（机械电子工程专业论文）捏合机供水系统的自动调温研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 捏合机是一种将固体粉料、液体料与适当的胶化剂进行混匀混合加工的设备，它是 生产固体推进剂的关键设备。在捏合过程中由于各种因素的影响，捏合罐内药料的温度 急剧变化，对捏合生产的安全性和产品质量有不利影响，有必要对药料温度进行控制。 捏合罐采用夹套传热方式，罐内温度依靠往夹套通入一定温度的循环水来调节。因此， 建立一套循环供水系统并实现温度自动调节是保证捏合机正常工作的基本条件。十一 本丈首先对捏合机的基本结构和捏合罐的结构进行了简单的研究，针对企业的实际 情况，全面地分析了供水系统功能需求。综合现场情况、工艺要求以及设备控制可靠性 的需要，本文提出一种新的供水系统方案。 供水系统设计过程中要考虑到多方面的因素，本文着重对系统传热能力、系统水压 和系统的节水性能进行了分析和设计，从而得到供水系统循环管路的流量、水压的计算 方法以及供水系统节水性能的确定方法。 供水系统通过捏合机h m i p l c 控制实现捏合罐内药料温度的自动调节。由于捏合 生产过程中温度干扰因素很多、变化很复杂，很难建立供水系统精确的温度变化数学模 型，采用传统的控制方法效果不好。为解决这一问题，本文引入仿人智能控制思想，设 计出基于规则的仿人智能开关控制算法，并成功地运用到水温的控制。 l 捏合机供水系统经过安装和现场调试，已投入生产使用。试验数据和产品检验结果 均表明，供水系统温度控制效果良好，达到了工艺要求。、j _ 关键词：捏合机；供水系统自动调温、仿人智能控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t k n e a d i n g m a c h i n ei sak e yd e v i c ef o rs o l i dp r o p e l l a n tm a n u f a c t u r i n gw i t hm i x i n gs o l i d p o w d e r ，l i q u i dm a t e r i a l sa n dp r o p e rg e li n a k n e a d i n gt a n k t e m p e r a t u r eo f t h e c h e m i c a l si n t h ek n e a d i n gt a n kc h a n g e sa c u t e l yb e c a u s eo fs o m eu n p r e d i c t a b l ef a c t o r sd u r i n gt h ec o u r s eo f k n e a d i n g i th a sb a d i n f l u e n c e so n s a f e t ya n dp r o d u c t sq u a l i t y t h e r e f o r e ，i no r d e r t oa c q u i r e g o o dp r o d u c tq u a l i t y ，i ti se s s e n t i a l t oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo f t h ec h e m i c a l s k n e a d i n g m a c h i n ed e p e n d so nw a t e r c y c l i n g i naw a t e ri n t e r l a y e rt ot r a n s f e rt h eh e a tp r o d u c e d b yt h e c h e m i c a l s t h e r e f o r e ，aw a t e rs u p p l ys y s t e mi sar u d i m e n t a lc o n d i t i o nu n d e r w h i c ht h e k n e a d i n gm a c h i n e c a nw o r k n o r m a l l y f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a d e as i m p l es t u d yo nt h ec o n s t i t u t i o no f t h ek n e a d i n g m a c h i n ea n dt h es t r u c t u r eo f t h ek n e a d i n gt a n k t h e n ，ar e s o l v i n gs c h e m eo f t h ew a t e rs u p p l y s y s t e m f o rt h ek n e a d i n gm a c h i n ew a s p r e s e n t e d a r e r a n a l y z i n g t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to f t h ew a t e r s u p p l ys y s t e m t h e r ew e r e m a n y f a c t o r st ob ec o n s i d e r e dd u r i n gt h ec o u r s eo f d e s i g n i n gaw a t e rs u p p l y s y s t e m s o m e r a d i c a lf a c t o r s ，i n c l u d i n gh e a tt r a n s f e ra b i l i t y ，w a t e rp r e s s u r ea n dw a t e rs a v i n g c a p a b i l l t y w e r ea n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e d o nt h e s ea n a l y s e s ，m e t h o d st oc a l c u l a t e f l u xa n d p r e s s u r eo f t h ew a t e ri n 也e p i p e l i n ew e r ea c q u i r e d ；w a y s t oe n s u r ew a t e r s a v i n g c a p a c i t yw e r eb r o u g h tf o r w a r d ，t o o t h ew a t e r s u p p l ys y s t e m a c h i e v e d t e m p e r a t u r ea u t o a d j u s t i n ge f f e c tt h r o u g h ah m i p l c c o n t r o ls y s t e mo f t h e k n e a d i n g m a c h i n e i tw a s v e r yd i f f i c u l t t oe s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e l o f t e m p e r a t u r e d i v e r s i f i c a t i o nb e c a u s et h e r ew e r et o om a n yu n e x p e c t e di n f i u e n c i n gf a c t o r s d u r i n g t h ec o u r s eo f k n e a d i n g s o ，t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s w e r en o t r i g h t c h o i c e sh e r e t o r e s o l v et h i sp r o b l e m a ni d e ao f s i m u l a t i n gh u m a ni n t e l l i g e n tc o n t r o lw a s i n t r o d u c e di nt h i s d i s s e r t a t i o n a c c o r d i n g t ot h i si d e a ，s i m u l a t i n gh u m a n i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e c o n t r o l a r i t h m e t i cw a s d e s i g n e da n da p p l i e d t oc o n t r o lw a t e rt e m p e r a t u r e a f t e ri n s t a l l a t i o na n ds y s t e md e b u g g i n g ，t h es y s t e mh a db e e no ns t r e a m b o t ht e s td a t a a n dr e s u l to f p r o d u c t sm a n u f a c t u r i n gs h o w e dt h a tt h ew a t e rs u p p l ys y s t e mc a na c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c e i nt e m p e r a t u r ec o n t r o la n dm e e t st e c h n i c a ln e e d ，e t c k e y w o r d s ：k n e a d i n gm a c h i n e w a t e r s u p p l ys y s t e m t e m p e r a t u r ea u t o - a d j u s t i n g s i m u l a t i n gh u m a ni n t e l l i g e n tc o n t r o l ( s h i c ) i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1课题概述 1 1 1 课题来源 l绪论 本课题来源于华中科技大学与某化工厂共同承担的三江航天集团某大型捏合设备 技术改造重点项目。 1 1 2 课题目的与意义 化工工业生产过程流程复杂、规模庞大，同时往往有具有易燃、易爆等特点。为了 保证生产安全、稳定、可靠地进行，必须对过程工艺参数进行控制。其中温度参数通常 对化工生产过程的安全性能和生产质量有重要的影响，需要对其进行高精度的控制。化 工过程温度控制融合了生产工艺、测试技术、自动控制技术和计算机应用技术等多方面 的精华，是这些技术的综合和延拓，在化工行业中得到了广泛的应用。 大型捏合机是某化工厂生产固体推进剂的关键设备。在捏合过程中由于桨叶与药料 之间的摩擦以及药料的化学反应，被捏合药料的温度会急剧变化，对捏合生产的安全性 和产品的质量有直接的影响。为了使药料在反应过程中保持一定的温度，维持最佳的生 产工艺条件，有必要对反应温度进行控制。生产时药料放在捏合罐内，捏合罐采用夹套 传热方式调节温度，夹套内有多圈加热( 冷却) 螺旋盘管及保温材料。捏合罐内药料的 温度依靠往水管通入一定温度的循环水来调节【l 3 】。对被捏合药料温度的控制实际是对 通入夹套的循环水温度进行控制，因此建立一套实用可靠的循环供水系统是保证捏合设 备正常生产的一个基础条件。在捏合机捏合过程中，捏合机循环供水系统不仅能够把生 产过程控制在最佳的温度范围进行，实现优质、高产、低耗的目标，而且能够保证安全 生产，防止事故发生，提高设备利用率。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外相关技术领域的发展概况，动态和趋势 1 2 1 一般过程控制技术现状与发展趋势 过程控制通常指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门 生产过程的自动控制h “。自从进入2 0 世纪9 0 年代以来，自动化技术发展很快，并取 得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制技术是自动化技术的重要组 成部分。它的发展与控制理论、仪表、计算机、计算机通讯与网络以及相关学科( 包括 过程工业本身) 的发展是紧密相关的，纵观过程控制的发展历史，大致经历了三个阶段 ( 见表1 1 ) f 4 7 1 。 表1 1 过程控制系统的发展过程 2 0 世纪7 0 年代以前可以看作是第一阶段。这一时期应属于“自动化孤岛模式”的 阶段，自动化水平比较低下。 7 0 至8 0 年代是过程控制发展的第二阶段。分布式控制系统( d c s ) 的出现与完善 为在生产过程中实现先进控制创造了条件，尤其是7 0 年代中期开发问世的集散控制系 统满足了过程控制分散进行，监视、操作与现代化管理功能集中的要求：其次现代控制 理论的不断发展和成功尝试，使过程控制达到了一个新的高度。过程控制的结构已从包 括许多手动控制的分散控制站改变为具有高度自动化的集中、远动控制中心。专家系统、 神经网络、模糊控制、过程监督和在线诊断等理论大大促进了过程控制的发展。 从2 0 世纪9 0 年代到目前，世界各个工业发达国家，正集中全力进行工厂综合自 动化，也称计算机集成过程系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m ，即c i p s ) 的研究。 就是在信息技术、自动化技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程 的全局出发，通过生产活动所需的各种信息的集成，把控制、优化、调度、管理、经营、 决策融于一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求、多变性的、总体最优的高质 量、高效益、高柔性的管理生产系统。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 化工过程控制技术现状与发展趋势 化工生产过程具有连续性强、规模大的特点，所以过程控制在化工生产中占有重点 地位。化工过程控制的发展与整个过程控制技术的发展是同步的，它的发展趋势有以下 几个特点 s 1 3 1 ： 1 ) 生产决策、调度、优化和控制的综合自动化。未来的化工过程控制包括以下三 个方面：第一是用于市场贸易管理的决策系统，以实现最大利润为目的，原料、产品、 生产条件等将被计算机控制得更为有效。第二是生产管理系统，可以实现信息的采集、 加工、分析和生产调度、过程优化等功能。第三是生产控制系统、由现场智能传感器、 控制阀和各种功能箱组成，实现实时操作。 2 ) 控制系统的数字化。随着数字化技术的推广，分散控制与自动化信息系统紧密 结合，成为整个数字化信息系统的一部分。中央控制室将成为数据处理中心和管理中心， 输入到中央控制室的信息将被分类只有少数原始数据对操作员显示。控制功能全部分散 到现场。 3 ) 现代控制理论更多地间接用于化工过程控制。化工过程具有很大的不确定性和 难以辨识性，直接移植现代控制理论往往存在很多困难。近年发展起来的智能控制策略 都是在考虑过程的不确定性和难以辨识性前提下提出的。如神经元网络控制，模糊控制 等控制策略能够在系统参数变动与干扰存在时保持稳定，消除不确定性。 4 ) 检测方法得到新的发展。随着化工企业对过程控制的要求越来越高，对于检测 方法也提出更高的要求。目前，学术界提出了两种提高检测质量的途径。一是开发新的 检测元件和检测方法。= 是采用“软”测量方法，对于一些不能直接测量的参数利用计 算机对其相关参数数据进行计算得出该参数的数据，从而进行控制。也就是说设计一套 计算机软件算法，用软件实现某些参数的间接测量。 1 2 3 温度控制技术的现状与发展趋势 温度作为最早被控制的四个参数之一，其控制技术比较成熟，以往常采用p i d 控 制，p i d 算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变 量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续，是很普通的调节方法。其缺点是现场p i d 参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制漂离最佳状态。近年来 很多新的温度控制系统被研究和用于化工过程控制，它们的改进之处在于采用智能控制 策略和新的测量方法如采用模糊温度控制、模糊p i d 控制、神经网络控制。遗传算 法控制等【l 。现在就它们在温度控制领域中的应用进行简单的介绍： 1 模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和 直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。 p i d 控制简单、方便，但难以解决非线性和参数的变化。模糊控制不需要装置的精确模 型：堡筮戆壬埋往旦的丝坠塑童盈刿颤：韭堂空星厘旦：燕熊亟整的塞堡煎捏敖! ( ! ) 华中科技大学硕士学位论文 将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则。将这些模 糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。( 2 ) 根据控制查询表，形成模糊算法。( 3 ) 对 温度偏差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理 做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，调整输入，达到调节 温度，使之稳定的目的【l 扣1 7 】。同传统的p i d 控制比较，模糊控制响应快，超调量小， 参数变化不敏感。 2 模糊控制与p i d 结合( f u s s yp i d ) 模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点是不须 知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和菲线性对象，对被控对象参数变化有 强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于对控制系统 设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性，没有明确的控制结构。p i d 控制器结构简单、明确，能满足大量工业过程的控制要求，特别是其强鲁棒性能较好适 应过程工况的大范围变动。但p i d 本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非 线性领域。因此，将模糊控制与p i d 结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态( 温 度偏差及温度变化率) 确定p i d 控制器参数，用p i d 控制率确定控制作用。主要的问题 是合理地获得p i d 参数的模糊校正规则。其实质是一种以模糊规则调节p i d 参数的自 适应控制，即在一般p i d 控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。因此f u s s y p i d 复合控制，比单一的模糊控制或p i d 调节器有更好的控制性能i l “1 9 l 。 3 神经网络控制 温控系统由于被控过程常常具有严重的非线性、时变性以及种类繁多的干扰。使得 基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果。近些年来模糊逻辑 控制取得了巨大成功。但是，模糊控制所基于的专家经验不易获得，一成不变的控制规 则也很难适应被控制系统的非线性、时变性等问题，严重影响控制效果。因此应使模糊 控制向着自适应方向发展。使模糊控制规则隶属函数模糊量化在控制过程自动地调整和 完善。自适应模糊控制提供了一种新的有效途径，利用神经网络的学习能力来修正偏差 和偏差变化的比例系数，达到优化模糊控制器作用，从而进一步改进实时控制效果，以 便应用于温度过程控制中。其优点是动态响应快，能达到高精度的快速控制，具有极强 的鲁棒性和适应能力1 2 ”“j 。 4 模糊控制、遗传算法、神经网络相结合 文献 2 3 ，2 4 提出基于神经网络的方法，将模式辨识、预测最优控制与神经网络结合。 由神经元网络模型预估器辨识系统模型，并实时为控制器提供参考输入，由最优控制器 对数据进行处理、决策，选定最优的控制量，达到温度最佳控制的目的。神经网络应用 广泛的b p 网络，由于其收敛慢和存在局部最小点，因此将遗传算法和b p 算法结合得 到的遗传b p ( g a b p ) 算法作为网络预估器的学习算法。该算法能使温度随外界干扰条件 的变化实时的调节网络和控制规律，具有良好的温度跟踪性能和抗干扰能力。 4 华中科技大学硕士学位论文 随着计算机技术、电子技术的发，控制形式也日新月异，无论是神经网络，模糊控 制还是遗传算法，都属于人工智能领域，同传统控制方法结合以调节控制参数，适应温 控系统非线性，干扰多，大时延，时变和分布变化的特点【2 ”引。神经网络采用自适应 的方法，具有很强的鲁棒性，动态响应快。缺点是容易陷入局部最优，采用遗传算法来 训练神经网络可以实现结构与参数的快速全局寻优。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系 统，不需要知道系统的精确信息，与神经网络结合，能向自适应的方向发展。综上所述， 实现温控系统的参数自调整，将线性控制与非线性相结合，使温度能满足用户的需要是 温控系统的最终目的。在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所 要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。 1 3 本文的主要研究工作 本文主要做了以下几方面的工作： 1 对捏合机系统基本情况、捏合工作原理进行介绍，并在此基础上对捏合机供水 系统的功能需求进行探讨。 2 从生产现场条件出发提出捏合机供水系统的水路设计方案，并对捏合机供水系 统进行传热性能、管路水压、节水性能等方面因素的分析与设计。 3 为了达到更好的恒温控制效果，提高生产的安全性和产品的质量，将仿人智能 控制引入供水系统，实现供水系统的自动调温目标。 4 最后，本文对系统的运行情况和运行结果进行简要的介绍，并对该课题所作的 工作做了简要总结，对捏合机供水系统的自动调温进步研究作了一定的探讨，并提出 了努力方向，以不断完善该系统，适应更高的要求。 华中科技大学硕士学位论文 2 1引言 2供水系统运行环境及需求分析 在固体推进剂生产过程中，为了将大量的固体粉末均匀地分散到超高粘流体中，需 要对药料提供强大的切应力使其在捏合设备内进行有效的移动和循环。立式捏合机则是 对易燃易爆超高粘流体药料进行搅拌和捏合的专用设备。它有两个桨叶作行星互相捏合 运动，具有捏合效率高、搅拌均匀可实现真空捏合的特点。与卧式捏合机相比，立式捏 合机由于桨叶竖立，轴承不浸在药料内，因此更为安全可靠 2 , 2 9 1 。 捏合机通过p l c 对供水系统进行温度调节实现捏合过程反应温度的自动控制。因 此，只有充分了解捏合机本身的工作原理和捏合生产的特性才能在研发过程中充分地考 虑到各种影响因素进行供水系统的设计，更好地利用捏合机h m i p l c 控制系统的软、 硬件条件实现供水系统的自动调温目标。 2 2 捏合机概况 2 2 1 捏合机基本构成 捏合机是一种将固体粉料、液体料与适当的胶化剂进行混匀混合加工的设备。其基 本加工过程是，根据一定的工艺顺序，将药料按顺序加入捏合罐中，由桨叶不断地正反 转搅拌，直至均匀，并达到某种性能要求f 2 ”“。 2 0 0 0 l 捏合机主机由机座、传动箱、桨叶、升降油缸和捏合罐等组成。机座是整个 机器的支承部分；行星齿轮机构和桨叶与传动箱装配成一体。装有桨叶的传动箱是固定 不动的。在捏合药料时捏合罐升到上限位置，此时桨叶处于捏合罐内，传动箱下法兰盘 ( 装有0 形圈) 与捏合罐口缘紧密接触。桨叶肩部药料清理时或出料时捏合罐下降到下限 位置。 传动箱是支承桨叶自转公转及传递扭矩的动力部件，箱内轴承及齿轮填有耐高温润 滑油，捏合药料时箱体内腔与捏合罐可同时等压抽真空，完全消除两者压差对流造成的 互相污染及危险。传动箱上开有观察孔、照明窗、加料口和泄爆窗口。 捏合罐的底部和侧面装有电阻温度传感器，可以直接测出药料温度。捏合罐采用不 锈钢焊接精加工而成。传热方式为夹套传热方式，夹套进出水口设计在捏合罐的侧面， 遵循下进上出的原则，能够避免加热死区，使罐体传热均匀。 除主机部分以外，捏合机还包括：搅拌桨的动力驱动部分主电机及其辅助设备； 捏合罐的升降动力部分液压油缸及其辅助设备：捏合罐的恒温系统循环供水系 6 华中科技大学硕士学位论文 统；自动加料部分粗粉加料器、细粉加料器及其辅助设备：控制部分控制器及 其扩展模块；各种开关量、模拟量传感器等等。 燕个捏合机的基本构成如图2 1 所示【2 9 1 ： 2 2 2 捏合机工作原理 图2 一l 捏合机基本构成 2 0 0 0 l 立式捏合机的两个桨叶均垂直安装，其支撑轴位于桨叶上部，两个桨叶均偏 离罐中心( 图2 2 ) 。近心桨为实心，远心桨为空心( 螺旋框式) ，偏心距r 2 r i ，两桨 叶均作自转和公转运动，以不同的自转角速度相互包络捏合( 有间隙) 运动，桨叶不仅 与料罐内壁药料有剪切作用，两桨叶还有互相包络剪切作用，后者是卧式捏合机所不具 有的【3 。桨叶在罐内无死角，一个桨叶为实心，另一个桨叶为空心，容易使药料分散 而不致在捏合中重新结块，因此立式捏合机不仅安全性好，其捏合效率也比卧式捏合机 高。 搅拌桨是2 0 0 0 l 捏合机中的关键零件，它在一定程度上决定了捏合机的效率，捏 合质量和安全性能。搅拌桨是根据捏合原理设计的，对药料有充分的剪切挤压作用，是 一种高效率的搅拌桨【j “。 固体推进剂在捏合过程中，必须在料罐中自上而下，自下而上地充分翻动，以达到 好的捏合效果，因此桨叶被设计成双翼螺旋形状。两个桨叶在捏合过程中有一定的转速 比，它们的螺旋升角因此有一定的关系，根据捏合原理，如果远心桨螺旋升角为左旋时， 近心桨螺旋升角应为右旋。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 捏合罐介绍 图2 - 2 捏合机工作原理p 2 】 1 捏合罐组成 捏合罐是立式捏合机的一个重要零件，它为药料完成其搅拌过程提供了一定的空间 1 3 1 。2 0 0 0 l 捏合机的捏合罐是立式圆筒形容器，它由顶盏、罐身和罐底三部分组成。为 了满足工艺要求以及结构的需要，罐体上装有其他各种不同的附件( 见图2 3 ) 。 捏合罐的顶盖是活动的，在捏合生产期间不用，当捏合好的药料送往浇注工段时， 盖上顶盖对药料进行保护和保温。 在生产过程中，捏合罐需要上升和下降，捏合罐依靠两个支耳放在捏合机升降支架 上，捏合机的液压升降系统完成捏合罐的升降。捏合罐放置在某专用轨道上，通过外力 的牵引装入或者拆出捏合机的。 由于药料在捏合过程中伴有相当的热效应，为了提供或者传出热量，捏合罐的外侧 安装了夹套传热装置，用水进行热量传递。夹套进水口装在罐身的下部，而出水口装在 罐身的上部，循环水从底部进入，上部流出，使热水能够充满整个夹套的空间。为了在 操作过程中有效地监视和控制药料的温度，罐体和罐底都安装了测温装置，它们的信号 线通过接线槽上的接头引出。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 捏合罐外观示意图 2 捏合罐夹套结构 捏合罐夹套结构如图2 - 4 所示。 捏合罐夹套为内外双层的夹层结构，两 层之间填充有保温材料，环绕内外层罐壁之 间设置有多圈螺旋盘管，这样不仅能够提高 循环水的流速，改善传热效果，而且能提高 容器本身的强度和刚度f 2 3 1 。不同温度的循环 水流经螺旋盘管时可以达到对罐内药料进行 加热或冷却的目的，即罐内药料的温度是依 靠在螺旋盘管内通以一定温度的循环水来进 行控制的，而循环水则由一套供水系统提供。 罐内药料的温度主要由安装在罐壁和罐 底的测温热电阻测得。2 0 0 0 l 捏合机捏合罐 共有5 个测温点，罐身有三个，罐底有两个。 图2 - 4 捏合罐夹套结构 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 供水系统需求分析 2 3 1 温度控制需求分析 捏合机生产过程中，由于各种因素的影响，捏合罐内药料的温度不停的发生变化， 主要的影响因素有两个。 1 ，摩擦产生的影响。当桨叶对捏合罐内的药料进行搅拌时，桨叶和药料之间、运 动的药料和罐壁之间、药料颗粒相互之间存在着摩擦，产生相当的摩擦热，从而引起药 料温度的变化。 2 不同的药料之间物理化学反应的影响。根据生产工艺的要求，固体粉料、液体 料和胶化剂不是同时放入捏合罐进行捏合的，不同时段加入的成分不同。这些不同的成 分相互之间发生物理化学反应，产生反应热，这也对药料温度的变化有一定影响。 由于上述因素的影响，药料温度不停变化，有时甚至急剧上升，有时急剧下降，这 不利于生产的顺利进行，需要对药料温度进行控制。原因在于：为了获得较高的捏合 质量，： 艺要求对药料进行恒温控制；固体推进剂生产原料是高度易燃易爆的化学品， 对其进行搅拌时药料温度必须低于某一上限值：为保证加入混合的胶化剂与其它成分 均匀地大范围的结合，需加热药料使胶化剂处于液体状态。 根据捏合罐本身的结构，药料温度依靠通过捏合罐夹套的循环水进行控制，可见药 料温度控制的关键在于循环水温度的控制。温度控制过程应平稳、可靠，控制精度高， 满足生产工艺要求。生产工艺要求温度控制精度为4 - 2 。 2 3 2 供水系统结构需求分析 捏合罐夹套的循环水由一套供水系统提供。供水系统结构设计应满足以下几方面的 功能需求： 1 系统密封性能。泄漏对供水系统的影响很大，在生产中管线循环水的泄漏不仅 增大系统用水量，而且传热效果也大大降低，当泄漏现象严重时生产过程可能中断。尤 其捏合机所在地区水质不好，所用工业水虽然经过软化处理，腐蚀性仍然很强，易腐蚀 管路器件导致系统漏水。因此，在供水系统结构设计过程中必须结合现场情况将泄漏减 少到最低，具有良好的密封性能。 2 系统节水性能。现场工业用水是通过处理后的软化水，水的成本较高，良好的 节水性能设计可以降低供水系统用水量，具有较好的经济效益。 3 系统保温性能。根据捏合机生产工艺要求，供水系统通往捏合罐夹套的循环水 温度要求维持稳定，而现场供水系统安装位置离捏合机较远，二者中间由管路连接，因 此管线和热水容器需要进行保温：另外，对热水容器进行保温处理可以降低供水系统能 耗。保温设备和材料种类繁多，产地分布较广，其性能变化范围也较大，需要合适选用。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 4 系统传热性能。供水系统的传热性能取决于循环泵的流量，合适的流量可以获 得好的传热效果，提高药料温度控制精度。 5 管路压力需求。供水系统管路压力取决于捏合罐夹套循环水泵的扬程，水泵的 扬程既要满足最不利处配水点的水压( 自由水头) ，也要满足捏合罐夹套的承压能力。 2 3 _ 3 供水系统自动调温研究问题 捏合机供水系统自动调温研究主要解决两个问题： 1 由于捏合机依靠控制捏合罐夹套循环水的温度控制反应温度，因此供水系统的 建立是正常生产的一个保障。考虑生产的安全性、连贯性和可控性，供水系统的设计应 满足以下技术要求： 1 ) 生产安全、可靠。选用高质量、名牌元器件，提高单个元( 部) 件的安全性、 可靠性。 2 ) 安装和维护简单、方便。设备选择具有良好的维护和技术支持能力的设备；管 路结构简单。 3 ) 易于实现远程控制。 2 捏合过程中被混药料温度控制算法的研究。实现捏合罐药料反应温度自动控制 就是要实现捏合机供水系统的自动调温功能，满足固体推进剂生产工艺对温度参数的需 要。一方面供水系统自动调温控制算法必须具有较好的稳定性和鲁棒性，另一方面该算 法要简单，能够在捏合机h m i p l c 控制系统的p l c 上利用它所带的c o n c e p t 组态软件 实现。 2 4 供水系统简介 捏合机供水系统给捏合罐夹套提供的是循环热水，在对它进行设计时应该遵循热水 供应系统的设计原则【3 2 1 ，捏合机供水系统应该保证捏合机捏合罐夹套随时得到符合工 艺要求的水量、水温。虽然供水系统的组成和形式随热源情况、生产要求以及所选用的 器件不同而不同，但它仍然是由热源、水泵装置、储水装置、循环管路，排污溢流管路 等部分组成( 见图2 5 ) ，下面对供水系统中的几个关键部分的设计和选用进行介绍。 2 4 1 热源部分 热源是热水供应系统不可缺少的部分，它完成供水系统用水的加热功能。供水系统 的加热方式很多，如锅炉直接加热、蒸汽直接加热、水加热器加热等等，在实际设计中 应根据生产要求和现场情况的不同进行选择口”。对于工业设备而言，供水系统主要用 于温度控制，耗热量较小，可以采用热水锅炉对系统用水直接进行加热，图2 5 所示供 水系统就是采用热水锅炉直接加热。在这种加热方式中，热水锅炉直接对循环水进行加 热，热水锅炉和热水贮罐构成一个闭路循环，锅炉启动后可以对热水贮罐内的水进行循 l i 华中科技大学硕士学位论文 环加热。热水锅炉的进水1 ：3 一般在锅炉的下部，出水口在锅炉的上部；在安装时热水贮 罐底部应高于锅炉的顶部。这样可以保证锅炉内容器装满水，避免锅炉被干烧。该加热 方式下的供水系统具有管道设备简单、投资小，工作稳定、安全可靠、维修管理简单的 特点。但是当锅炉给水硬度较大时，锅炉结垢较严重，因此如果水源水质较差，最好先 进行软化处理。 用热水锅炉直接加热，热水锅炉的选择是关键。锅炉的选择应满足以下要求： 1 锅炉的热功率应满足现场供热量的需要； 2 对于耗热量较小的供水系统，可以考虑采用电热水锅炉； 3 锅炉内容器耐腐蚀、寿命长； 4 结构简单，易于安装、维护； 5 便于清除污垢。 图2 - 5 工业设备供水系统 2 4 2 水泵装置 水泵是一种能够进行能量转换的机械，它把原动机的机械能传给被抽送的水，使水 的能量增加，从而使水能够从低处提升到高处或者在管路中进行循环 3 。 水泵的型式和结构种类相当多，设备循环供水系统采用的水泵一般为离心泵，而且 扬程高的用多级泵；抽送高温水的，泵体采用中心支撑式等。水泵在供水系统中起着重 要作用，泵若出了故障，就可能中断供水系统的工作，影响被供水设备的正常运行。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= = = = = i ；= = = = ；= = ；= = ；= = = = = = = = = = ；= ： 在进行供水系统的规划设计时，为了选用循环水泵，必须充分考虑水泵的结构和特 性，以便系统能够安全且平稳地运转。因此，对循环水泵的要求有以下几点： 1 结构简单，易于操作； 2 性能良好，能长期运转，机械的可靠性高： 3 耐腐蚀、磨损、寿命长； 4 零部件互换性高，容易更换。 2 4 3 贮水装置 贮水装置指供水系统中盛装系统用水的容器，包括热水贮存和冷水贮存装置。当工 业现场停水时，贮水装置存储的水量可以保证系统正常工作一段时间。贮水装置一般采 用水箱，水箱的设计和布置方法【3 2 j 如下： l 水箱容量满足生产现场用水量要求； 2 水箱材料耐腐蚀、抗磨损； 3 水箱应加盖，并设有溢流管、排污管、水位和温度信号： 4 水箱布置间距合理，有足够的空间安装其它元器件如循环泵、阀门等； 5 经济性好。 2 5 本章小结 本章主要对供水系统运行环境捏合机系统进行了有针对性地介绍。具体做了一 下几方面的工作： 1 对捏合机的基本情况，工作原理进行了简单介绍。分别说明了搅拌桨和捏合罐 的结构和布置方式。 2 对供水系统进行功能需求分析，并在此基础上提出供水系统自动调温研究目标。 3 对供水系统几个关键部分的设计与设备选用方法进行简单的介绍。 - - 一- 一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3供水系统分析与设计 根据捏合机的结构特点，针对捏合机捏合工艺的特殊性充分考虑夹套的传热效果、 设备承受水压的能力、当地的水资源条件、自动控制需求等各个方面的因素建立一套实 用可靠的循环供水系统是保证捏合机正常生产的一个基础条件。 3 2 供水系统总体设计 3 2 1 供水系统的要求 根据捏合机系统的需要，对供水系统的要求如下： 1 便于通过捏合机h m i p l c 控制系统实现供水系统的自动调温耳标； 2 现场数据可实时采集。利于实现生产过程远程监控： 3 系统具有良好的节水性能、密封可靠性： 4 管路结构简单，安全可靠，便于维护。 3 2 2 供水系统结构布置 综合现场情况、工艺要求以及设备控制可靠性的需要，这里提出一种供水系统方案， 在该方案中，供水系统采用一个控制水箱对捏合罐夹套进行水循环，在捏合机h m i p l c 控制系统软、硬环境下面通过p l c 调节控制水箱的温度达到控制捏合罐内被捏合药料 反应温度的目的。大型捏合机的循环供水系统的水路布置如图3 1 所示。为实现现场监 控，在相应的一些位置安装流量计、压力计和温度计对管路压力、流量和各处水温进行 采集。 从图3 1 可知捏合机供水系统是一个半闭式循环供水系统。系统通过调节控制水箱 的水温完成捏合罐温度控制；电锅炉对系统循环水进行加热；软水水箱具有两个功能： 一方面保证控制水箱的水位不低于正常工作水位，另一方面可以对控制水箱进行降温。 另外，水箱都设计了排污和溢流管路，便于水箱的清洗和维护，同时可以防止在生产过 程中循环水从水箱顶部漫出来。 1 系统回路组成 ( 1 ) 控制水箱、出水泵、手阀、电动碟阀、以及捏合罐组成捏合罐夹套循环回路， 在生产中，捏合机h m i p l c 控制系统p l c 的c p u 将捏合罐出入口温度计测得的实际温 度与设定的温度值进行比较，根据特定的算法对控制水箱的水温进行控制。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 软水水箱、手阀、水泵、止回阀、回水管和控制水箱组成控制水箱降温和水 位控制回路。 ( 3 ) 控制水箱、水泵、电锅炉、电动蝶阀、手阀组成加热回路，完成对控制水箱 的加热功能。 图3 一l 捏合机循环供水系统原理图 2 系统安装特性 为了保证系统具有良好的密闭循环性能，控制水箱安装位置比软水水箱和电锅炉 高，控制水箱的水位过高时，溢出的水通过回水管，依靠重力作用流到软水水箱。可以 节约软水资源，同时也能够保证电锅炉不会被干烧。为保证供水系统的生产连续性和易 维护性，电动蝶阀必须安装旁路，各路水泵皆采用一主一备双泵冗余的安装形式。 3 系统数据采集 为实现对现场的有效监控，各水箱内装有液位计和温度计对水箱的液位和温度进行 数据采集，捏合罐的出水1 ：3 和入水1 3 有温度传感器采集循环水的温度值；捏合罐温度由 料温传感器测得。这些测试仪表测得的实际数据送往捏合机h m i p l c 控制系统p l c 的 c p u 进行分析，c p u 按照相应控制算法对各个水泵、阀门进行控制，使捏合机系统在 规定的温度范围内正常、高效的运行。 华中科技大学硕士学位论文 3 3 捏合过程传热分析与设计 捏合机生产过程中，根据工艺要求不同阶段向捏合罐内加入不同的成分进行捏合， 导致罐内的物理、化学反应过程也不一样。从加液体料到加粗料这段时间内药料吸热， 必须对捏合罐加热，而加完粗料后由于在捏合搅拌过程中因摩擦和药料发生化学反应产 生大量热量，又必须给捏合罐降温。可见要将捏合罐内药料控制在恒温状态下，供水系 统的循环热水必须具有两个功能：当罐内药料吸热时起加热作用；当罐内药料放热时起 冷却作用。合适的夹套循环水流量是实现恒温控制的一个条件，它的大小取决于捏合罐 夹套传热特性。在对捏合罐夹套传热特性进行分析之前对传热过程作以下简化假定 2 3 3 4 1 ： 传热过程为连续稳态操作过程： 忽略螺旋盘管对有效传热面积的影响； 捏合罐内药料受到充分搅拌，其温度在某一阶段内任何时间都均匀一致； 捏合罐夹套入口水温恒定不变： 循环水的定压比热容c 。，密度p ，流量q 为常量。 忽略热损失和粘釜物对夹套传热性的影响。 砀 粘釜 金属罐壁 图3 - 2 捏合罐夹套传热过程 3 3 1 捏合罐夹套传热机理 捏合机捏合罐采用螺旋盘管夹套传热，利用循环水做传热介质，循环水在螺旋盘管 内流动。这样，不但能提高循环水的流速，改善传热效果，而且能提高捏合罐抗外压的 强度和刚度【2 “。夹套传热的传热过程见图3 2 ，固体的传热面把被混药料和传热介质( 循 1 6 华中科技大学硕士学位论文 环水) 分隔开，传热面由三层组成，中间是金属罐壁，两侧分别有来自被捏合药料的粘 釜物和来自传热介质的污垢。 热量从被混药料侧传递到传热介质侧必须通过被混药料对传热面的对流传热、多层 固体的热传导、传热面对传热介质的对流传热三个环节，即“对流导热+ 对流” 三个环节。这个传热过程可用式子( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 描述u j 。 式中q 传热率，w q = k f a t 足总传热系数，w i ( m 2 ： f 传热面积，m 2 ； 上丁被混药料和传热介质之温差，。 世是传热总阻力，它是多个串联的热阻之和。 上：土+ 争互+ 2 k 鲁k ，如 式中 被混药料对传热面的表面传热系数，w i ( m 2 ) ( 3 1 ) ( 3 2 ) 见传热介质对传热面的表面传热系数，w ( m 2 ) ； 点第i 层固体的厚度，m ； 女第f 层固体的热导率，w i ( m ) 。 当夹套在恒温状态下连续操作，进出口温度一致，可直接应用式( 3 1 ) 。当捏合罐在 恒温状态下连续操作，但夹套进出口温度不同时，则需用被混药料温度和夹套进出口温 度差的对数平均值l 替代式( 3 1 ) 中的7 1 。在间隙操作时，若夹套中传热介质温度不 恒定，但传热介质水在夹套进出口的温差小于o 1 l 时，被混药料在0 时间内从初温 变到终温厶，则加热或冷却过程可分别用下面二式表示： 蛳篇h 筹妒 埘等m 篙，口 式中7 1 夹套内循环水的平均温度， 聊被混药料质量，堙； 勺被混药料定压比热容，j ( k g ) 。 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 7 华中科技大学硕士学位论文 使用式( 3 1 ) 至式( 3 4 ) 时都是假定k 基本上不变的。若在传递过程中k 有明显的变 化，则需把被混药料的整个温度范围分割成许多小区间，并假定每个小区间内k 是恒 定的，然后对各小区间逐一计算。 3 3 2 捏合罐夹套传热率的计算 1 总传热系数k 的计算 ( i ) 捏合罐夹套总传热系数计算公式根据简化假定条件，从式( 3 2 ) 可以得