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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別及特點

作者:發酵罐 時間:2018-01-26 14:20
發酵罐常見的罐內換熱管結構及固定型式,總體上都具有加工製作不困難、利用率高、經濟實用等優點,廣泛應用在發酵行業中。但有時隻靠內部換熱管還無法達到工藝要求的換熱麵積時可采用增加外壁半管的型式以增加換熱麵積,並且還可增加罐體的 信息摘要:
發酵罐 是食品、化工、生物製藥等行業常用發酵設備,換熱器作為發酵罐在生產過程中不可缺少的組成設備,承擔著工業生產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

發酵罐的彈簧管式換/列管式/換熱器式三種換熱結構區別及特點

發酵罐溫控係統之PID控製器講解

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

發酵罐溫控係統采用PID控製算法的三個原因:

1. 錐形發酵罐溫度控製係統的PID控製不要求嚴格掌握被控對象的數學模型,而現代的控製算法是以精確的數學模型為基礎的。

2. 發酵罐溫度控製係統的PID控製算法結構簡單、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,摸索出了一係列整定PID參數的方法。

對於發酵罐溫度控製係統的PID控製盡管取得了一係列的研究成果和應用經驗,但人們對發酵罐溫度控製係統的PID的認識和改進還遠沒有完成。到目前為止對PID的機理、適用範圍、魯棒性等問題還沒有徹底的全麵的分析研究。事實上,PID並非萬能的控製器,在存在多變量禍合、時變、大時滯、強幹擾等複雜動態特性的係統中,PID很難獲得理想的控製效果,甚至產生不穩定。因此,有必要對發酵罐溫度控製係統的PID的控製機理進行全麵的分析,並對在上述場合中的應用提出改進的辦法。

發酵罐溫度控製係統的PID控製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。而實際的工業生產過程往往具有非線性,時變不確定性,難以建立精確的數學模型,應常規的PID控製不能達到理想的控製效果。另外,在實際生產現場中,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控製器參數常常整定不良,性能欠佳,對運行工況的適應性差。因此,在發酵罐溫度控製係統的PID參數的整定及自整定方麵還有待進一步深入研究。

從結構上看發酵罐溫度控製係統的PID控製器最簡單,但並非最優,在克服較大擾動影響,提高係統動態品質等方麵,光靠調整參數難以獲得滿意的控製效果。因此,還有必要在全麵分析的基礎上,對PID控製器進行結構上的改進。

PLC閉環控製係統中PID控製器的實現

本係統采用德國SIMENS公司的S7-300PLC為控製核心,可實現溫度的采集與自動調節。本係統要求實現12路溫度控製,每一回路均為設定固定值控製。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個模擬輸入端、1個模擬輸出端,內部集成PID控製功能塊,可以方便的實現PID控製。

PID控製器是比例—積分—微分控製(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)不需要精確的控製係統數學模型。由於非線性和時變性,很多工業控製對象難以得到其準確的數學模型,因此不能使用控製理論中的設計方法。對於這一類係統,使用PID控製可以得到比較滿意的效果。

(2)有較強的靈活性和適應性。積分控製可以消除係統的靜差,微分控製可以改善係統得動態響應速度,比例、積分和微分控製三者有效的結合就可以滿足不同的控製要求。根據被控對象的具體情況,還可以采用各種PID控製的改進的控製方式,如PI、PD、帶死區的PID、積分分離PID、變速積分PID等。

(3)PID控製器的結構模型,程序設計簡單,工程上易於實現,參數調整方便。

3.3 PLC實現PID控製的方式

用PLC對模擬量進行PID控製時,可以采用以下幾種方法:

(1)使用PID過程控製模塊。這種模塊的PID控製程序是PLC生產廠家設計的,並存放在模塊中,用戶在使用時隻需設置一些參數,使用起來非常方便,一塊模塊可以控製幾路甚至幾十路閉環回路。但是這種模塊的價格較高,一般在大型控製係統中使用。

(2)使用PID功能指令。現在很多的PLC都有供PID控製用的功能指令,如S7-200的PID指令。他們實際上是用於PID控製的子程序,與模擬量輸入/輸出模塊一起使用,可以得到類似於使用PID過程控製模塊的效果,但是價格便宜。

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

3.4 PID控製參數的調整

1. 采樣周期TS的確定

根據采樣定理可知,采樣頻率應該大於或等於被采樣信號所含最高頻率的兩倍,才能還原出原信號,即fs≥2fmax,式中fs為采樣頻率, fmax為被采樣信號中最高頻率。

2. 參數Kp、Ki、Kd的確定

PID控製回路的參數整定是模擬量閉環控製中的一個難點,如果初始參數選擇不當,可能會出現很大的超調量,甚至使係統不穩定。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整定控製麵板。這兩項功能相結合,使用戶能輕鬆地實現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整定控製麵板用圖形方式監視PID回路。該麵板還可用來起動或取消自整定過程,設置自整定的參數,並將推薦的整定值或用戶設置的整定值應用到實際控製中。

發酵罐的彈簧管式換/列管式/換熱器式三種換熱結構區別及特點

發酵罐是食品、化工、生物製藥等行業常用發酵設備,換熱器作為發酵罐在生產過程中不可缺少的組成設備,承擔著工業生產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。

不鏽鋼錐形發酵罐

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、多層地固定在設備內,產生較大的換熱麵積,用在換熱量要求較多的場合。單、雙列盤管換熱麵積一般相對多組的盤管可以滿足的換熱麵積較少,用於換熱麵積要求不太大的場合,並且在攪拌設備中單、雙列盤管不能起到防渦流的作用,設備內需設置擋板以防止攪拌時形成渦流,多組盤管則一般可以不再加擋板。

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麵積大小相差不大,亦可多排、多層排列產生較大的換熱麵積,但排管式換熱結構可以比彈簧管式在攪拌過程中產生更好的防渦流作用,起到更好的攪拌擋板作用,所以根據生產工藝和設備內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產生的換熱麵積最大,在占用相同空間的情況下,產生的換熱麵積為彈簧管、列管式的幾倍甚至十幾倍,一般應用在較大規格及換熱麵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,換熱器的串並聯、換熱器的進出口連接方式等由設計者根據不同的需求而確定。此種結構也可以與設備的攪拌相配合,如產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,生產效率、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,生產效率較低,是這三種中加工製造最繁瑣的;列管式較彈簧管式從利用率、加工製作上稍差一些。

總之,以上介紹的是發酵罐常見的罐內換熱管結構及固定型式,總體上都具有加工製作不困難、利用率高、經濟實用等優點,廣泛應用在發酵行業中。但有時隻靠內部換熱管還無法達到工藝要求的換熱麵積時可采用增加外壁半管的型式以增加換熱麵積,並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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