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即多功能化、高效率、高可靠性、省材料、省能源,不断满足人们生活和生产多元化需求。
本文从系统的观念出发,综合运用机械技术、微电子技术,自动化技术,及过控技术在化工生产中的应用。
着重例举了锅炉汽包水位的控制和冷却剂流量和气氨排量的最佳控制方案。
提出了过程自动化控制今后的主要目标,指明了机械设计制造及其自动化的发展方向。
第一章序言
1.1机械自动化的产生和定义
早在1971年日本的《机械设计》杂志副刊上刊登了机电一体化这一名词,后来随着机电一体化的发展而被广泛的应用。
美国机械工程师协会于1984年为现代机械下了如下定义:
“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。
它与前面提及的机电一体化是一致的,因此可以说现代机械就是指机电一体化系统。
20世纪90年代国际机器与机构理论联合会,给出了这样的定义,机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。
因此又可以说机电一体化就是在机械设计制造及其自动化基础上的发展。
1.2机械自动化的科学技术
机械设计制造及其自动化是机械技术和电子技术为主体,多门技术学科相互渗透、相互结合的产物,是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科,机械自动化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电器化”迈入了以“机械自动化”为特征的发展阶段。
它的发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科,随着生产和科学技术的发展,还将不断被赋予新的内容。
但其最基本的特征可概括为:
机械自动化的设计制造是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织结构目标,在多功能、高质量、高可靠性,低能耗的意义上实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术。
需要强调的是,机械自动化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术,而不是机械技术,以及其他新技术的简单组合、拼凑,这就是现代机械与机械电气化在概念上的根本区别。
现代机械设计制造出的产品,不仅是人和手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的延伸,具有智能化的特征是现代机械自动化和传统的机械在功能上的本质区别。
1满足对机器的功能要求
2利用先进技术不断创新
1.3机械设计制造及自动化的符合设计原则
1.3.1满足对机器的功能要求
1.3.2利用先进技术不断创新
第二章机械自动化系统在化工生产中的应用
生产过程中,对各个工艺过程的物理量(或工艺变量)有着一定的控制要求。
有些工艺变量直接表现生产过程,对产品的数量与质量起着决定性的作用。
例如,精馏塔的塔顶或塔釜温度,一般在操作压力不变的情况下必须保持一定,才能得到合格的产品;
加热炉出口温度的波动不能超过允许范围,否则将影响后一工段的效果;
化学反应器的反应温度必须保持平稳,才能使效率达到指标。
有些工艺变量虽不直接地影响产品的质量和数量,然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。
2.1锅炉汽包水位控制方面的研究
锅炉汽包是生产蒸汽的设备,几乎是工业生产不可缺少的设备,保持锅炉汽包的液位高度在规定范围内是非常重要的,若水位过低,则会影响产气量,且锅炉易烧干而发生事故;
若水位过高,生产蒸汽含水量高,会影响蒸汽质量。
这些都是危险的,因此对汽包的液位严加控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施。
2.1.1单冲量控制系统
汽包水位控制手段是控制给水,基于这一原理,可构成如图3-1所示的单冲量控制系统。
图3-1汽包单冲量控制系统
这里的“冲量”一词是指变量,单冲量即汽包水位。
这种控制系统
典行的简单控制系统。
当蒸汽负荷突然大幅度增加时,由于假水位现象,控制器不但不能开大给水阀来增加给水量,以维持锅炉的物料平衡,而是关小控制阀的开度,减小给水量。
等到假水位消失后,由于蒸汽量增加,送水量反而减小,将使水位严重下降,波动很历害,严重时气包水位降到危险程度以至发生事故。
因此对于停留时间短、负荷变动较大的情况,这样的系统不能适应,水位不能保证。
然而对于小型锅炉,由于水在汽包中的停留时间较长,在蒸汽负荷变化时,假水位的现象并不显著,配上一些联锁报警装置,也可以保证安全操作,故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产要求。
2.1.2双冲量控制系统
在汽包水位的控制中,最主要的扰动是蒸汽负荷的变化。
如果根据蒸汽流量来进行校正,不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作,而且使给水位控制阀的动作十分及时,从而减少水位波动,改善控制品质。
将蒸汽流量信号引入,就购入了双冲量控制系统,如图3-2所示。
从本质上看,双冲量控制系统是一个前馈(蒸汽流量)控制加单回路反馈控制的复合控制系统。
这里的前馈仅为静态前馈,若需要考虑两条通道在动态上的差异,需引入动态补偿环节。
图3-2汽包双冲量原理图及方框图
图3-2所示的连接方式中,加法器的输出I是
I=C1IC±
C2IF±
I0
式中IC——液位控制器的输出;
IF——蒸汽流量变送器(一般经开方器)的输出;
I0——初始偏置值
C1、C2——加法器系数。
C1的设置一般取1,C2的值应考虑到静态前馈补偿,可现场凑试,也可经理论推导得出。
设置I0的目的是使其在正常负荷下,控制器和加法器的的输出都有一个比较适中的数值。
最好在正常负荷下,I0和C2IF项接近而相互抵消。
2.1.3三冲量控制系统
双冲量控制系统还有两个弱点:
控制阀的工作特性不一定能成为线性特性,这样要做到静态补偿就比较困难;
同时,对于给水系统的扰动仍不能克服。
为此可再将给水流量信号引入,构成三冲量控制系统。
三冲量控制系统的实施方案较多,如图3-3所示为其中的典型控制方案之一。
图3-3汽包三冲量控制系
从该图可以看出,这是前馈控制与串级控制组成的复合控制系统。
其中,汽包水位是主冲量(主变量),蒸汽,给水流量为辅助冲量。
在汽包停留时间较短、“虚假水位”严重时,需引入蒸汽流量信号的微分作用。
这种微分信号应是负微分作用,以避免由于负荷突然增加和减少时,水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。
如图3-4所示,为三冲量控制系统的方框图,加法器的运算关系与双冲量控制时相同,各系数设置如下:
a系数C1通常可取1或稍小于1的数值;
b若采用气开阀;
C2取正值,C2的值可按物料平衡关系进行计算;
cI0的设置和取值仍与双冲量控制系统相同。
图3-4汽包三冲量系统方框图
在三冲量的控制系统中,水位控制器和流量控制器的参数整定方法与一般串级控制系统相同。
在有些装置中,采用了比较简单的三冲量控制系统,只用一台控制器及一台加法器,加法器可接在控制器之前,如图3-5(a)所示:
也可接在控制器之后,如图3-5(b)所示:
(a)(b)
图3-5汽包三冲量控制系统的简化接法
图中加法器的正负号是针对采用气关阀及正作用控制器的情况。
图3-5(a)接法的优点是使用仪表最少,只要一台多通道的控制器即可实现。
但如果系数设置不能确保物料平衡,则当负荷变化时,水位将有余差,图3-5(b)的接法,水位无余差,但使用仪表较前者多,在投运及系数设置等方面较前者麻烦一些。
2.2冷却器控制方案的研究
2.2.1控制冷却剂的流量
如图3-6所示:
图3-6氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案
为氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案,其机理也是通过改变传热速率方程中的传热面积F来实现的。
该方案控制平稳,冷量(冷却剂量)利用充分,且对压缩机入口压力无影响。
但这种方案控制不够灵活,另外蒸发空间不能得到保证,易引起气氨带液而损坏压缩机。
为此,可采用图3-7所示的物料出口温度与液位的串级控制方案,使用这种方案时,可以限制液位的上限,保证有足够的蒸发空间。
也可以采用图3-8所示的选择性控制方案。
图3-7温度与液位串级控制方案图3-8温度与液位选择性控制方案
2.2.2控制气氨排量
如图3-9所示,为氨冷却器控制气氨排量的控制方案,其机理是通过改变传热速率方程中的平均温度来控制工艺物料的出口温度的,这种方案控制灵敏迅速,但制冷系统必须许可压缩机入口压力的波动。
另外,冷量的利用不充分。
为确保系统的安全运行,还需要设置一个液位控制系统,防止液氨进入氨管路而导致压缩机损坏。
图3-9控制气氨排量的控制方案
根据以上分析研究可知:
自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与的自动化控制系统。
操作工坐在操作室里,就能观察到整个装置的变化。
因此,保证生产过程的安全,降低了劳动强度。
近二十年来,工业生产规模的迅速发展,加剧了对人类生存环境的污染,因此减小工业生产对环境的污染的影响也纳入了过程控制的目标范围。
综上所述,过程自动化控制的主要目标包括以下几个方面:
1、保证生产过程的安全和平稳;
2、达到预期的产量和质量;
3、尽可能地减少原材料和能源损耗;
4、把生产对环境的危害降到最小限度。
第三章机械自动化系统的优点与效益
1生产能力和工作质量提高
2使用安全性和可靠性提高
3调整和维修方便,使用性能改善
4具有复合功能,适用面广
5改善劳动条件,有利于自动化生产
6节约能源,减少耗材
第四章机械设计制造及其自动化的发展方向
1机电一体化
2智能化
3模块化
4网络化
5微型化
6绿色化
7人格化
结束语
现代机械自动化在设计和制造上具有多功能、高质量、高可靠性,低能耗的意义所以机械的设计、制造、都是围绕着机械自动化来进行的。
机械自动化技术所面临的共性关健技术是传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动化控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。
所以说,机械自动化系统就是机电一体化系统。
机电一体化的发展就是机械自动化的发展,所以广大设计人员应清醒的认识到机械设计制造只有向机械自动化设计制造方向发展,才是机械工业发展的唯一出路。
所以设计人员不能只热衷于技术引进,不能仅仅安心于作为新技术的传播者,而应该作为新技术产业化的创造者。
为机电一体化技术发展开辟广阔的天地。
致谢
至此,本论文的写作已接近尾声。
借此机会,表达一下内心的谢意!
首先感谢xxx院,给我一个良好的学习环境。
在知识的殿堂里,一切都显得宁静祥和。
其次,我要感谢我的老师们,特别是指导老师xxx老师、xxx老师,他们渊博的专业知识、精益求精的工作作风和诲人不倦的崇高师德给我的学业带来很大的影响。
话不多言,就在此,向所有帮助过我的老师和朋友们致以最真诚的谢意!
参考文献
1、孙桓,陈作模,葛文杰编著,《机械原理》,北京高等教育出版社,2006.5。
2、牛鸣岐,王保民,王振甫编著,《机械原理课程设计手册》,重庆大学
3、裘建新.《机械原理课程设计指导书》,5版.北京:
高等教育出版社,2008.
4、陆凤仪.《机械原理课程设计》,北京:
机械工业出版社,2002.
5、寇尊权.《机械课程设计》,机械工业出版社,2008.1第一版.
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