大型冻干设备控制系统设计

大型冻干设备控制系统设计

大型食品真空冷湿设备（以下简称冷干设备）的温度控制是冷干设备的重要组成部分。它不仅直接影响冷干设设备的自动化程度、可靠性和控制精度，而且还影响冷干设备的产品质量、生产效率和加工能耗。由于冻干设备控制对象复杂,可靠性及控制精度要求高,特别是冻干设备中加热系统的大惯性、纯滞后、非线性以及时变等特点,这不仅与控制系统设计有关,也与被控系统本身的设计有关。为此,本文以FD-200大型食品冻干设备的控制系统设计为例进行了探讨,为大型食品冻干设备控制系统设计提供借鉴。1管理系统的设计1.1fd-200冻干设备工作原理FD-200冻干设备以加工蔬菜为主,其主要技术性能指标如表1,系统示意图如图1。FD-200冻干设备由干燥仓、制冷系统、真空系统、加热系统等几部分组成。加热搁板8以辐射换热方式为物料中水分升华提供所需热量;真空机组10抽除干燥仓7内的不凝性气体,维持冻干过程所需真空度;冷阱9用以凝结物料中水分升华所产生的水蒸气。1.2冻干设备控制系统冻干设备的控制系统除各设备的开停控制外,最重要的是冻干过程中的工艺参数控制,即干燥仓压力、加热搁板温度、冷阱温度的控制。从图2小葱的冻干工艺参数中可以看出,加热搁板温度、干燥仓压力、冷阱温度随物料冻干过程中的时间变化,在此过程中上述各系统的负荷也随时间而变化。冻干设备控制系统的具体要求如下:(1)具有可靠的监控系统,能采用手动和自动两种方式实现对冻干设备进行整个冻干过程的控制;(2)能根据不同的产品设定或修改冻干工艺参数,能够将冻干工艺参数存储在磁盘中,并能在计算机屏幕上进行实时显示和历史数据显示,且支持即时打印;(3)通过控制加热系统,使加热搁板温度跟踪设定的加热搁板温度参数,其控制精度要求为±1℃;通过控制制冷系统使冷阱温度跟踪设定的冷阱温度参数,其控制精度要求为±3℃;通过控制真空系统使干燥仓压力跟踪设定的干燥仓压力参数,其控制精度要求为±10Pa;(4)能进行故障报警及处理,包括真空机组故障、冻干过程中干燥仓压力超过设定值的报警和有关数据显示。1.3监控系统的设计1.3.1自动控制和便性控制监控系统的设计目标,是在保证冻干过程高效可靠运行的前提下,兼顾操作的方便性和构成的经济性。可靠性需要控制系统同时提供手动控制和自动控制两种方式,方便性体现控制流程的简单明确和人机交互界面的简洁友好。根据上述原则,FD-200冻干设备的监控系统采用集中控制方式,其监控系统结构如图3。1.3.2plc监控系统冻干过程需要检测的参数主要是温度和真空度,其温度检测采用铂电阻,真空度检测采用数字式电阻真空计。上位机选用普通商用PC机,在监控系统中上位机不直接与现场设备及仪表通信,而是通过西门子CP5611专用通信卡,使用MPI协议与下位机进行通信连接,因此普通商用PC机的可靠性足以满足系统要求。下位机选用西门子S7-300型PLC,其输出直接控制执行机构,如电动阀、气动蝶阀等。PLC由计算机控制,以实现手动、自动两种方式控制。监控系统的其它设备和器件主要有以下几部分:(1)控制柜,包括PLC、手动按钮开关、现场设备的运行状态指示灯等;(2)动力柜,包括控制电机与手动阀门启停的按钮开关和继电器组成的控制柜;(3)打印机,完成数据报表等的实时打印与历史数据的打印;(4)执行机构,包括各种电机、电动阀和气动蝶阀等。所有执行机构均具有相应的手动开关,当控制系统出现故障时,可用手动方式单独开、关任何一个阀门或电机。1.3.3冻干过程中控制器的控制监控系统要完成的工作可分以下几部分:(1)数据实时采集、处理、显示、存储;(2)冻干过程各阶段的运行状态、各阀门的开关状态及报警信号指示,所有信号由控制柜的面板指示灯显示;(3)冻干工艺参数传送与紧急情况处理时有关命令传送;(4)自动操作中控制器的算法处理与手动操作时按钮命令发送。监控软件采用西门子组态软件WINCC实现。1.4加热系统控制设计1.4.1加热覆板加热加热搁板温度控制精度对冻干物料的产品质量和生产效率影响最大,同时也由于加热系统的负荷特征,使得加热系统的控制系统设计成为整个冻干设备控制系统的关键点和难点。为较好的实现加热搁板温度控制精度要求,FD-200冻干设备采用二次热源控温法,首先从加热系统本身的设计上来保证。如图1,在加热系统中设一容量较大的恒温循环水罐2,其温度设定为定值(一般比加热搁板最高温度高10℃左右),一次蒸汽源通过一次蒸汽源加热器1对恒温循环水罐2进行加热,其温度和热量控制通过调节蒸汽调节阀12的开度大小来实现。当加热搁板处于恒温或需要升温时,加热调节阀5调节恒温循环水罐2和直接从加热搁板8回水的比例(此时冷却调节阀4处于全直通状态),使加热搁板8的温度稳定在设定值。混合后的循环水通过循环水泵6供给加热搁板8,通过加热搁板8辐射换热提供冻干物料所需热量,循环水出水温度下降,从加热搁板8出来的水一部分回到恒温循环水罐2被加热,另一部分通过旁路直接流向加热调节阀5继续循环。当加热搁板8需要降温时,冷却水系统开启,加热调节阀5将恒温循环水罐2支路截止,从加热搁板8出来的水全部流向旁路,一部分经冷却换热器3进行冷却,另一部分直接回水,冷却调节阀4调节两者的比例,使加热搁板8的温度下降到设定值。混合后的循环水经加热调节阀5、循环水泵6供给加热搁板。相对一次蒸汽源直接加热循环水的加热系统而言,由于恒温循环水罐2的热容量大、温度波动小,可以克服一次蒸汽源温度、压力波动给循环水调节造成的影响,为循环水温度调节提供稳定的热源。1.4.2带自动修改调节因子的装置-模糊控制法以及相应的修正因子控制1.被控变量的选取在冻干过程中最终所要控制的参数是冻干物料的温度,但此变量可变性强、测量误差大,特别是由于水分升华从表面开始,造成物料不同部位具有不同的温度,给选择合适的温度测量点带来了困难。在实际生产过程中一般通过试验得到物料冻干工艺参数来间接控制冻干物料温度,但由于冻干设备各层加热搁板温度的不均匀性,因此选取循环水系统中各层加热搁板的总回水温度作为被控变量,操作变量为冷却调节阀4和加热调节阀5的开度,在整个冻干过程中,根据加热搁板处于加热或冷却过程仅对其中一个阀门进行调节,另一阀门处于全通或全断状态,其控制原理如前所述。加热系统中一次蒸汽源系统选取恒温循环水罐2的水温为被控变量,操作变量为蒸汽调节阀12的开度。2.加热控制系统设计在加热控制系统设计中一次蒸汽源系统由于控制精度要求不高(一般为±2℃)及负荷本身的特征,采用PID控制可以满足设计要求,而循环水系统因具有大惯性、纯滞后等非线性以及时变的特点,基于精确数学模型的常规控制例如PID控制难以满足要求。作为非线性控制的一大分支,模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用。模糊控制具有以下特点:(1)是一种非线性控制方法,工作范围宽、适用范围广,特别适合于非线性系统的控制。(2)不依赖于对象的数学模型,对无法建模或很难建模的复杂对象,可以利用人的经验知识来设计模糊控制器,从而完成控制任务,而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型才能设计控制器。(3)它具有内在的并行处理机制,当控制系统中的参数发生摄动时系统能较好的保持正常工作,对被控对象的特性变化不敏感,也即表现出极强的鲁棒性。(4)模糊控制器的设计参数容易选择调整,算法简单、执行快、容易实现。基于以上认识,FD-200冻干设备采用带自动修改调节因子的Fuzzy控制算法,其能根据被控系统实际情况方便修改控制规则,其原理如图4所示。其中:S:系统的设定值e,ec:偏差与偏差变化率E,EC:经模糊量化处理后,偏差与偏差变化率变成的模糊量U:经模糊推理得到控制的模糊量u:U经模糊判断得到模糊控制器输出的精确量去控制被控对象Fuzzy控制规则表达式为U=aE+(1-a)EC。式中a为加权因子,通过改变a的值达到改变控制量的目的。由控制规则可看出,控制作用取决于偏差及偏差变化率,且通过调整a的大小,可以改变对偏差及偏差变化率的不同加权程度,a值一旦确定,在整个控制过程中就不再改变。但在实际系统中,系统在不同的状态下,对控制规则中偏差及偏差变化率的加权程度有不同的要求。如偏差较大时,控制系统的主要任务是消除偏差,此时对偏差的加权应该大些;当偏差小时,控制系统的主要任务是使系统尽快稳定,减小超调,此时要求在控制规则中偏差变化率的加权大些。为了得到较好的控制性能,就要求a值在控制过程中可调整,即控制规则可在控制过程中在线修正。可以采用下面的优化设计方法对a进行在线修正:当Ek、ECk异号时,按ak+1=ak+0.168(1-ak);当Ek、ECk同号时,按ak+1=0.168ak。1.5真空系统与制冷系统的控制FD-200冻干设备真空系统由两套相同的真空机组组成,一套为预抽真空机组,一套为维持真空机组。当冻干设备开始工作时,两套机组同时工作,以便在规定的时间内使干燥仓压力从大气压达到设定工作压力。当冻干过程开始时,真空机组负荷降低,预抽真空机组停机,仅维持真空机组工作就可满足要求。因真空机组中真空泵、真空阀的故障率较高,且真空机组一旦出现故障将会使干燥仓压力上升,导致干燥仓内冻干物料报废。为此,在控制系统中设计了干燥仓压力报警以及真空泵、真空阀手动切换功能。在整个冻干过程中真空机组的负荷会发生变化,为使干燥仓压力跟踪设定压力,在干燥仓设电动调节充气阀,通过检测干燥仓压力采用PID控制调节电动调节充气阀的开度以控制干燥仓的充气量,从而实现对干燥仓压力的控制。FD-200冻干设备制冷系统的主机采用氨用螺杆式压缩机,其制冷量在25%～100%可调。在冻干过程中,根据检测到的冷阱温度(一般直接取冷阱出口管路的制冷剂回气温度)来调节制冷系统的制冷量以及蒸发温度,以使冷阱温度跟踪设定温度。因制冷量和蒸发温度的调节不仅与压缩机有关,还与制冷系统其它部件有关,考虑到在一定时间段其负荷变化不大,制冷系统的调节采用手动调节。2碎冰冻干实验和小冻干实验FD-200冻干设备在现场安装调试完毕后进行了碎冰冻干实验和小葱冻干实验,实验测试结果如表2。从表2测试结果中可以看出,各控制参数的控制精度均能较好的满