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喷雾干燥器的自动控制 吴桂梅 1 基本原理和应用 喷雾干燥是把含有固体成分的液体分散成小液滴，以较温和的方式除去液滴中的水分的技术。利用雾化器将一定浓度的液体雾化分散成为极细小的液滴，与热空气相遇后由于热交换溶剂迅速挥发而成为粉末或颗粒状固体从而达到对物料干燥的目的，干燥之后的产品经过旋风分离器而得以分离回收，分离后的废气经过废气排放和除尘系统处理。[1]喷雾干燥技术适合于热敏性物料，能保持物料的生物活性，且干燥后的产品具有较好的流动性和可压性，干燥效率高，因而在食品制药化工等领域得到了广泛的应用。 2 控制方法[2] 如果把喷雾干燥器比做一个人，控制系统就相当于人的神经，控制水平决定干燥设备的反应速度。因对产品的要求较高，喷雾干燥的产品水分含量不能波动太大，所以需对干燥温度等操作参数进行严格控制。随着自动控制技术的发展，PI、PID、前馈等传统控制方法得到了广泛的应用。在喷雾干燥操作中，干燥温度是影响产品质量最主要因素，影响干燥温度的因素有物料流量、空气流量和入口空气的温度。可选择物料流量、旁路空气量和物料加热温度等作为被控变量，以达到最终调节干燥温度的目的。 2.1 反馈控制反馈控制是干燥控制中最常用的控制策略，见图2。在此控制系统中，执行器为最终控制单元，被控对象为干燥器，检测变送器为湿分测量仪，被控变量为物料中的湿分。在这种控制方案中，当被控输出变量(如湿含量)的测量信号与设定值之间存在偏差，调节器能改变操作变量值从而使偏差幅度减小。反馈控制系统理论上能消除所有的偏差，因而能用比较简单的控制系统得到较好的控制效果。 图2 反馈控制系统基本结构 2.2前馈系统 对于某些喷雾干燥机，物料的停留时间相对较长，相对于干燥时间而言，传热模式的热惯性时间较长。在这些情况下，当输入变量的发生改变，要使这一变化对输出产生影响，需经过一定的时间延迟，从而造成反馈控制失去作用，对控制效果产生影响。前馈控制系统能调节干扰变量，在被控变量发生实质性改变前及时进行调节控制，从而消除时间延迟，减小被控变量的波动。在如图3所示的控制系统中，最初湿含量和进料率等干扰被控制器及时调节，使调节器的调节作用在被控变量发生实质性改变之前就得以发挥。但在前馈控制系统每个只能控制一个干扰变量，这也是它最大的不足之处。 图3 前馈控制系统基本结构 2.3 前馈一反馈控制 前馈一反馈复合控制系统兼顾前馈控制器和反馈控制器二者的优点，其基本结构见图4，它包括带过程模型的前馈控制器、反馈控制器和动态补偿器。 图4 前馈-反馈控制系统 2.4 基于模型的控制 当被控变量如产品湿度等难以直接测量或者测量所需的经济成本较高时，可通过测量其他一些更容易被测量的变量进而推断出被控变量的变化。 3 喷雾干燥自动控制系统的组成 实际上，要得到较好的喷雾干燥效果及达到安全生产的目的，需要将喷雾干燥控制系统分为若干子系统分别控制。[4] 3.1 温度控制子系统 负责将干燥塔内的温度控制在适当的范围内，当物料的水分的偏差超过一定范围时，对塔内温度进行及时的调整。 3.2 供浆控制子系统 当物料的水分波动不大时，可通过控制浆液供给量来控制粉料的含水量，并通过控制浆料的压力来控制粉料的粒径。 3.3 燃烧控制子系统 通过控制热风炉的燃油供给量及适当的风油比来控制炉内温度，并确保燃油安全优质地燃烧。 3.4 负压控制子系统 为保证粉粒大小的合理，需控制炉内有一定负压。 3.5 启停控制子系统 负责控制整个系统的启停工作，以保证系统的安全有效运行。 3.6 系统平台 通过硬件及软件实现以上各子系统的控制功能。 4 PLC在中药喷雾干燥器中的应用 4.1 PLC在解决PID参数整定困难的问题方面的优势 由于喷雾干燥机工作过程的多样性，参数变化差异很大，所以不存在确定的数学模型，因此过程的控制难度增加。工业上一般采用PID算法对其纯滞后时间进行补偿，取得了一定的效果。但是PID控制方法参数调整十分复杂，若调整不当，容易引起不稳定；而且一旦系统的参数发生飘移，必须重新整定PID控制参数。颜文旭[3]等人的研究表明，模糊控制器应用于喷雾干燥机，通过PI C来实现，表现了良好的控制性能，满足了生产过程的实际要求。其思想为在对喷雾干燥过程的控制中，采用二维的输入变量即使用误差和误差的变化率，以实现理想的控制目标。其基本结构如图8所示。其流程图如图9。 图9PLC实现模糊逻辑控制算法的流程图 4.2 PLC在解决传统继电器存在的问题方面的优势 传统继电器体积小，寿命长，但是控制复杂。一旦某处出现问题，就会引起跳车，此时很难找到原因，大大降低了喷雾干燥的生产效率。若使用PLC对喷雾干燥系统进行连锁改造，将能很好地解决这种问题。[5]喷雾干燥器的流程如下：