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立式混合机温控系统分析与设计
立式混合机温控系统分析与设计
胡友民 杜润生 杨叔子
（华中科技大学机械科学与工程学院机械电子信息工程系）
摘要：按照大型立式混合机生产工艺与设备要求，介绍大型立式混合机在进行物料混合生产工艺时的温度自动控制系统的工作特点与设计方法，设计出了满足生产实际要求的结构简单性能优良的温度自动控制系统。
关键词：混合机；温度控制；分析与设计
中图分类号：TP13，TP19
文献标识码：A
1. 前言
在化工生产工艺流程作业中，物料的混合搅拌是一道重要生产工序。混合机是实现该工序的一种关键生产设备。如国内某化工厂的混合车间其主要生产设备就是一台2000升立式混合机［1］，被用来生产一种易燃易爆危险化学品。由于生产工艺要求及所生产的产成品特殊的理化性能，要求在整个混合搅拌生产流程中混合锅内的温度必须控制在一定的范围之内，这完全由该机的自动温控系统来实现与保证。另外由于在生产过程中要求现场无人操作，该温控系统还必须能被远程操作。
该机最初是70年代初设计制造，由于种种原因长期闲置未用，其电气、液压、气动及温度控制系统已完全损坏，1999年该厂委托我们对其进行了全面改造。总体改造目标是要求充分利用现代微机技术、PLC技术、设备状态监测技术和计算机网络技术等高新技术手段，在恢复原有功能的基础上，使改造后的设备在自动化水平，运行稳定性、可靠性与安全性、操作维护方便性等方面达到较高的水平。整个改造工程于2001年2月完成，经过一年多运行检验，完全达到和超过改造目标要求。
本文拟针对该机温度自动控制系统的设计作一简单介绍，供类似系统设计或改造参考。
2. 工艺与结构分析
该立式混合机生产过程中的主要工艺流程
在整个工艺流程中，从混合锅内加液体料开始，一直到锅下降后出料的生产工艺过程中要求锅内的温度控制在40~43±1oC。并且从加液体料到加粗料这段时间必须给锅加热，而加完粗料后由于在混合搅拌过程中因原料发生化学反应产生大量热量，又必须给锅冷却。
在结构上混合锅为内外双层的夹层式结构。两层之间填充有保温材料，环绕内外层锅壁之间设置有多圈环形水管，不同温度的循环水流经环形水管时可以达到对锅内物料进行加热或冷却的目的，即锅内的温度是依靠在环形水管内通以不同温度的循环水来进行控制的。另外通到锅上的环形水管的高温和低温水又是由一套水循环系统提供。
混合锅内的温度由5个温度传感器检测，温度传感器的布置方式为沿锅内壁垂直方向均布3个，沿锅底径向均布2个。另外在混合锅的进出水口上还各布置有一个温度传感器分别检测进出水温度。
该混合机温度控制系统设计的关键就是要设计这套水循环系统和基于PLC与PC的锅内温度及循环水温度自动检测与控制系统。
3. 系统设计
3.1 主要设计指标与技术要求
主要设计指标如下：
(1)低温水箱
l 水箱温度30—35℃；
l 达到初始工作温度时间60min；
l 温度传感器精度±1℃；
(2)高温水箱
l 水箱温度55—60℃；
l 达到初始工作温度时间60min；
l 温度传感器精度±1℃；
主要技术要求：
l 混合作业必须连续进行，作业过程中不允许停机；
l 低温、高温水箱均自动控制；
l 采用电加热方式，利用热水箱储存一定温度的热水，使用两台热水泵，形成热水循环系统；
l 输出循环水的低、高温切换采用电磁换向阀控制，按温度控制需要开启；
l 测量锅内料温为40~43±1oC，温度传感器精度±1℃。
3.2 系统方案
3.2.1 水循环系统
根据工艺、设备及技术指标要求，拟定水循环系统原理图如图2所示。整个水循环系统中包括如下几个分回路：
（1） 低温水箱加热回路：打开手动阀8、24和25及电动阀12和16，启动水泵3，低温水箱的水经8、3、12、20、24、电锅炉、25和16形成回路，启动电锅炉便可以对低温水箱加热。
（2） 高温水箱加热回路：打开手动阀9、24和25及电动阀13和17，启动水泵4，低温水箱的水经9、4、13、21、24、电锅炉、25和17形成回路，启动电锅炉便可以对高温水箱加热。
（3） 混合锅内通低温水回路：打开手动阀6、22和23及电动阀10和14，启动水泵1，低温水箱的水经6、1、10、18、22、混合锅、23和14形成回路，低温水箱的水便可以送到锅夹层对混合锅降温。
（4） 混合锅内通高温水回路：打开手动阀7、22和23及电动阀11和15，启动水泵2，低温水箱的水经7、2、11、19、22、混合锅、23和15形成回路，高温水箱的水便可以送到锅夹层对混合锅加温。
（5） 低温水箱补水回路：打开手动阀30和电动阀26，启动水泵5，便可对低温水箱补水。
（6） 高温水箱补水回路：打开手动阀30和电动阀27，启动水泵5，便可对高温水箱补水。
控制水循环系统中各分回路是否投入工作由PLC根据各相关温度及水位自动完成，同时也可以由操作员手动实现。
3.2.2 温度控制原理
混合锅内料温通过布置在锅上的5个温度传感器进行测量。由于生产物料的易燃易爆特性，如果5个温度测量值中的任何一个值位于控制值范围内（40~43±1oC）则停止加热，5个测量值如果全部低于控制值的下限值（39oC）则进行加热，5个测量值中如果任何一个值高于控制值的上限值（44oC）则进行冷却。
水循环系统中水箱温度控制原理如图3b所示。水箱内的水温控制是通过将安装在水箱上的温度传感器所测量到的实际水温值与控制要求值（低温水箱温度30—35℃，高温水箱温度55—60℃）相比较进而控制电热水锅炉的启动和停止实现的。
3.3 系统实现及运行状态监测[2-3]
水循环系统的运行、锅内料温与水箱中水温控制均由PLC控制系统实现，整个温度控制系统的硬件配置如图4所示，由于生产工艺的特殊要求（混合作业必须连续进行，作业过程中不允许停机），故此PLC采用主从式冗余配置。
由于整个生产过程中要求现场实现无人化操作，为了实现生产现场生产过程的远程实时在线监视，专门设计了一套基于PLC与工业IPC的温度控制系统运行状态远程监视与诊断系统。IPC通过MODBUS PLUS总线与PLC实现通讯，实时同步读取PLC内相关参数，实现温度控制系统运行状态实时监视，故障报警与诊断等功能。
4. 结束语
化工生产工艺中存在大量的温度控制要求，相应的温度控制系统设计时应该充分考虑系统的应用对象、使用环境、控制方式及控制精度要求，才能保证所设计出的系统满足实际生产需要。本文介绍的温度控制系统具有一定的通用性，自动化程度及控制精度都较高，适合一般或有特殊要求的混合搅拌生产过程及类似设备。
参考文献
1．胡友民，杜润生，杨叔子. 基于PLC的高可靠性工业过程远程监控系统. 华中科技大学学报，2002, Vol.30, NO.4, pp13-15.
2．胡友民，杜润生，杨叔子. 生产过程远程监控与诊断技术研究. 华中科技大学学报，2002, Vol.30, NO.4, pp16-18.
3．胡友民，李锡文，杜润生，杨叔子. 大型机电设备的高可靠性监控系统. 机电一体化，2002, Vol.8, NO.5, pp35-38.
4．《化学工程手册》编辑委员会编. 化学工程手册. 北京：化学工业出版社，1985.
5．绪方胜彦. 现代控制工程. 北京：科学出版社 ,1987.
Design and Analysis of Temperature Control System for Kneading Machine
Youmin Hu Runsheng Du Shuzi Yang
Department of Mechatronic Information Engineering.
School of Mechanical Science & Engineering
Huazhong University of Science and Technology
430074, Wuhan, P.R.China
Abstract: Based on the equipment and technical requirement, the paper introduces the operation features of large scale kneading machine temperature control system during manufacturing process. And more the design method is also introduced. In addition, we design the temperature control system for a kind of kneading machine.
Keywords: kneading machine, temperature control system, analysis and design
作者：
胡友民，男，1965年出生，华中科技大学机电系，博士，副教授，主要从事机电控制系统、设备状态监视与故障诊断等研究。联系方式：武汉 华中科技大学机械学院机电系
杜润生，华中科技大学机电系教授。
杨叔子，华中科技大学机电系教授，中国科学院院士。
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