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发酵罐的弹簧管式换/列管式/换热器式三种换热结构区别及特点

作者:发酵罐 时间:2018-01-26 14:20
发酵罐常见的罐内换热管结构及固定型式,总体上都具有加工制作不困难、利用率高、经济实用等优点,广泛应用在发酵行业中。但有时只靠内部换热管还无法达到工艺要求的换热面积时可采用增加外壁半管的型式以增加换热面积,并且还可增加罐体的 信息摘要:
发酵罐 是食品、化工、生物制药等行业常用发酵设备,换热器作为发酵罐在生产过程中不可缺少的组成设备,承担着工业生产过程中热量交换和传递的作用。现代工厂常用的换热器结构为弹簧管式换热结构、列管式换热结构和换热

发酵罐的弹簧管式换/列管式/换热器式三种换热结构区别及特点

发酵罐温控系统之PID控制器讲解

常规的PID调节方法,即比例、积分、微分控制规律。是在工业生产中应用最广泛、研究得最成熟的一种简单的自适应控制方式,即使在欧、美、日等工业发达的国家,采用现代的高级控制算法的回路数也仅占很小的比例,90%以上的控制回路基本上还是采用PID控制算法。

发酵罐温控系统采用PID控制算法的三个原因:

1. 锥形发酵罐温度控制系统的PID控制不要求严格掌握被控对象的数学模型,而现代的控制算法是以精确的数学模型为基础的。

2. 发酵罐温度控制系统的PID控制算法结构简单、稳定性好、物理概念清晰等,容易被现场工程师所接受。

3. 在近半个世纪的PID算法发展过程中,广大工程技术人员已经积累了丰富的经验,摸索出了一系列整定PID参数的方法。

对于发酵罐温度控制系统的PID控制尽管取得了一系列的研究成果和应用经验,但人们对发酵罐温度控制系统的PID的认识和改进还远没有完成。到目前为止对PID的机理、适用范围、鲁棒性等问题还没有彻底的全面的分析研究。事实上,PID并非万能的控制器,在存在多变量祸合、时变、大时滞、强干扰等复杂动态特性的系统中,PID很难获得理想的控制效果,甚至产生不稳定。因此,有必要对发酵罐温度控制系统的PID的控制机理进行全面的分析,并对在上述场合中的应用提出改进的办法。

发酵罐温度控制系统的PID控制中的一个关键问题是PID参数整定,传统的整定方法是在获得被控对象数学模型的基础上按照某种整定原则来进行PID参数值的整定。而实际的工业生产过程往往具有非线性,时变不确定性,难以建立精确的数学模型,应常规的PID控制不能达到理想的控制效果。另外,在实际生产现场中,PID参数整定与自整定的方法很多,但往往难以实施或不太理想,常规PID控制器参数常常整定不良,性能欠佳,对运行工况的适应性差。因此,在发酵罐温度控制系统的PID参数的整定及自整定方面还有待进一步深入研究。

从结构上看发酵罐温度控制系统的PID控制器最简单,但并非最优,在克服较大扰动影响,提高系统动态品质等方面,光靠调整参数难以获得满意的控制效果。因此,还有必要在全面分析的基础上,对PID控制器进行结构上的改进。

PLC闭环控制系统中PID控制器的实现

本系统采用德国SIMENS公司的S7-300PLC为控制核心,可实现温度的采集与自动调节。本系统要求实现12路温度控制,每一回路均为设定固定值控制。根据实际要求选用相应的功能模块。其中CPU模块选用CPU-314IFM,其带有一个MPI接口,集成有20个数字输入端、16个数字输出端、4个模拟输入端、1个模拟输出端,内部集成PID控制功能块,可以方便的实现PID控制。

PID控制器是比例—积分—微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的简称,之所以得到广泛应用是因为它具有以下优点:

(1)不需要精确的控制系统数学模型。由于非线性和时变性,很多工业控制对象难以得到其准确的数学模型,因此不能使用控制理论中的设计方法。对于这一类系统,使用PID控制可以得到比较满意的效果。

(2)有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除系统的静差,微分控制可以改善系统得动态响应速度,比例、积分和微分控制三者有效的结合就可以满足不同的控制要求。根据被控对象的具体情况,还可以采用各种PID控制的改进的控制方式,如PI、PD、带死区的PID、积分分离PID、变速积分PID等。

(3)PID控制器的结构模型,程序设计简单,工程上易于实现,参数调整方便。

3.3 PLC实现PID控制的方式

用PLC对模拟量进行PID控制时,可以采用以下几种方法:

(1)使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的,并存放在模块中,用户在使用时只需设置一些参数,使用起来非常方便,一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格较高,一般在大型控制系统中使用。

(2)使用PID功能指令。现在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令,如S7-200的PID指令。他们实际上是用于PID控制的子程序,与模拟量输入/输出模块一起使用,可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果,但是价格便宜。

(3)用自编的程序实现PID闭环控制。有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令,有的虽然可以使用PID 控制指令,但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下,都需要用户自己编制PID控制程序。

3.4 PID控制参数的调整

1. 采样周期TS的确定

根据采样定理可知,采样频率应该大于或等于被采样信号所含最高频率的两倍,才能还原出原信号,即fs≥2fmax,式中fs为采样频率, fmax为被采样信号中最高频率。

2. 参数Kp、Ki、Kd的确定

PID控制回路的参数整定是模拟量闭环控制中的一个难点,如果初始参数选择不当,可能会出现很大的超调量,甚至使系统不稳定。西门子公司的新一代小型S7-200PLC具有PID参数自整定功能,V4.0版的编程软件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。这两项功能相结合,使用户能轻松地实现PID 的参数自整定。自整定能提供一组近似最优的整定参数。S7-200的V4.0 版编程软件STEP7-Micro/WIN中的PID整定控制面板用图形方式监视PID回路。该面板还可用来起动或取消自整定过程,设置自整定的参数,并将推荐的整定值或用户设置的整定值应用到实际控制中。

发酵罐的弹簧管式换/列管式/换热器式三种换热结构区别及特点

发酵罐是食品、化工、生物制药等行业常用发酵设备,换热器作为发酵罐在生产过程中不可缺少的组成设备,承担着工业生产过程中热量交换和传递的作用。现代工厂常用的换热器结构为弹簧管式换热结构、列管式换热结构和换热器式换热结构三种,每种换热器结构都有不同的特点,不同发酵罐采用的换热器结构不同。

不锈钢锥形发酵罐

1、弹簧管式换热器结构

该换热器结构具有多组盘管,结构紧凑,占用体积较小等优点,可以多组、多层地固定在设备内,产生较大的换热面积,用在换热量要求较多的场合。单、双列盘管换热面积一般相对多组的盘管可以满足的换热面积较少,用于换热面积要求不太大的场合,并且在搅拌设备中单、双列盘管不能起到防涡流的作用,设备内需设置挡板以防止搅拌时形成涡流,多组盘管则一般可以不再加挡板。

2、列管式换热结构

该结构的换热器与弹簧管式换热结构类似,但较弹簧式容易清洗,在占用相同空间的情况下换热面积大小相差不大,亦可多排、多层排列产生较大的换热面积,但排管式换热结构可以比弹簧管式在搅拌过程中产生更好的防涡流作用,起到更好的搅拌挡板作用,所以根据生产工艺和设备内介质的需求用在不同场合,如用在菌丝较长的发酵设备中。

3、换热器式换热结构

此结构类型的换热器产生的换热面积最大,在占用相同空间的情况下,产生的换热面积为弹簧管、列管式的几倍甚至十几倍,一般应用在较大规格及换热面积要求较大的设备上。

此种换热结构可有多种连接组合形式,小型发酵罐,如换热器的长短,换热器的串并联、换热器的进出口连接方式等由设计者根据不同的需求而确定。此种结构也可以与设备的搅拌相配合,如产生一定的折流与防涡流作用。

上述三种换热管结构弹簧管式是这三种结构中最容易加工,生产效率、利用率最高的,基本利用率可达100%。换热管式相对加工工序复杂,生产效率较低,是这三种中加工制造最繁琐的;列管式较弹簧管式从利用率、加工制作上稍差一些。

总之,以上介绍的是发酵罐常见的罐内换热管结构及固定型式,总体上都具有加工制作不困难、利用率高、经济实用等优点,广泛应用在发酵行业中。但有时只靠内部换热管还无法达到工艺要求的换热面积时可采用增加外壁半管的型式以增加换热面积,并且还可增加罐体的强度,外壁半管根据不同的设备也有多种型式。

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