谭兴国， 曲凯

(河南理工大学 电气学院， 焦作 454003)

PAC雾化干燥控制系统设计

谭兴国， 曲凯

(河南理工大学 电气学院， 焦作 454003)

液态物料喷雾干燥技术因其被控点较多，产品质量要求严格，被控点位置相距较远等，亟需更为先进的控制系统和策略。结合喷雾干燥工艺特点，根据控制系统要求比较并选择合适的控制变量；建立基于多层控制网络的喷雾干燥塔微型计算机控制系统，同时对燃烧炉主鼓风机、引风机、送料泵等关键电气设备采用变频驱动技术实现节能降耗；研究完善干燥塔入口温度控制的变速积分PID控制算法，实现液态物料喷雾干燥系统的智能控制。

液态物料干燥； 雾化干燥； PAC； 改进PID； 控制策略

0 引言

聚合氯化铝(Polyaluminium chloride, PAC)是目前应用前景最广的絮凝剂之一，主要应用在医药、制革、化妆品、水处理等方面。其制备一般都是先得到PAC液体产品(如采用氢氧化铝与盐酸溶液在一定的温度和压力下反应，得到聚合氯化铝悬浮液，再经沉降压滤得到澄清、透明的PAC溶液)，然后将液体产品加以干燥才得到固体聚合氯化铝产品。

喷雾干燥(Spray Drying)采用雾化器将原料液分散为雾滴，并用热空气干燥雾滴而获得产品的一种干燥方法[1、2]。料液经雾化后，表面积大大增加，在与热风接触过程中，瞬间就可蒸发95%-98%的水份，干燥时间仅需数秒钟，特别适用于热敏性物料的干燥，产品具有良好的均匀度、流动性和溶解性。

喷雾干燥的工艺流程，如图1所示[3]。

浓缩料液通过加压泵均质从喷雾干燥塔上方的喷嘴雾化，与此同时经高温蒸汽加热或者热风炉直接加热的热风通过进风机从干燥塔顶部吹入，由于塔底排风机的引风作用，形成塔内负压和气流由上向下的流动动力，热风与雾状料液

图1 喷雾干燥控制系统

一同向下流动，并且料液与热风之间进行热量的交换进而蒸发掉其中的水分，生成符合温度和湿度指标的产品颗粒。成品在干燥室底部出料口包装；经内旋风分离的湿热空气与微量粉尘的混合物在旋风分离器收集成品后，废气通过湿式除尘器由排风机排入大气。

液态物料喷雾干燥技术因其被控点较多，产品质量要求严格，被控点位置相距较远等因素，亟需更为先进的控制系统和策略。本文结合喷雾干燥工艺特点，建立基于多层控制网络的喷雾干燥塔微型计算机控制系统，完成PAC液态物料干燥控制。同时对PAC控制系统中的关键电气设备如燃烧炉主鼓风机、各主次引风机、送料泵等采用变频驱动技术实现节能降耗；研究完善干燥塔温度控制的改进PID控制算法，给出传统PID与采用变速积分PID的仿真结果比较，实验证明了变速积分PID算法的有效性，实现液态物料喷雾干燥系统的智能控制。

1 控制系统变量选择

1.1 控制变量选择

PAC雾化干燥系统如何选择控制变量，并根据控制系统的特点采取相应的算法成为本系统设计的关键。在PAC雾化干燥控制系统中，影响产品质量的直接参数是产品中的水分含量，但水分不宜测量(测量难以做到准确实时)，故被控量y(t)采用温度变量进行间接测量控制。

在本系统中，影响干燥器温度的因素包括料液的流量、热空气的流量和干燥塔入口空气的温度等。可有3种控制方案选择。

控制方案1，采用料液流量f1为控制量。其控制框图，如图2所示。

图2 以料液流量为控制量时的控制框图

该控制方案的优点是被控量料液f1直接进入干燥器，控制通道滞后较少，干扰量小，校正灵敏；此时换热蒸汽f3和旁路空气f2都是闭环系统的内部扰动量，扰动通道滞后大，且扰动位置靠近调节阀，这些都有利于提升系统的动态控制指标。但当选择料液充当控制量，不能保证料液总产量最大；另外为了控制料液流量，需要在料液管线安装调节阀，液态料液易结块，影响产品质量。此方案尽管控制性能相对较好，但实际不予采用。

控制方案2选择旁路空气f2作为控制量，如图3所示。

图3 以旁路空气作为控制量时的系统框图

控制方案3采用换热蒸汽f3作为控制量，如图4所示。

图4 以换热蒸汽作为控制量时的系统框图

两者主控通道性能接近，下面从扰动通道角度分析其对控制性能的影响。

可以看到料液流量f1现在作为内环的扰动，对两种情况下的控制通道影响相同。当旁路空气f2作为控制量时，f3扰动通道的时间常数Tf3较大，且扰动点作用位置靠近阀2，有利于扰动的抑制，改善系统动态响应。而当采用蒸汽f3作为控制量时，f2扰动通道时间常数Tf2小，而控制通道时间常数T相对较大，不利于提升系统动态性能。

总上分析可知，PAC雾化干燥系统中，从产品要求、实现工艺和控制性能综合考虑，选择旁路空气作为主控量具有最优性价比。

2 模型与闭环控制算法

2.1 PAC雾化干燥控制系统构成

从整个PAC雾化控制流程可以发现， PAC雾化干燥过程中，至少包含3个子系统：燃煤控制子系统，干燥塔控制系统、引风除尘控制系统。这3个系统相互影响，其中最为重要的是干燥塔控制系统。

控制核心采用西门子S7-200-CPU224，并扩展多块模拟量转换模块UN231，UN232，UN235与IO扩展模块6S7223以满足系统中各控制设备的接口需求。并通过6GK7 243以太网模块建立CPU与CPU之间以及与现场模块之间的通讯联络。

2.2 闭环PID控制算法

以下以干燥塔控制系统为例说明控制算法。喷雾干燥是一个复杂的物理过程，该过程可以近似为一阶惯性滞后对象，利用阶跃响应飞升曲线，可以获得系统的时间常数t1和纯滞后时间常数τ，从而获得对象的数学模型[4]，如式(1)。

(1)

PAC干燥塔控制系统中设置了两个闭环。其一为温度闭环，为实现系统的水分控制的目的，对入口温度实施闭环调节，入口温度设定为110度，选择旁路空气f2作为主控变量，即通过变频器控制旁路空气鼓风机，从而改变干燥塔入口空气温度。其二为干燥塔负微压控制闭环。为防止物料外泄，避免粉尘飞扬，保证喷雾系统安全工作，干燥塔内应呈现微负压状态，即引风量略大于鼓风量，本系统设定压力为-50帕。

这两个闭环均采用离散PID控制算法，如式(2)。

(2)

PID算法中由比例项up，积分项ui和微分项ud构成。积分项ui中积分系数ki对系统性能影响较大。一般希望系统偏差e大时积分作用应减弱甚至全无以防止积分饱和效应，而在偏差e小时则应加强以抑制稳态误差。为改善控制性能，本文应用变速积分PID实现对温度和压力的闭环控制。其算法如式(3)。

将式(2)中的求和项单独进行如下处理：

(3)

其中变速系数fe与当前偏差值e(k)关系如下：

(4)

fe值在[0,1]区间内变化，当偏差大于所给分离区间A+B后，fe=0，不再对当前值进行继续累加；当偏差e(k)小于B时，加入当前值e(k)，与一般PID积分项相同，积分动作达到最高速；而当偏差e(k)在B与A+B之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～e(k)之间随e(k)的大小而变化。

2.3 仿真验证

为了验证本文提出的变速积分PID算法的有效性，本文在MATLAB中建立了闭环PID的仿真模型，设采样时间为20 s，系统延迟时间为4个采样时间，即80 s，取kP=0.5，kd=12，kI=0.048。控制输出限幅为200。积分变速点A=40，B=60。温度设定rin=110度。仿真结果如图5所示。

图5 普通PID与变速积分PID控制效果

由图分析可知，采用变速积分PID，积分系数fe随着偏差e的变速增加，在系统偏差e较大时，积分作用较小，随着偏差减小，积分作用逐渐增加。相对于普通PID，同样参数下，变速积分PID系统响应速度变快，无超调，稳态误差为零，显著提升了控制性能，如图6所示。

图6 变速积分系数fe变化过程

2.4 PLC中的改进PID实现算法

一般PLC内部都具有可以调用的PID指令或模块，但内部PID算法是固定的，若要执行一些特定PID改进算法，需要用户编写相应程序。例如西门子Step7提供了一个以固定时间间隔循环运行的循环中断组织块OB35[5]。本文在利用定时器中断控制采用周期调用改进PID程序。

本文中PID运算需要采集被控量的状态，采用温度和压力传感器将实际温度和压力转换为模拟量之后，经PLC AD模块处理后的数据还需将相应参量转换为标准的浮点数。同样PID指令的运算结果也为实型，在将其转换输出到DA转换器之前，也需要进行转换。

为了便于实现PID程序的运算，根据式(2)和式(3)可以得到改进的变速积分PID程序的增量式算法：

(5)

与普通PID相比，本算是仅增加了变速系数对应的积分项的处理。编程过程中应根据式(4)首先计算各步长下的变速系数，之后代入式(5)即可获得变速PID运算结果。

实际系统控制监测界面如图7所示。

图7 上位机监控界面

3 变频驱动技术

在PAC干燥控制过程中，送风机、引风机、雾化器、喷淋泵、供料泵等均为三相交流异步电机且功率较大。从节能和减小启动电流的角度考虑，均采用变频驱动方式。下面以图6中引风机变频驱动为例说明。

电机具有过流、短路保护，其控制原理，如图8所示。

图8 引风机变频控制原理图

PLC通过压力变送器获取干燥塔内压力数据，经过PID算法通过AO模块将干燥塔负微压控制闭环所需控制命令转换为4-20 mA电流信号，传送到变频器模拟量输入端子CCI，控制变流器输出频率，从而维持塔内负压要求；PLC的AO模块则可以实时检测变频器运行电流数据A01并送上位机显示。PLC的故障信息经Y2端子输出到PLC进行状态检测，而变频器则通过PLC控制中间继电器KA1利用其X1端子实现引风机的起停控制。

4 总结

本文分析了PAC液态物料喷雾干燥控制系统的特点，从控制系统性能和产品质量要求等方面提分析了选择过热蒸汽、旁路空气以及料液流量作为主控变量的优缺点，最终选择旁路空气作为控制变量。设计了基于3层网络模型的计算机控制系统模型，对PAC干燥系统中温度PID算法进行了改进。通过仿真证明此变速PID控制方法在不影响控制精度的前提下，可以显著改进系统动态性能指标。

[1] 朱明清, 刘彤军. 喷雾干燥过程分析及其PID控制仿真[J]. 自动化技术与应用, 2013, 32(12): 35-38.

[2] 董桂菊, 崔天时. 奶粉干燥过程控制系统的研究[J]. 东北农业大学学报, 2000, 31(4): 385-389.

[3] 赵磊, 唐亚鸣, 杨刚. 雾化器转速对干燥产品含水量的影响研究[J]. 机械制造与自动化,2013, 41(2): 80-82.

[4] 程大方, 张烈平. 遗传算法优化模糊PID的喷雾干燥温度控制应用[J]. 工业控制计算机, 2010, 23(3): 58-59,62.

[5] 何军红, 尹旭佳, 史常胜. PID控制算法在西门子PLC中编程及实现[J]. 工业仪表与自动化装置, 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

新能源电力系统国家重点实验室开放课题(LAPS15013)，河南省高等学校重点科研项目(16A470009).

谭兴国(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：智能控制技术、电力电子在电力系统中的应用等. 曲凯(1992-)，朝阳人，硕士研究生，研究方向：智能控制技术电力电子交换技术.

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

TP393

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2016.05.18)