蒸汽式控制系统设计

1蒸汽式扇贝柱脱壳装置工作原理

蒸汽式扇贝柱脱壳装置主要由机架、送退料机构、压紧机构及蒸汽喷射机构等组成。蒸汽喷射机构由丝杠滑台及蒸汽喷头等组成。该装置的主要工作原理:待加工的海湾扇贝由入料斗进入输送装置，扇贝经水平输送到压紧机构，压紧机构的作用是使扇贝在经过蒸汽喷射过程中保持双壳紧闭。蒸汽喷射机构垂直布置在压紧机构的正上方，扇贝通过压紧机构时完成蒸汽喷射脱壳。机架上装有接近开关，接近开关与蒸汽喷头在同一水平面上，扇贝输送装置接触到接近开关，信号传送给PLC，使蒸汽喷头跟随扇贝进行喷射，扇贝喷射装置完成一次喷射后，迅速返回进行下一次跟随喷射，如此反复进行完成蒸汽喷射脱壳。

2蒸汽发生器工作原理

电加热蒸汽发生器主要由供水系统、自控系统、炉胆与加热系统及安全保护系统等组成。其基本工作原理:通过一套自动控制装置，确保运行过程中液体控制器或高、中、低电极探棒反馈控制水泵的开启、闭合、供水量长短及炉胆加热时间。现有的蒸汽发生器的调压系统主要是以机械控制为主，与自动化控制衔接不太容易，并且蒸汽锅炉的加热为直接加热方式;蒸汽控制为开关式控制使蒸汽锅炉功耗和工作效率大大降低，不符合整套系统的工作要求［6－7］。现用PID智能控制仪对蒸汽发生器做自动化改造，利用温度、压力传感器采集蒸汽发生器内部的温度、压力值进行处理，并且根据温度/压力值进行相应的加热和压力控制。

3蒸汽发生器自动化设计方案

系统选用了XMT612智能PID温度控制仪为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际蒸汽温度送到XMT612智能PID温度控制仪中进行PID调节，控制输出加热的占空比来调节电热丝的加热。在炉内某一水位放置探针来检测炉内的水位，低于限定水位则水泵开始加水，达到限定水位则水泵停止加水。炉内安装有压力传感器，实时监测炉内压力，紧急时刻可以泄压避免事故。整体设计方案如图1所示。图1整体设计方案3．1蒸汽发生器控制系统硬件设计3．1．1PID智能温度控制仪本系统采用XMT612智能PID温度控制仪，工作原理是:将采集到的介质温度信号送至控制器，温度信号通过A/D转换后与设定的信号比较，根据正、负、无偏差的性质和变化趋势，由控制器对执行机构发出开、关、停的指令。1)功能特点:①控制仪可根据设定的温度，连续检测实际温度，检测到的温度值通过LED显示出来。②模块化设计、SMT工艺、高性能开关电源供电。③安装方便、操作简单，经济实用;准确测量，精确控制。④仪表可按摄氏度或华氏度显示温度值。⑤可选继电器触点或固态继电器(SSR)无触点电平输出。⑥2路继电器独立设定、输出，实现上、下限报警或三位式控制。⑦PID恒温控制，上、下限区间温度控制兼容。⑧超强PID自整定功能，自动适应被控制对象，尤其适合恒温箱、加热炉等使用。2)工作参数:①工作电源为AC/DC85～260V(其它电压可定制)。②输入信号为热电偶T、R、J、WRe3－25、B、S、K、E;热电阻Pt100及Cu50。③显示范围为－1999～9999。④基本误差为0．2%FS±1个字。⑤SSR电平为DC8V/30mA。⑥触点容量为AC250V/3A;DC24V/5A。⑦触点寿命为105次。⑧使用环境为0～50℃;≤85%RH。3．1．2传感器蒸汽发生器的自动化需要对出口处的蒸汽温度、压力进行检测，因此相应的需要温度/压力传感器［8－9］。3．1．2．1温度传感器温度传感器选择PT100热电阻，其线性度较高，测温度阈值宽、耐腐蚀性较高、反应灵敏、外形小巧、经济实用而被广泛的应用于狭小空间工业设备测温和控制及供热/制冷管道热量计量。PT100热电阻是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，阻值在0℃时为100Ω，它的阻值和温度的变化成正比，其电阻和温度变化的关系式为R=Ro(1+αT)。Pt100温度传感器的测量范围是－200～+850℃，且具有稳定性好、准确度高、抗振动及耐高压等优点。温度变送器是一种小型、高精度的测温仪表，与现场PT100传感器连在一起构成测温回路。它采用二线制传送方式(两根导线作为电源输入，同时作为信号输出的公用传输线)，将热电阻的信号变换成线性的4～20mA的输出信号。主要技术参数:量程/℃:0～200输出信号/mA:4～20，负载电250Ω，传输导线电阻100Ω输出方法:二线制温度变送器精度等级:±0．2%F．S供电电源/V:24VDC±10℅3．1．2．2压力传感器压力传感器选择集压力传感器与变送器一体的MEACON压力变送器(MIK－P300G)，采用316L不锈钢隔离膜片结构，高精度、全不锈钢结构微型放大器，电压、电流、频率信号输出，抗干扰强、长期稳定性好。采用一体化不锈钢结构，经过多次不锈钢焊接，实现了全固态设计，可以在恶劣环境中长期使用。主要性能参数:供电电源/V:24VDC输出信号/mA:4～20测量范围/MPa:0～3补偿温度/℃:－10～70介质温度/℃:－40～150环境温度/℃:－40～85外壳防护:IP65压力类型:绝压零点温度漂移:±0．03%FS/℃灵敏度温度漂移:±0．03%FS/℃过载压力:200%FS3．2蒸汽发生器控制系统软件设计蒸汽发生器自动化设计程序流程图［10］，如图2所示。如图2所示，当启动整套系统后，AD开始采集数据，将采回的温度数据与之前标定好的温度进行比较，将比较的结果进行相应的处理，使蒸汽温度能够平稳地到达设定值。当到达设定温度值后，蒸汽控制阀将自动打开，输送出蒸汽，并且加热线圈始终保持通电状态，让蒸汽温度保持一个相对恒定的值。如果在到达设定温度或压力时未能自动开启蒸汽阀，系统将会在腔内温度压力到达预警值时关断加热线圈，开启泄压阀让腔内的蒸汽释放出来，以免发生危险。初始功能参数默认出厂值即温度传感器类型为PT100热电阻，温度单位选择摄氏度(℃)等。PID参数包括比例带、积分时间、微分时间、控制周期、数字滤波。比例带P值减小，系统调节灵敏，温度升高迅速，控制精度较高;P值过小，系统则会出现震荡，P值增大，系统灵敏度降低，超调减小。积分时间I值减小，消除偏差作用加强，I值太小，系统容易出现震荡。微分时间D值可适当加大避免加热余热过大，升温较慢。在恒温控制时，如果不能恒定或有超温现象，可以启动仪表的自整定功能，仪表会计算出较恰当的PID参数值，最后设定温度值和继电器吸和值、释放值。

4蒸汽喷射装置的自动化设计

4．1急回喷射过程控制系统硬件设计本系统丝杠滑台的电机选择安川SGMJV－04ADE6S，驱动器SGDV－2R8A01B;PLC选择西门子S7－200(CPU224XP);接近开关选择沪工PNP常闭型。如图4所示，输送扇贝的托盘上装有磁铁(传感标示B)及固定蒸汽喷头装置上的接近开关(传感器B)。当扇贝到达蒸汽喷头正下方即接近开关检测到磁铁时，信号传输给PLC，丝杠滑台带动蒸汽喷头跟随其正下方的扇贝进行喷射;当蒸汽喷头装置上的金属铁片(检测标示A)接近到限位开关(传感器A)时，蒸汽喷头装置迅速返回，等待下一次扇贝托盘到达其正下方位置，如此反复进行。4．2急回喷射过程控制系统软件设计本控制系统采用STEP7V5．0编写PLC程序，编程环境包括:语句表(STL)、梯形图(LAD)和功能块(FBD)。在该编程环境下进行编程，部分梯形图如图5、图6所示。

5结论

成功地运用了XMT智能PID温度控制仪及相关传感器元件实现了对蒸汽发生器的自动化改造，使蒸汽的温度能够维持在一个相对稳定的范围内，同时也实现了对锅炉腔内的温度压力的监控，对蒸汽式扇贝柱脱壳机能连续稳定地喷射蒸汽提供技术支持。利用PLC及检测元件完成蒸汽喷射装置的随动喷射及急回过程，实现了蒸汽喷射装置对扇贝进行连续作业的目的。

作者：弋景刚 张静 姜海勇 王家忠 刘江涛 单位：河北农业大学 机电工程学院