制冷过程自动控制设计.docx

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制冷过程自动控制设计

萬花樓大学（

制冷过程自动控制设计

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摘要

制冷过程自动控制是热工对象自动化的一种，实现对降温的自动控制。

而在制冷技术中，液氨制冷是工业生产中非常常用的制冷方式之一，通常是利用液氨蒸发成气氨带走热量来制冷。

随着科学技术的发展，制冷技术的正在向自动化、智能化发展，对制冷过程自动控制也提出了新的要求。

本文主要针对液制冷的选择性控制系统进行设计，选择性控制系统对液氨的蒸发制冷进行选择性控制，能够很好的做到液位、温度等参数的合理分配。

它在结构上的特点是两个调节器共用一个调节阀。

其中一个调节器在正常工况下工作，另一个处于待命备用状态，遇到工艺情况不正常时，就由它取而代之，一直到工况恢复正常，再由原来的调节器来控制。

此系统是一个能够稳定工作的自动调节系统，在无人直接参与下，也能使被控参数达到给定值或预先给定的规律变化的系统。

关键词制冷，自动化，液氨，选择性控制

ABSTRACT

Theautomaticcontrolofcoolingisatypeoftheautomaticcontroloftemperature.Inrefrigerationtechnology,onewayofrefrigerationinindustrialproductionistheliquidammoniaforevaporativecooling.Usuallybyliquidammoniatheevaporationofammoniagasintotheheatawaytoachievetheobjectiveofloweringthetemperature.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,therefrigerationtechnologyisdevelopingtoautomaticandintelligent;thenewrequestisbringoutwiththedevelopmentoftheautomaticcontrolofrefrigeration.Thisarticlemainlyaimsatdesigningasystemofselectivecontrollingtheliquidammoniaforevaporativecooling.Theselectivecontrolsystemforevaporativecoolingtemperatureofliquidammoniaselectivecontrol，canbeverywelltoreasonabledistributionparameters,suchasthelevelofliquidammoniaandthetemperaturedistribution.Itsstructureischaracterizedbythetworegulatorstoshareacontrolvalve.Oneregulatorinnormalworkingconditionandtheotherinastandby,theencounterofthesituationisnotnormal,theyreplaceitby,untilconditionsreturntonormal,andthenfromtheregulatortocontrol.Thissystemisastableautomaticcontrolsystem,evenwithoutparticipationbypeople，canbecontrolledparameterreachedagivenvalueorregularchanges.

KeywordsRefrigeration,Automation,Liquidammonia,Theselectivecontrol

1绪论

1.1课题研究的意义

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

随着工业自动化水平的迅速提高，工业制冷过程的自动控制在工业领域广泛运用。

在工业生产过程中，温度是工业生产中的一个重要控制参数，在很多的工业生产中，都包含得有对温度的控制。

液氨蒸发制冷是工业生产中对工业物料作降温处理的常用手段。

因此提出了制冷过程自动控制设计课题。

我国在上个世纪50年代以前,为食品冷冻冷藏配置的氨制冷系统多为直接膨胀供液,由于自控系统落后,一般采用人工调节,因劳动强度过大、不安全因素极多;从70年代开始,随着我国自行研制的制冷自控元件的问世以及引进国外自控元件,直接膨胀供液逐步被重力供液和氨泵强制供液所取代；80年代后,随着计算机微电子控制技术的不断发展,国内出现了以可编程序控制器及用PLC组成的集散式控制系统（DCS控制系统）控制的采用氨泵强制供液方式的全自动或半自动氨制冷系统。

到现在，我国在大连的一座水产品加工厂的氨制冷系统中第一次采用了DANFOSS公司的氨电子膨胀阀,从而再次实现了直接膨胀供液,与50年代前期的制冷膨胀供液相比,系统的安全性和控制方式及自动化程度得到了极大的提高。

但由于尚无与氨互溶的合成润滑油,制冷系统仍配置的油分离系统,未能实现制冷系统的完全简化。

即使如此,也使系统的用氨量大大的降低。

氨制冷系统应用在化工、大型空调系统、啤酒厂、制药厂中多为间接制冷系统。

因此，提出制冷过程自动控制具有有深远的意义。

1.2国内外的现状

1.2.1过程控制的发展

自20世纪90年代以来，计算机技术产生了突飞猛进的发展，并以计算机为工具产生了信息技术和网络技术。

它在自动化技术领域中产生极大的影响和推动作用，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管理系统。

而自动化的实现工具也由集散控制系统（DistributedControlSystems，DCS）发展到了现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）。

自动化技术已在工业生产、科学技术和人们生活的各个领域中起到了关键的作用。

已成为我国高科技的重要组成部分，在工业生产和国民经济各行业发挥着重要的作用。

自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平高低的一个重要标志。

自动化技术的发展首先从工业生产领域开始，而工业自动化的发展又与工业生产过程本身的发展有着密切的联系。

随着生产从简单到复杂，从局部到全局，从低级到智能的发展，工业生产自动化也经历了一个不断发展的过程。

20世纪50年代以前。

这个阶段以经典控制理论为基本方法，以传递函数为基础，采用根轨迹法和频率法对系统进行分析。

经典控制理论最辉煌的成果之一便是PID控制规律。

PID控制规律原理简单，易于实现，对没有时间延迟的单回路控制系统极为有效。

到目前为止，在工业过程控制中，很多系统仍使用PID控制规律。

在这个阶段，对系统的一般处理方法是将一个复杂过程分解为若干个简单的过程，然后采用单输入、单输出的控制系统，完成既定任务。

自动化水平处于比较低级的阶段，理论上也尚不完整，从而促进了现代控制理论的发展。

实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器。

20世纪60年代以后，由于生产的发展，生产过程向着大型化、连续性方向发展，而控制对象的要求也日趋复杂，原有简单控制的模式已不能满足要求，为适应工业生产控制的要求，一些复杂的控制系统得到开发，并在实践中获得了良好的控制效果。

而在这个阶段，人们研究出了现代控制理论，这为新的控制技术提供了理论基础。

它以状态空间为分析基础，包括以最小二乘法为基础的系统辨识，以极小值原理和动态规划为基础的优化控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计三个部分。

因此使分析系统的方法从外部现象深入到揭示系统的内在规律，从局部控制发展到了全局最优控制。

现代控制理论在航天、航空和制导等领域取得了辉煌的成果。

而自动控制的工具也产生了直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）和监督计算机控制（SupervisoryComputerControl，SCC）。

但是，在工业生产过程控制领域，现代控制理论却并未能发挥作用。

20世纪70年代以后，为解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相结合，逐步形成了大系统理论（Mohammad，1983）。

其核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与控制时应用大系统的典范。

实际上，除了高维线性系统外，大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，对其他复杂系统仍然束手无策。

同时，基于专家知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制应运而生，并在很多领域得到了广泛的应用。

这个阶段工业领域的一个最大成就是大规模集成电路和微处理器的产生，这大大加速了工业计算机的商品化和计算机技术的普及和发展。

为了满足工业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全新的工业控制工具，DCS产生了。

它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术于一体的计算机系统。

而另一方面，控制理论和其他学科相互渗透，从而形成了以大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三代控制理论。

直到现在，尽管它还处于发展和完善过程中，但已受到极大的重视和关注，也取得了很大的进展。

因此研究制冷过程自动控制技术是具有深远意义的一门科学，它的发展将对我国经济社会发展起着非常巨大的推动作用。

1.2.2制冷技术的发展

现代的制冷技术，是18世纪后期发展起来的。

在此之前，人们很早已懂得冷的利用。

我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降温。

马可·波罗在他的著作《马可·波罗游记》中，对中国制冷和造冰窖的方法有详细的记述。

1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。

他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。

在普冷方面，1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，并正式申请了英国第6662号专利。

这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型，但使用的工质是乙醚，容易燃烧。

到1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。

在此期间，空气绝热膨胀会显著降低空气温度的现象开始用于制冷。

1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制冷机使他一举成名。

威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回热器，提高了制冷机的性能。

1859年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统，申请了原理专利。

1910年左右，马利斯·莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。

到20世纪，制冷技术有了更大发展。

全封闭制冷压缩机的研制成功（美国通用电器公司）；米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环以及混合制冷剂的应用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。

在低温方面，1877年卡里捷液化了氧气；1895年林德液化了空气，建立了空气分离设备；1898年杜瓦用液态空气预冷氢气，然后用绝热节流使氢气成为液体，温度降至20.4K；1908年卡末林·昂纳斯用液态空气和液态氢预冷氦气，再用绝热节流将氦液化，获得4.2K的低温。

杜瓦于1892年发明的杜瓦瓶，用于贮存低温液体，为低温领域的研究提供了重要条件。

1934年，卡皮查发明了先用膨胀机将氦气降温，再用绝热节流使其液化的氦液化器；1947年柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。

大部分的氦液化器现已采用膨胀机，在制冷技术的开发和实际使用中获得广泛的应用。

新的降低温度方法的发明，扩大了低温的范围，并进入了超低温领域。

德拜和焦克分别在1926年和1927年提出了用顺磁盐绝热退磁的方法获取低温，应用此方法获得的低温现已达到

K；由库提和西蒙等提出的核子绝热去磁的方法可将温度降至更低，库提用此法于1956年获得了

K。

1951年伦敦提出并于1965年研制出的3He-4He混合液稀释制冷法，可达到

K；1950年泡墨朗切克提出的方法，利用压缩液态3He的绝热固化，达到

K。

更近期的制冷技术发展主要缘于世界范围内对食品、舒适和健康方面，以及在空间技术、国防建设和科学实验方面的需要，从而使这门技术在20世纪的后半期得到飞速发展。

受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工业领域的技术进步的渗透和促进，制冷技术取得了一些突破性的进展，同时也面临一场新的挑战。

1.3制冷技术的应用

制冷技术的应用和发展是由于社会生产和人民生活的需求而产生的。

自改革开放以来，冰箱和空调的生产和普及大大促进了我国制冷技术的发展。

制冷技术是一门研究人工制取低温的原理、设备及应用的科学技术。

在工业生产和科学研究中。

通常把制冷分为“普冷”和“深冷”（也叫低温）。

通常以-120℃为界，制冷温度高于-120℃称为“普冷”，低于-120℃的称为“深冷”，但它们的划分界限不是绝对的。

制冷的方法很多，常见的有以下几种：

蒸气压缩式、吸收式、蒸气喷射式和吸附式制冷，它们的共同特点都是利用液体汽化时需耍吸收大量的潜热来进行制冷的。

除了上面利用液体汽化制冷的方法以外，还有以下几种制冷方法：

气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。

制冷技术的应用范围非常广泛。

从工农业生产到我们的日常生活。

应用范围一般可分为三个温区：

低温区（约-120℃以下）主要用于气体分离、气体液化、超导和宇航等。

中温区（-120℃～5℃）立要用于冷藏、冷冻、化工生产工艺过程，生化制品的生产等。

高温区（5℃～80℃）主要用于空调、除湿、热泵蒸发和热泵干燥等。

制冷技术在国民经济的各个部门及人们的日常生活中的应用主要表现在以下几个方面：

①冷藏

制冷技术在冷冻与冷藏上的应用主要是对易腐食品〔如鱼、肉、蛋、果类。

蔬菜等食品）进行冷加工、冷藏及冷藏运输。

以减少生产和分配中的食品损耗，保证备个季节市场的合理分配。

采用的制冷装置有冷库、冷藏汽车、冷藏船、冷藏列车、冷藏商品陈列柜、冷柜和家用冰箱等。

②空气凋节

随着人们生活水平的提高，为了满足人们舒适的生活和工作环境，空调技术的使用得到了很大的发展。

例如宾馆、商场、剧场、大型公共建筑、汽车、飞机座舱、办公室、居民住宅等的空调设备，为人们提供了适宜的生活和工作环境。

不仅有益于身心健康，而且可以提高生产和工作效率。

大型集中式空调系统供冷。

例如我国的首都机场、拥有空调冷量1.2万kW；美国的“世界贸易中心大楼”，楼高410m，总建筑面积120万㎡。

拥有空调冷量17万kW；日本大阪的“国际博览会”，建筑面积80万㎡。

拥有空调冷量10万kw；法国某居民住宅的空调系统，拥有空调冷量7万kW．可向6000户居民、100万㎡的居住面积供冷。

③除湿

高温生产车间、纺织厂、造纸厂、印刷厂、胶片厂、机器设备的操作控制房，精密仪器车间，精密机床加工车间，精密计量室，计算机房等的环境除了对温度要求调节外，往往对环境的湿度也有较高的要求，这时通常使用冷冻除湿机进行除湿，以保证产品的质量或机器、仪表的精度或精密设备的正常特性。

④工业生产

在工业生产中，倡助于制冷，可使气体液化、气体分离，带走化学反应中的反应热。

盐类结晶、燃料、化肥的生产，天然气的液化、贮运也需要制冷。

利用制冷可以对钢进行低温处理（-70℃～-90℃），可以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。

在机器的装配过程中，利用低温能方便地实现过盈配合。

在钢铁工业中．高炉鼓风需要用制冷的方法先将其除湿，然后再送入高炉，以降低焦化比，保证铁水质量，一般大型高炉需几千千瓦冷量。

⑤农牧业

利用制冷对农作物种子进行低温处理，创造人工气候室育秧，保存动物良种精液等，对农牧业的帮助非常大。

⑥建筑工程

利同制冷可实现冻土法开采土方。

在挖掘矿井、隧道、建筑江河堤坝时。

或在泥沼、砂水处掘井时，可采用冻土法使工作面不坍塌，保证施工安全。

拌和混凝土时，用冰代替水．借冰的熔化热补偿水泥的固化反应热，可以制出大型混凝土构件，有效地避免了大型构件因为得不到充分散热而产生内应力和裂缝等缺陷。

⑦国防工业

高寒条件下工作的发动机、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能。

在研制和生产过程中往往需要进行环境模拟实验;航空仪表、火箭、导弹中的控制仪器．也需要在地面模拟高空低温条件进行性能实验，这些都需要利用制冷为其提供低温和低压环境试验条件。

原子能反应堆的控制也需要制冷、人防与地下工程需要进行除湿。

⑧医疗

除了低温保存疫苗、药品、血液及皮肤外，冷冻手术如心脏、外科、肿瘤、白内障、扁桃腺的切除手术、皮肤和眼球的移植手术及低温麻醉等，均需要制冷技术。

生物化学产品、药品需要利用真空冷冻干燥。

此外，电子技术、能源、新型原材料。

宇宙开发、生物技术等尖端科学领域中，制冷技术也起着重要的作用。

1.4课题的研究目标和内容

温度是工业生产中的一个重要控制参数，在很多的工业生产中，都包含得有对温度的控制，而自动控制系统在温度控制方面有着很重要的作用。

课题的研究目标主要是针对液氨制冷，要求设计制冷过程的自动控制系统，并能够实现工业生产的最优经济指标、节约能源、保护生态环境和安全稳定的运行等要求。

研究的主要内容包括采集分析工业生产过程控制的特点及要求、分析制冷的工艺特点、制冷的控制方案分析及确定、各个控制部位设备的选择和各种控制规律的分析等。

通过以上内容的研究，要求设计出的控制系统对制冷的工艺流程进行最优控制，既可提高制冷过程的质量和效率，又可节约生产投入的人力资源。

2制冷工艺系统及控制要求

2.1选择氨作为制冷工质原因

氨是一种应用比较广泛的制冷工质，原因如下：

在制冷方面，现目前我们国家冷库制冷系统有氨系统和氟系统两种。

在小型冷库中一般使用氟系统，它能比较容易地实现自控；大中型冷库用的则是氨系统，这种系统的设备投资较少，操作方便。

有因为氨有强烈的刺激性臭味，所以当出现泄露时容易发现。

而且不易发生爆炸。

这对于化工装置是十分有利的。

而且氨作为制冷剂容易获得，价格便宜，又对大气臭氧层不发生影响，所以将来会更多的使用以氨作为冷媒的工业及民用制冷中。

故此，本文制冷系统中使用冷媒选择氨。

2.2液氨制冷的工艺系统

制冷系统通过使液体制冷剂降压降温，然后吸热蒸发制冷，再进过一次压缩和冷却使蒸汽液化，并使之进行周而复始的循环流动。

如图2.1，是液氨蒸发器的温度控制装置。

图2.1液氨蒸发器温度控制装置

2.2.1理想的制冷循环

理想的制冷循环蒸发过程，制冷剂不断地吸收热量，但其温度不变，压力不变，此时制冷工质吸收的热量全部转换为工质的能量，然后进入压缩机。

气体的制冷能力是在等温压缩时获得。

2.2.2实际的制冷循环

在实际的制冷循环过程中，由于存在能量的损失，所以上面的几个过程均是不可逆的其能量的损失主要由以下几个方面：

温度损失

蒸气吸入压缩机气缸后遇热膨胀，比容增大，使吸气量减少,功耗增大。

压力损失

压缩机吸入的蒸气由于阀门的阻力使压力降低，而排除的压力又必须高出冷凝压力，使压缩机功耗增大。

泄露损失

在压缩和排气过程中，由于存在压差，高压气体通过活塞、活塞环与气缸的间隔会发生泄露，使压缩机的输气量减少。

摩擦损失

机器相对运动的零部件间有摩擦阻力，制冷剂（液氨）在管道中流动时，也会遇到摩擦阻力，压力降低，流量减小，使压缩机功耗增大。

2.2.3液氨制冷工艺特点

由于氨制冷对安全性要求较高，而以前氨的自控元器件不过关、控制技术不成熟，搞自动化的较少。

现在，随着技术进步和计算机的发展，利用信息技术改造传统的制冷工业已经成为可能。

利用设备实现氨系统冷库全自动控制的冷库。

采用自动控制制冷与配套动力系统，可以保证制冷设备和系统稳定、可靠地运行，达到高效、节能、安全的目的。

自动化冷库较传统冷库可节约大量的电能。

自动运行情况良好，对于出现的一些问题，只要及时作出适当地修正，就能够使自动控制系统持续稳定的运行下去。

在液氨蒸发制冷的生产工艺中，也采用过程控制技术来对生产过程进行控制。

如图2.1所示，液氨蒸发器实际上是一个换热设备，它的特点是利用液氨蒸发为气氨这一吸热过程来冷却其他物料，再将气氨作为被冷却物料（主物料）送到制冷压缩机进行液化，并经冷却水进一步冷却液化后重复使用。

为防止制冷压缩机损坏，严禁气氨中夹带液氨。

工艺操作上，以被冷却物料的出口温度为被控变量，液氨流量为操纵变量组成温度简单控制系统。

当被冷却物料出口温度升高时，温度控制器输出增加（正作用控制器），控制阀开度增加（气开阀），使液氨冷冻量增加，这样使更多的液氨汽化吸收热量，使出口温度降低。

2.3液氨制冷控制要求

2.3.1过程控制的要求

过程控制涉及工业生产的各个领域，不同的工艺过程控制有不同的要求。

但总的归纳起来有三个方面的要求：

安全性、经济性和稳定性。

安全性

安全性指的是在生产的整个过程中，确保人身安全和设备的安全，这是最重要的要求。

特别是对于发电、化工、炼油等生产企业特别要注意系统的安全问题。

因此在这样的系统中都要采用参数越限报警、事故报警和连锁保护等措施加以保证。

在化工等易燃易爆环境中使用的仪表都必须是防爆仪表。

为了保护大型设备的安全，系统可设计在线故障预测和诊断系统、容错控制系统等，以进一步提高系统运行的安全性

经济性

经济性旨在使过程控制系统在生产相同质量和产量的条件下，所消耗的能源和材料最，做到生产成本低、生产效率高。

随着市场竞争的日益加剧和我国加入WTO以后所面临的国际市场竞争，经济性受到了极大的重视。

稳定性

稳定性即要求系统具有抑制外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。

工业生产过程的生产条件不可能完全不变，例如生产工况的变化、原料的改变或生产量的起落、设备的老化和污染都会对生产造成一定的影响。

特别是大型的复杂的系统，其影响因素就更多，这就要求过程控制系统在诸多因素干扰的情况下仍能保持系统的稳定。

过程控制系统在运行时有两种状态：

一种称为稳态，系统的设定值保持不变，也没有受到整个外来的任何干扰，因此被控变量也保持不变，整个系统处于平衡稳定状态；而另一种为动态，系统的设定值发生了变化，或者是系统受到了外扰，原来的稳态遭到了破坏，系统的各部分也将作出相应的调整，改变操纵变量的大小，使被控变量重新回复到设定值，使系统稳定下来。

这种从前一个稳定状态到另一个稳定状态的过程称为过渡过程。

实际上大多数系统被控对象总是不断地受到各种外来的干扰影响，系统经常处于动态过程中。

因此评价一个系统的品质，不能单纯评价其稳态，更重要的是应该考虑它在动态过程中被控变量随时间变化的情况。

对于液氨蒸发冷却这个生产工艺过程而言，过程控制要求尽量减少制冷循环中的功耗，但最重要的控制要求就是保证冷物料的出口温度保持恒定和保证蒸发出去的气氨中不能夹带有液氨，引起氨压缩机的操作事故。

2.3.2出口温度的要求

出口温度要求保持恒定。

液氨蒸发冷却的工业生产过程中，由于是由液氨的蒸发变成气氨带走热量，从而达到降低物料温度的目的，故在生产过程中要随时监测冷物料的出口温度，使之达到一个相对恒定的值，从而来控制进入氨蒸发器的液氨的进量。

2.3.3液氨蒸发