干燥换热器加热模块、干燥模块等。 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 6 青海大学化工机械系 乳液过滤输送模块 送风模块换热器加热模块干燥模块出口温度检测模块 图 2.4 系统方块图 2.2.1 送风模块与加热模块 空气经过过滤处理后通过这一设备进行输送，一部分空气经过换热器加热至一定温度后与未经 加热的空气混合后进入干燥室。 直接式加热器广泛用于工业物料的生产，而间接式加热器则多用在食品生产，国家对食品的质 量要求较高、不能用于可能与污染食品的东西直接接触的地方。蒸汽加热器制作成本低，结构简单， 使用快捷，且没有环境污染，具有灵敏的温度调节能力，便于控制且控制精度较高。奶粉作为婴幼 儿营养的主要来源，婴幼儿又是国家和民族未来的希望，因此奶粉的制作必须全程无污染，所以蒸 汽加热器是最好的选择。 2.2.2 干燥模块 立式干燥箱有一锥形的底部，热空气一般是通过底部进入干燥塔的，浓缩乳液通过干燥塔顶部 喷头分散成雾滴，与热空气相互接触，雾滴中的水吸收热空气的热量而蒸发，通过管道空气排出线， 与使用过的空气一起由风扇排放到大气中。排出的空气因为被水蒸发吸收了大量的热量，温度会降 低很多，从而将一些未来得及沉降的奶粉夹带到空气中排出来，为了回收这些被带出奶粉，就需要 一个分离器，将奶粉与空气进行分离，避免粉尘的污染，同时也减少了奶粉的浪费。 旋风分离器是将含有奶粉粉尘的空气进行旋转，利用离心力将较重的粉尘与气体分离的装置。 在选用旋风分离器时，不仅要考虑分离器分离精度、压力降、使用寿命这三个性能指标，而且还要 考虑设备的能耗、速度、产品的质量等，一般情况下，要使分离效率越高，旋风压降就要越大，但 同时会更剧烈的磨损颗粒，导致颗粒大小不均。所以，对于不耐磨、产品质量要求高时，应尽量采 用速度低、压降低的旋风分离器。常规型旋风分离器能分离 20 微米以上的颗粒或粉尘，对于一般 的喷雾干燥系统来讲，从干燥塔出来的含尘气体中的颗粒都在 20 微米以上，因此在喷雾干燥系统 中更多的使用切线入口或蜗卷入口。 蜗卷入口使含尘气体作匀速的螺旋运动，利用离心率使颗粒与空气分离，所以比切线入口式的 自然沉降拥有更高的回收效率。此外，在相同尺寸的条件下，蜗卷式入口也能处理的更多的空气量。 因此，在系统中更多的选择常规蜗卷式入口旋风分离器来达到减小设备尺寸的目的。旋风分离器一 般作为一级分离设备，当回收率要求较高时，加入二级设备如袋滤器7-8。 2.系统整体方案设计 青海大学化工机械系 7 2.3 系统工作原理 液体一般选用泵来输送，既可以保证连续性，又可以保证流量的稳定性。但由于牛奶本身比较 浓稠，经过浓缩后的牛奶更是如此，若使用泵来输送，泵的搅拌作用极易使牛奶凝固堵塞通道，从 而影响后期的牛奶输送，为保证牛奶输送的及时性，选用高位槽的方法，运用牛奶本身的压力为输 送提供能量，如图浓缩乳液由高位槽流经滤器 A 和 B（两过滤器交换使用，不同一时间开启） ，过 滤掉凝固物及其他杂质后，由干燥塔顶部的喷嘴喷出，空气由鼓风机送入风管，一部分不经过加热， 一部分通过换热器加热，与未经加热的旁路空气混合后再经风管由干燥塔下方进入，与上方的牛奶 雾滴进行热交换，雾滴中的水分受热蒸发，雾滴中的水含量减少，成为粉状，并随湿空气一起输出， 再进行分离9-10。 图 2.5 原理图 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 8 青海大学化工机械系 3.模糊控制算法设计 青海大学化工机械系 9 3模糊控制算法设计 3.1 模糊控制原理 模糊控制，是选择由模糊数学语言描述的控制规律来控制系统运行的控制方式。将检测得到的 被控变量的情况经过模糊化接口变为用人类自然语言描述的模糊量，之后根据人类的语言控制规律， 通过模糊推理计算出输出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再由清晰化接口变为执行机构能够 识别的精确值。模糊控制理论性较强比较难以理解，但应用广泛，在工业及家用电器等方面都有应 用。模糊控制是以模糊推理为基础、运用模糊数学语言控制系统的一种计算机控制11。 MATLAB 作为目前高等学校通用的一种仿真软件，不仅功能强大，而且操作简单，非常适合 学生的使用。伴随着模糊逻辑迅速发展，MATLAB 软件中也顺应时代的改变加入了模糊控制器。 在没有足够的仪器及条件下进行模糊控制实验，利用 MATLAB 软件进行仿真就是大多数人最佳的 选择。 3.2 喷雾干燥控制系统仿真 3.2.1 干燥系统传递函数建立 为了保证奶粉的质量和产量以及进风量达不到要求的状况下能正常生产，选择调节旁路进风量 的方法，对出口温度进行控制，间接地使生产出质量合格的奶粉。调节过程基本如下：当出口温度 比设定值高时，自动开大旁路空气进风阀开度；当出口温度比设定值低时，自动关小旁路空气进风 阀的开度，以保证出口温度控制在允许误差内。 根据整个控制系统控制变量以及被控变量之差的大小，在控制系统中建立一个传递函数来自动 调节模糊控制器和 PID 控制器在整个系统中的加权系数，使柔性调节作用得到更好的体现。 喷雾干燥过程是一个大时滞、容积延迟的工业控制过程，很难做到创建符合系统要求的精准的 数学模型，所以在满足系统要求的最低精度的条件下，选取低阶的传递函数来进行拟合被控对象。 根据工厂的实际生产检测，系统可以视为一阶惯性系统。因此喷雾干燥系统传递函数近似为： （3-1） 1 Ts Ke sG s 阶跃响应测试选择在工厂干燥塔进行，给旁路进风量一个设定流量值，根据流量传感器反馈值 检测达到旁路进风量设定值的时间，也就是进风量反馈系统对应的时间常数 T，经测试为 10s， 为 0；同理，对出口温度反馈系统进行测试，可得其时间常数为 10s， 为 16812。 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 10 青海大学化工机械系 图 3.1 响应曲线 3.2.2 传统 PID 控制模型建立 PID 控制器的建立过程非常简单，用 SIMULINK 控件即可完成，系统的运行需要各参数的合 理应用，为使系统能够更稳定的运行选用离散化算式 （3- 1 1 nnDinitial n Incn eeKMKeKM 2） 式中，为 PID 回路增益；为第 n 次采样时刻的偏差值；为第 n-1 次采样时刻的偏差 c K n e 1n e 值；为积分项比例常数；为微分项比例常数；为 PID 回路输出的初值13。 I K D K initial M 为使其系统达到控制要求，根据不同滞后情况下仿真图的变化，对传统 PID 的控制过程作一定 的了解，最后得到的的仿真结果如下图所示，在滞后时间为 12s，=0.8、=0.005、=0.1 c K I K D K 时，系统的输出还是较为理想的，没有出现明显的振荡及超调现象；在其他条件不变情况下，滞后 时间改为 28s，可以看出系统输出明显经过了反复振荡，之后才趋于稳定。 3.模糊控制算法设计 青海大学化工机械系 11 图 3.2 滞后为 12s 时的仿真图 图 3.3 滞后为 28s 的仿真图 3.2.3 模糊控制模型建立 模糊控制系统除了控制器为模糊控制器，其他结构与常规的计算机数字控制系统类似。一般模 糊控制器从功能上划分，模糊控制器包括四部分： (1)模糊器。主要功能是用一定的比例将输入值转化到论域的数值，用人类语言描述测量过程。 (2)知识库。包括数据库和规则库两部分。数据库负责给出相关定义；规则库则藉由控制规则描 述控制对象及方法。 (3)去模糊器。主要功能是把推理获取的控制量转变为控制输出。 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 12 青海大学化工机械系 (4)模糊推理机。主要实现基于知识的推理决策。 知识库 去模糊器模糊器模糊推理机 图 3.4 模糊控制器 模糊控制器的设计主要包括三个部分： （1）将输入语言变量转化为模糊控制器可以识别的模糊子集； （2）模糊控制算法的设计，为模糊控制器编辑控制规则，明确输出与输入的模糊关系，然后 经过模糊推理，得到输出量模糊集合； （3）对得到的输出模糊量进行去模糊化，得到一个精确量。 模糊控制器D/A _ Y(k)X(s) e ec A/D 对象 图 3.5 PLC 实现模糊控制系统结构图 将被控变量的偏差 e 与偏差变化率 de 作为模糊控制器的输入量，经过模糊控制器的模糊计算， 得到一个模糊值，数值通过 D/A 转换为模拟信号进行输出，比较出口温度的检测值与设定值，然 后通过系统的调整，使这个检测值稳定在设定值的允许范围内，使系统稳定运行。 根据喷雾干燥的整个控制工艺流程来建立模糊控制器如下： （1）模糊控制器的输入、输出参数的确定 令 T 为喷雾干燥塔内测量温度；Td 为温度给定值；e 为喷雾干燥塔内给定值和测量温度的差值； de 为差值的变化率；相当于换热器的供电电压，也就是控制量 e、de 为模糊控制器的输入参数；u 为模糊控制器的输出参数14。 （2）参数变化范围、量化等级确定 3.模糊控制算法设计 青海大学化工机械系 13 系统出口温度偏差要在2范围内，考虑到系统精度要求较高，将偏差划分为 11 级，系统误 差 e 离散论域为-5,5；误差变化率离散论域 de 为-5,5；控制输出 u 的论域-5,5；以上三个变量的 量化等级都取 11 级，即 X=-5，-4，-3，-2，-1，0，,1，2，3，4，5 Y=-5，-4，-3，-2，-1，0，,1，2，3，4，5 Z=-5，-4，-3，-2，-1，0，,1，2，3，4，5 （3）定义模糊子集 定义各变量论域里 5 个模糊集合，分别用 NB、NS、ZE、PS、PB 表示。物理含义分别表示为： “NS”表示“负小”；“NB”表示“负大”“PB”表示“正大”；“PS”表示“正小”；“ZE”表示“零”；选择非线性 划分方法对模糊集合实行量化，使稳态点的控制精大大提高15-16。 （4）模糊控制规则的建立 模糊控制规则是依据工业专业人士的现场实时控制经验的总结。在喷雾干燥过程中，依靠专业 人士的操作经验，参照控制系统的实际响应曲线，使输出可以达到动态性能的最佳状态，确定系统 模糊控制规则。依照喷雾干燥过程中实际工艺需求，确定如下控制规则： 规则 a：若出口温度偏差高，则要求空气阀门快速关闭。 规则 b：若出口温度偏差正好，则要求空气阀门开度不发生变化。 规则 c：若出口温度偏差正好，温度偏差变化率慢，则要求空气阀门开度渐渐开大。 规则 d：若出口温度偏差低，则要求蒸汽阀门快速开启。 规则 e：若出口温度偏差不高不低，温度变化率快，则要求空气阀门开度渐渐关小。 模糊 PID 模型不用了解被控变量的数学模型；容易实现对拥有不确定性的变量和拥有强非线性 的变量进行控制。系统的控制模型，主要是模糊控制模型，实现对喷雾干燥过程中干燥塔出口温度 的精准控制。在系统的控制方法上，对传统 PID 控制方法与模糊控制方法进行了仿真曲线的分析比 较17-18。 为使其系统达到控制要求，根据两者仿真图的变化，对两者的控制过程作一定的对比，最后得 到的的仿真结果如下图所示，在滞后时间为 12s，KC=0.8、KI=0.005、KD=0.1 时模糊控制比传统 PID 控制拥有更短的调节时间，系统先一步达到稳定状态；当滞后时间改变为 28s 后，传统 PID 的 控制效果发生明显变化，系统经过多次反复震荡调整后才逐渐稳定，反观模糊控制却基本没有发生 变化，依旧平稳的达到系统的稳定要求，由此表明模糊控制的适应性更强。 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 14 青海大学化工机械系 图 3.6 滞后为 12s 两者对比图 图 3.7 滞后为 28s 两者对比图 4.硬件设计 青海大学化工机械系 15 4硬件设计 4.1 系统硬件基本组成 硬件是控制系统的躯壳，通过与软件进行配合来发挥它的强大作用，是完成控制任务的物质基 础，一个系统是否能够稳定可靠运行与硬件的选取有直接的关系。牛奶喷雾干燥控制系统主要的硬 件主要有测温元件、控制仪表、调节阀、变送器和 PLC 等。整个系统结构框图如图所示。 工业级触摸控 制屏 PLC 按钮开关，数 字量输入输出 控制信号 旁路空气调节信号 出口温度传感器 图 4.1 喷雾干燥硬件结构框图 4.1.1 PLC 硬件选型 PLC 组成主要有电源、输入输出接口电路、外部设备接口、存储器、中央处理器、I/O 扩展接 口等。PLC 的输入量有各种不同的检测信号、模拟信号、开关信号等，它们经 PLC 外部输入端子， 作为 PLC 的输出量控制外围设备。其结构图如图 4.2 所示。 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 16 青海大学化工机械系 图 4.2 PLC 的系统结构图 根据 PLC 的选型原则，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的 I/O 点找出来，包括开关 量 I/O 口和模拟量 I/O 口。控制系统输入、输出开关信号的数量、中间变量的数量决定了系统的 PLC 选型19。PLC 硬件模块型号如下表所示： 表 1 PLC 硬件模块型号表 模块型号输入输出 电源6ES7 307-1BA00-0AAO CPU6ES7 314-1AF11-0ABO 数字量输入6ES7 321-1BH00-0AAO01 数字量输出6ES7 322-1HH01-0AAO01 模拟量输入6ES7 331-7KF02-0ABO014 模拟量输出6ES7 332-5HD010-0AAO014 此系统的输入点为 15 点，输出点为 15 点，之和为 30 点，加上外设接口，实际的 PLC 选择时， 4.硬件设计 青海大学化工机械系 17 PLC 的接口数一定要大于 30 点才行，考虑到系统以后的升级扩展，可以选择可扩展 I/O 口的 PLC。 表 2 程序变量表 输入变量地址输出变量地址 排风温度自动设定值X000排风反馈值百分比Y000 排风温度手动设定值X001蒸汽调节阀开度指示值Y001 进风流量手动设定值X002排风机变频频率指示值Y002 旁路空气流量X003排风温度指示值Y003 热空气流量X004出口温度变化率Y004 排风温度工程值X005模糊控制指示值Y005 进风温度工程值X006PID 控制器输出指示值Y006 系统启动按钮X007送风不正常Y007 系统停止按钮X008换热器不正常Y008 系统急停按钮X009乳液过滤输送不正常Y009 模糊调节系数X010蜂鸣器Y010 PID 调节系数X011空气调节阀开度Y011 调节函数参数X012调节函数示值Y012 乳液流量值X013奶粉产量Y013 阀门调节速度X014系统正常运行Y014 青海大学本科毕业设计：牛奶喷雾干燥控制系统 18 青海大学化工机械系 图 4.3 I/O 接口图 在这个科技发展迅速的时代，PLC 的类型丰富且价格相差很大，功能相差不大的 PLC 价格可 能有几倍的差距，三菱公司 FX2N 系列在 PLC 中属于价格相对便宜的，同时性能也较为优秀先进 的 PLC，具有高性能、高速度、小型化，多功能多用途的特点。能够连接多个基本组件，进行模拟 控制及定位控制等特殊作用。将扩展模块连接到基本控制单元上，可通过 16 路到 256 路灵活选择 输入输出，形成多种应用方案20。 三菱 FX2N 系列 PLC 具有如下优点： 排风温度手动设定值 排风温度工程值 阀门调节速度 模糊控制输出指示值 乳液实际流量值 进风流量手动设定值 排风反馈值百分比 旁路空气流量 PID 控制器输出指示 值 排风温度工程值 停止 X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X008 X009 X010 X011 X012 X013 X014 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 出口温度指示值 Y008 Y009 乳液过滤输送不正常 Y010 外接设备 电源 模糊调节系数 调节阀开度指示值 奶粉产量 调节函数示值 系统正常运行 送风模块不正常 Y011 排风温度自动设定值 PID 调节系数 Y012 热空气流量 出口温度变化率 Y013 调节函数参数 急停 蜂鸣器 排风机变频频率指示 值 Y014 启动 换热器模块不正常 FX2N-32M 乳液流量值 4.硬件设计 青海大学化工机械系 19 （l）FX2N 配置灵活多变，除主机单元外，还可以扩展 D/A 模块、A/D 模块、I/0 模块及其它 特殊作用模块。选择小型化基本单元 FX2N-32MR 作为主机。 （2）FX2N 指令功能繁多，有各种指令 107 条，且指令执行迅速。 （3）FX2N PLC 可用计数器 C，寄存器 D，定时器 T，肤态继电器 S 及内部辅助继电器 M 的 功能和数量符合系统工艺指标的要求。 （4）FX2N PLC 与 FX2 PLC 相比在控制作用和性能上基本相同，但 FX2N 的体积要小 50% 以上。 （5）FX2N PLC 的编程容易，能够在 PC 机上使用三菱公司的专用编程软件完成。编程语言有 梯形图或指令表。特别是可用 PC 机对系统进行实时监控。方便了调试和维护。 FX2N 系列是三菱公司中最先进的系列，它开发了各个的功能模块满足了工业上的不同需求， 适用地区不同的电源，能够为工厂自动化设备提供最优的灵活性和控制能力。FX2N 还具有滤波器 调节功能，可以有效地抑制干扰，因 FX2N PLC 价格低廉性能又好，它可以连接最新的开放式网络， 为通信提供方便，它是小型 PLC 中的佼佼者，除了具有极快的运算速度、定位控制及逻辑选件的 特点，还拥有硬件上较好的配置性能与功能性能，可以从 16 到 256 路的输入/输出进行自由组合， 满足各种工业及生产应用21。 FX2N64MTD 主控模块：其数字输入/输出模块控制一些控制继电器、接触器的开关情况、 与继电器共同控制电机和变频器的电源的开关情况。 FX2N32CCL CCLink 现场总线通信适配器：广泛用于与系统服务器中的 CCLink 主控模 块连接，接收服务器传来的控制指令并实时传递 FX2N64MT 监测数据的情况。 FX2N4AD 模拟输入模块：实时监测出口温度变化。 FX2N2DA 模拟输出模块：给 FRE540 变频器提供模拟控制量，使变频器的输出频率变化， 达到控制阀门开度的目的。 FX2N1HC 高速计数模块：实时检测出口温度，以便 FX2N2DA 模块对阀门的开度实时进 行调节。 4.1.2 测温元件及变送器的选用 牛奶中的营养元素受到高温容易发生变化影响最终的产品质量，而奶粉干燥需要保证奶粉的性 质不发生变化，所以温度不会很高，小型干燥机温度一般控制在 300左右，热电阻和热电偶温度 计都可以在中低温进行测量，而热电阻比热电偶的线性特性更好，灵敏度更高，且不用进行冷端温 度补偿，方便使用，故选用热电阻温度计。铂是一种贵金属，它具有稳定的物理化学性质，特别是 具有很强的抗氧化能力，它生产简单，工艺性能优秀，能够拉成极细的铂丝，比铜，镍等金属更加 优秀，铂电阻拥有很高的复现性，电阻率也较高，也就是说铂电阻拥有最高的的测量精确度，是一 种很适合工业用的热电阻材料，不足是电阻温度系数略小，在还原介质中使用极易发生脆化，价格 也高于其他材料，考虑到系统的控制指标较高，最终选用铂热电阻温度计22。 二线制主要在测量精度要求不高的地点使用，三线制主