PAC霧化干燥控制系統設計

譚興國， 曲凱

(河南理工大學 電氣學院， 焦作 454003)

PAC霧化干燥控制系統設計

譚興國， 曲凱

(河南理工大學 電氣學院， 焦作 454003)

液態物料噴霧干燥技術因其被控點較多，產品質量要求嚴格，被控點位置相距較遠等，亟需更為先進的控制系統和策略。結合噴霧干燥工藝特點，根據控制系統要求比較并選擇合適的控制變量；建立基于多層控制網絡的噴霧干燥塔微型計算機控制系統，同時對燃燒爐主鼓風機、引風機、送料泵等關鍵電氣設備采用變頻驅動技術實現節能降耗；研究完善干燥塔入口溫度控制的變速積分PID控制算法，實現液態物料噴霧干燥系統的智能控制。

液態物料干燥； 霧化干燥； PAC； 改進PID； 控制策略

0 引言

聚合氯化鋁(Polyaluminium chloride, PAC)是目前應用前景最廣的絮凝劑之一，主要應用在醫藥、制革、化妝品、水處理等方面。其制備一般都是先得到PAC液體產品(如采用氫氧化鋁與鹽酸溶液在一定的溫度和壓力下反應，得到聚合氯化鋁懸浮液，再經沉降壓濾得到澄清、透明的PAC溶液)，然后將液體產品加以干燥才得到固體聚合氯化鋁產品。

噴霧干燥(Spray Drying)采用霧化器將原料液分散為霧滴，并用熱空氣干燥霧滴而獲得產品的一種干燥方法[1、2]。料液經霧化后，表面積大大增加，在與熱風接觸過程中，瞬間就可蒸發95%-98%的水份，干燥時間僅需數秒鐘，特別適用于熱敏性物料的干燥，產品具有良好的均勻度、流動性和溶解性。

噴霧干燥的工藝流程，如圖1所示[3]。

濃縮料液通過加壓泵均質從噴霧干燥塔上方的噴嘴霧化，與此同時經高溫蒸汽加熱或者熱風爐直接加熱的熱風通過進風機從干燥塔頂部吹入，由于塔底排風機的引風作用，形成塔內負壓和氣流由上向下的流動動力，熱風與霧狀料液

圖1 噴霧干燥控制系統

一同向下流動，并且料液與熱風之間進行熱量的交換進而蒸發掉其中的水分，生成符合溫度和濕度指標的產品顆粒。成品在干燥室底部出料口包裝；經內旋風分離的濕熱空氣與微量粉塵的混合物在旋風分離器收集成品后，廢氣通過濕式除塵器由排風機排入大氣。

液態物料噴霧干燥技術因其被控點較多，產品質量要求嚴格，被控點位置相距較遠等因素，亟需更為先進的控制系統和策略。本文結合噴霧干燥工藝特點，建立基于多層控制網絡的噴霧干燥塔微型計算機控制系統，完成PAC液態物料干燥控制。同時對PAC控制系統中的關鍵電氣設備如燃燒爐主鼓風機、各主次引風機、送料泵等采用變頻驅動技術實現節能降耗；研究完善干燥塔溫度控制的改進PID控制算法，給出傳統PID與采用變速積分PID的仿真結果比較，實驗證明了變速積分PID算法的有效性，實現液態物料噴霧干燥系統的智能控制。

1 控制系統變量選擇

1.1 控制變量選擇

PAC霧化干燥系統如何選擇控制變量，并根據控制系統的特點采取相應的算法成為本系統設計的關鍵。在PAC霧化干燥控制系統中，影響產品質量的直接參數是產品中的水分含量，但水分不宜測量(測量難以做到準確實時)，故被控量y(t)采用溫度變量進行間接測量控制。

在本系統中，影響干燥器溫度的因素包括料液的流量、熱空氣的流量和干燥塔入口空氣的溫度等。可有3種控制方案選擇。

控制方案1，采用料液流量f1為控制量。其控制框圖，如圖2所示。

圖2 以料液流量為控制量時的控制框圖

該控制方案的優點是被控量料液f1直接進入干燥器，控制通道滯后較少，干擾量小，校正靈敏；此時換熱蒸汽f3和旁路空氣f2都是閉環系統的內部擾動量，擾動通道滯后大，且擾動位置靠近調節閥，這些都有利于提升系統的動態控制指標。但當選擇料液充當控制量，不能保證料液總產量最大；另外為了控制料液流量，需要在料液管線安裝調節閥，液態料液易結塊，影響產品質量。此方案盡管控制性能相對較好，但實際不予采用。

控制方案2選擇旁路空氣f2作為控制量，如圖3所示。

圖3 以旁路空氣作為控制量時的系統框圖

控制方案3采用換熱蒸汽f3作為控制量，如圖4所示。

圖4 以換熱蒸汽作為控制量時的系統框圖

兩者主控通道性能接近，下面從擾動通道角度分析其對控制性能的影響。

可以看到料液流量f1現在作為內環的擾動，對兩種情況下的控制通道影響相同。當旁路空氣f2作為控制量時，f3擾動通道的時間常數Tf3較大，且擾動點作用位置靠近閥2，有利于擾動的抑制，改善系統動態響應。而當采用蒸汽f3作為控制量時，f2擾動通道時間常數Tf2小，而控制通道時間常數T相對較大，不利于提升系統動態性能。

總上分析可知，PAC霧化干燥系統中，從產品要求、實現工藝和控制性能綜合考慮，選擇旁路空氣作為主控量具有最優性價比。

2 模型與閉環控制算法

2.1 PAC霧化干燥控制系統構成

從整個PAC霧化控制流程可以發現， PAC霧化干燥過程中，至少包含3個子系統：燃煤控制子系統，干燥塔控制系統、引風除塵控制系統。這3個系統相互影響，其中最為重要的是干燥塔控制系統。

控制核心采用西門子S7-200-CPU224，并擴展多塊模擬量轉換模塊UN231，UN232，UN235與IO擴展模塊6S7223以滿足系統中各控制設備的接口需求。并通過6GK7 243以太網模塊建立CPU與CPU之間以及與現場模塊之間的通訊聯絡。

2.2 閉環PID控制算法

以下以干燥塔控制系統為例說明控制算法。噴霧干燥是一個復雜的物理過程，該過程可以近似為一階慣性滯后對象，利用階躍響應飛升曲線，可以獲得系統的時間常數t1和純滯后時間常數τ，從而獲得對象的數學模型[4]，如式(1)。

(1)

PAC干燥塔控制系統中設置了兩個閉環。其一為溫度閉環，為實現系統的水分控制的目的，對入口溫度實施閉環調節，入口溫度設定為110度，選擇旁路空氣f2作為主控變量，即通過變頻器控制旁路空氣鼓風機，從而改變干燥塔入口空氣溫度。其二為干燥塔負微壓控制閉環。為防止物料外泄，避免粉塵飛揚，保證噴霧系統安全工作，干燥塔內應呈現微負壓狀態，即引風量略大于鼓風量，本系統設定壓力為-50帕。

這兩個閉環均采用離散PID控制算法，如式(2)。

(2)

PID算法中由比例項up，積分項ui和微分項ud構成。積分項ui中積分系數ki對系統性能影響較大。一般希望系統偏差e大時積分作用應減弱甚至全無以防止積分飽和效應，而在偏差e小時則應加強以抑制穩態誤差。為改善控制性能，本文應用變速積分PID實現對溫度和壓力的閉環控制。其算法如式(3)。

將式(2)中的求和項單獨進行如下處理：

(3)

其中變速系數fe與當前偏差值e(k)關系如下：

(4)

fe值在[0,1]區間內變化，當偏差大于所給分離區間A+B后，fe=0，不再對當前值進行繼續累加；當偏差e(k)小于B時，加入當前值e(k)，與一般PID積分項相同，積分動作達到最高速；而當偏差e(k)在B與A+B之間時，則累加計入的是部分當前值，其值在0～e(k)之間隨e(k)的大小而變化。

2.3 仿真驗證

為了驗證本文提出的變速積分PID算法的有效性，本文在MATLAB中建立了閉環PID的仿真模型，設采樣時間為20 s，系統延遲時間為4個采樣時間，即80 s，取kP=0.5，kd=12，kI=0.048。控制輸出限幅為200。積分變速點A=40，B=60。溫度設定rin=110度。仿真結果如圖5所示。

圖5 普通PID與變速積分PID控制效果

由圖分析可知，采用變速積分PID，積分系數fe隨著偏差e的變速增加，在系統偏差e較大時，積分作用較小，隨著偏差減小，積分作用逐漸增加。相對于普通PID，同樣參數下，變速積分PID系統響應速度變快，無超調，穩態誤差為零，顯著提升了控制性能，如圖6所示。

圖6 變速積分系數fe變化過程

2.4 PLC中的改進PID實現算法

一般PLC內部都具有可以調用的PID指令或模塊，但內部PID算法是固定的，若要執行一些特定PID改進算法，需要用戶編寫相應程序。例如西門子Step7提供了一個以固定時間間隔循環運行的循環中斷組織塊OB35[5]。本文在利用定時器中斷控制采用周期調用改進PID程序。

本文中PID運算需要采集被控量的狀態，采用溫度和壓力傳感器將實際溫度和壓力轉換為模擬量之后，經PLC AD模塊處理后的數據還需將相應參量轉換為標準的浮點數。同樣PID指令的運算結果也為實型，在將其轉換輸出到DA轉換器之前，也需要進行轉換。

為了便于實現PID程序的運算，根據式(2)和式(3)可以得到改進的變速積分PID程序的增量式算法：

(5)

與普通PID相比，本算是僅增加了變速系數對應的積分項的處理。編程過程中應根據式(4)首先計算各步長下的變速系數，之后代入式(5)即可獲得變速PID運算結果。

實際系統控制監測界面如圖7所示。

圖7 上位機監控界面

3 變頻驅動技術

在PAC干燥控制過程中，送風機、引風機、霧化器、噴淋泵、供料泵等均為三相交流異步電機且功率較大。從節能和減小啟動電流的角度考慮，均采用變頻驅動方式。下面以圖6中引風機變頻驅動為例說明。

電機具有過流、短路保護，其控制原理，如圖8所示。

圖8 引風機變頻控制原理圖

PLC通過壓力變送器獲取干燥塔內壓力數據，經過PID算法通過AO模塊將干燥塔負微壓控制閉環所需控制命令轉換為4-20 mA電流信號，傳送到變頻器模擬量輸入端子CCI，控制變流器輸出頻率，從而維持塔內負壓要求；PLC的AO模塊則可以實時檢測變頻器運行電流數據A01并送上位機顯示。PLC的故障信息經Y2端子輸出到PLC進行狀態檢測，而變頻器則通過PLC控制中間繼電器KA1利用其X1端子實現引風機的起停控制。

4 總結

本文分析了PAC液態物料噴霧干燥控制系統的特點，從控制系統性能和產品質量要求等方面提分析了選擇過熱蒸汽、旁路空氣以及料液流量作為主控變量的優缺點，最終選擇旁路空氣作為控制變量。設計了基于3層網絡模型的計算機控制系統模型，對PAC干燥系統中溫度PID算法進行了改進。通過仿真證明此變速PID控制方法在不影響控制精度的前提下，可以顯著改進系統動態性能指標。

[1] 朱明清, 劉彤軍. 噴霧干燥過程分析及其PID控制仿真[J]. 自動化技術與應用, 2013, 32(12): 35-38.

[2] 董桂菊, 崔天時. 奶粉干燥過程控制系統的研究[J]. 東北農業大學學報, 2000, 31(4): 385-389.

[3] 趙磊, 唐亞鳴, 楊剛. 霧化器轉速對干燥產品含水量的影響研究[J]. 機械制造與自動化,2013, 41(2): 80-82.

[4] 程大方, 張烈平. 遺傳算法優化模糊PID的噴霧干燥溫度控制應用[J]. 工業控制計算機, 2010, 23(3): 58-59,62.

[5] 何軍紅, 尹旭佳, 史常勝. PID控制算法在西門子PLC中編程及實現[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2012(5): 79-82.

A Design of PAC Spray Drying Control System

Tan Xingguo, Qu Kai

(School of Electrical Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

In liquid material spray drying techniques, there are many controlled vibrates, stricte product quality requirements, and control point is far away from control center, so more advanced control system and strategies are deeply demanded. Considering the characteristics of spray drying process, proper control vibrates are compared, and spray drying computer control system based on multilayer control network is established. Variable frequency drive technology is used in main blower, induced draft fan feeding pumps and other critical electrical equipment. A PID controller with changing integration rate is used to improve drying tower inlet temperature control effect, so as to realize intelligent control in liquid material spray drying system.

Liquid material drying techniques; Spray drying; PAC; Improved PID; Control method

新能源電力系統國家重點實驗室開放課題(LAPS15013)，河南省高等學校重點科研項目(16A470009).

譚興國(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：智能控制技術、電力電子在電力系統中的應用等. 曲凱(1992-)，朝陽人，碩士研究生，研究方向：智能控制技術電力電子交換技術.

1007-757X(2017)04-0012-03

TP393

A

2016.05.18)