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發酵罐的彈簧管式換/列管式/換熱器式三種換熱結構區别及特點

作者:發酵罐 時間:2018-01-26 14:20
發酵罐常見的罐内換熱管結構及固定型式,總體上都具有加工制作不困難、利用率高、經濟實用等優點,廣泛應用在發酵行業中。但有時隻靠内部換熱管還無法達到工藝要求的換熱面積時可采用增加外壁半管的型式以增加換熱面積,并且還可增加罐體的 信息摘要:
發酵罐 是食品、化工、生物制藥等行業常用 發酵 設備,換熱器作為發酵罐在生産過程中不可缺少的組成設備,承擔着工業生産過程中熱量交換和傳遞的作用。現代工廠常用的換熱器結構為彈簧管式換熱結構、列管式換熱結構和換

發酵罐的彈簧管式換/列管式/換熱器式三種換熱結構區别及特點

發酵罐溫控系統之PID控制器講解

常規的PID調節方法,即比例、積分、微分控制規律。是在工業生産中應用最廣泛、研究得最成熟的一種簡單的自适應控制方式,即使在歐、美、日等工業發達的國家,采用現代的高級控制算法的回路數也僅占很小的比例,90%以上的控制回路基本上還是采用PID控制算法。

發酵罐溫控系統采用PID控制算法的三個原因:

1. 錐形發酵罐溫度控制系統的PID控制不要求嚴格掌握被控對象的數學模型,而現代的控制算法是以精确的數學模型為基礎的。

2. 發酵罐溫度控制系統的PID控制算法結構簡單、穩定性好、物理概念清晰等,容易被現場工程師所接受。

3. 在近半個世紀的PID算法發展過程中,廣大工程技術人員已經積累了豐富的經驗,摸索出了一系列整定PID參數的方法。

對于發酵罐溫度控制系統的PID控制盡管取得了一系列的研究成果和應用經驗,但人們對發酵罐溫度控制系統的PID的認識和改進還遠沒有完成。到目前為止對PID的機理、适用範圍、魯棒性等問題還沒有徹底的全面的分析研究。事實上,PID并非萬能的控制器,在存在多變量禍合、時變、大時滞、強幹擾等複雜動态特性的系統中,PID很難獲得理想的控制效果,甚至産生不穩定。因此,有必要對發酵罐溫度控制系統的PID的控制機理進行全面的分析,并對在上述場合中的應用提出改進的辦法。

發酵罐溫度控制系統的PID控制中的一個關鍵問題是PID參數整定,傳統的整定方法是在獲得被控對象數學模型的基礎上按照某種整定原則來進行PID參數值的整定。而實際的工業生産過程往往具有非線性,時變不确定性,難以建立精确的數學模型,應常規的PID控制不能達到理想的控制效果。另外,在實際生産現場中,PID參數整定與自整定的方法很多,但往往難以實施或不太理想,常規PID控制器參數常常整定不良,性能欠佳,對運行工況的适應性差。因此,在發酵罐溫度控制系統的PID參數的整定及自整定方面還有待進一步深入研究。

從結構上看發酵罐溫度控制系統的PID控制器最簡單,但并非最優,在克服較大擾動影響,提高系統動态品質等方面,光靠調整參數難以獲得滿意的控制效果。因此,還有必要在全面分析的基礎上,對PID控制器進行結構上的改進。

PLC閉環控制系統中PID控制器的實現

本系統采用德國SIMENS公司的S7-300PLC為控制核心,可實現溫度的采集與自動調節。本系統要求實現12路溫度控制,每一回路均為設定固定值控制。根據實際要求選用相應的功能模塊。其中CPU模塊選用CPU-314IFM,其帶有一個MPI接口,集成有20個數字輸入端、16個數字輸出端、4個模拟輸入端、1個模拟輸出端,内部集成PID控制功能塊,可以方便的實現PID控制。

PID控制器是比例—積分—微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的簡稱,之所以得到廣泛應用是因為它具有以下優點:

(1)不需要精确的控制系統數學模型。由于非線性和時變性,很多工業控制對象難以得到其準确的數學模型,因此不能使用控制理論中的設計方法。對于這一類系統,使用PID控制可以得到比較滿意的效果。

(2)有較強的靈活性和适應性。積分控制可以消除系統的靜差,微分控制可以改善系統得動态響應速度,比例、積分和微分控制三者有效的結合就可以滿足不同的控制要求。根據被控對象的具體情況,還可以采用各種PID控制的改進的控制方式,如PI、PD、帶死區的PID、積分分離PID、變速積分PID等。

(3)PID控制器的結構模型,程序設計簡單,工程上易于實現,參數調整方便。

3.3 PLC實現PID控制的方式

用PLC對模拟量進行PID控制時,可以采用以下幾種方法:

(1)使用PID過程控制模塊。這種模塊的PID控制程序是PLC生産廠家設計的,并存放在模塊中,用戶在使用時隻需設置一些參數,使用起來非常方便,一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環回路。但是這種模塊的價格較高,一般在大型控制系統中使用。

(2)使用PID功能指令。現在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令,如S7-200的PID指令。他們實際上是用于PID控制的子程序,與模拟量輸入/輸出模塊一起使用,可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果,但是價格便宜。

(3)用自編的程序實現PID閉環控制。有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令,有的雖然可以使用PID 控制指令,但是希望采用某種改進的PID控制算法。在上述情況下,都需要用戶自己編制PID控制程序。

3.4 PID控制參數的調整

1. 采樣周期TS的确定

根據采樣定理可知,采樣頻率應該大于或等于被采樣信号所含最高頻率的兩倍,才能還原出原信号,即fs≥2fmax,式中fs為采樣頻率, fmax為被采樣信号中最高頻率。

2. 參數Kp、Ki、Kd的确定

PID控制回路的參數整定是模拟量閉環控制中的一個難點,如果初始參數選擇不當,可能會出現很大的超調量,甚至使系統不穩定。西門子公司的新一代小型S7-200PLC具有PID參數自整定功能,V4.0版的編程軟件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面闆。這兩項功能相結合,使用戶能輕松地實現PID 的參數自整定。自整定能提供一組近似最優的整定參數。S7-200的V4.0 版編程軟件STEP7-Micro/WIN中的PID整定控制面闆用圖形方式監視PID回路。該面闆還可用來起動或取消自整定過程,設置自整定的參數,并将推薦的整定值或用戶設置的整定值應用到實際控制中。

發酵罐的彈簧管式換/列管式/換熱器式三種換熱結構區别及特點

發酵罐是食品、化工、生物制藥等行業常用發酵設備,換熱器作為發酵罐在生産過程中不可缺少的組成設備,承擔着工業生産過程中熱量交換和傳遞的作用。現代工廠常用的換熱器結構為彈簧管式換熱結構、列管式換熱結構和換熱器式換熱結構三種,每種換熱器結構都有不同的特點,不同發酵罐采用的換熱器結構不同。

發酵罐的彈簧管式換/列管式/換熱器式三種換熱結構區别及特點

1、彈簧管式換熱器結構

該換熱器結構具有多組盤管,結構緊湊,占用體積較小等優點,可以多組、多層地固定在設備内,産生較大的換熱面積,用在換熱量要求較多的場合。單、雙列盤管換熱面積一般相對多組的盤管可以滿足的換熱面積較少,用于換熱面積要求不太大的場合,并且在攪拌設備中單、雙列盤管不能起到防渦流的作用,設備内需設置擋闆以防止攪拌時形成渦流,多組盤管則一般可以不再加擋闆。

2、列管式換熱結構

該結構的換熱器與彈簧管式換熱結構類似,但較彈簧式容易清洗,在占用相同空間的情況下換熱面積大小相差不大,亦可多排、多層排列産生較大的換熱面積,但排管式換熱結構可以比彈簧管式在攪拌過程中産生更好的防渦流作用,起到更好的攪拌擋闆作用,所以根據生産工藝和設備内介質的需求用在不同場合,如用在菌絲較長的發酵設備中。

3、換熱器式換熱結構

此結構類型的換熱器産生的換熱面積最大,在占用相同空間的情況下,産生的換熱面積為彈簧管、列管式的幾倍甚至十幾倍,一般應用在較大規格及換熱面積要求較大的設備上。

此種換熱結構可有多種連接組合形式,小型發酵罐,如換熱器的長短,換熱器的串并聯、換熱器的進出口連接方式等由設計者根據不同的需求而确定。此種結構也可以與設備的攪拌相配合,如産生一定的折流與防渦流作用。

上述三種換熱管結構彈簧管式是這三種結構中最容易加工,生産效率、利用率最高的,基本利用率可達100%。換熱管式相對加工工序複雜,生産效率較低,是這三種中加工制造最繁瑣的;列管式較彈簧管式從利用率、加工制作上稍差一些。

總之,以上介紹的是發酵罐常見的罐内換熱管結構及固定型式,總體上都具有加工制作不困難、利用率高、經濟實用等優點,廣泛應用在發酵行業中。但有時隻靠内部換熱管還無法達到工藝要求的換熱面積時可采用增加外壁半管的型式以增加換熱面積,并且還可增加罐體的強度,外壁半管根據不同的設備也有多種型式。

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