制冷过程自动控制设计

萬花樓大学（http://towanhualou.lingd.net/）本科毕业设

计（论文）

制冷过程自动控制设计

学生姓名：

学生学号： 院（系）： 年级专业： 指导教师：

助理指导教师：

XXX大学本科毕业设计（论文） 摘 要

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

I

XXX大学本科毕业设计（论文） ABSTRACT

ABSTRACT

The automatic control of cooling is a type of the automatic control of temperature. In refrigeration technology, one way of refrigeration in industrial production is the liquid ammonia for evaporative cooling. Usually by liquid ammonia the evaporation of ammonia gas into the heat away to achieve the objective of lowering the temperature. With the development of science and technology, the refrigeration technology is developing to automatic and intelligent; the new request is bring out with the development of the automatic control of refrigeration. This article mainly aims at designing a system of selective controlling the liquid ammonia for evaporative cooling. The selective control system for evaporative cooling temperature of liquid ammonia selective control， can be very well to reasonable distribution parameters, such as the level of liquid ammonia and the temperature distribution. Its structure is characterized by the two regulators to share a control valve. One regulator in normal working condition and the other in a standby, the encounter of the situation is not normal, they replace it by, until conditions return to normal, and then from the regulator to control. This system is a stable automatic control system, even without participation by people，can be controlled parameter reached a given value or regular changes.

Key words Refrigeration, Automation, Liquid ammonia, The selective control

II

XXX大学本科毕业设计（论文） 目 录

目 录

摘 要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................... II

1 绪论 ............................................................................................................................. 1

1.1 课题研究的意义 ........................................................................................................ 1 1.2 国内外的现状 ............................................................................................................ 1 1.2.1 过程控制的发展 ................................................................................................. 1 1.2.2 制冷技术的发展 ................................................................................................. 3 1.3 制冷技术的应用 ........................................................................................................ 4 1.4 课题的研究目标和内容 .............................................................................................. 6

2 制冷工艺系统及控制要求 ......................................................................................... 7

2.1 选择氨作为制冷工质原因 .......................................................................................... 7 2.2 液氨制冷的工艺系统 ................................................................................................. 7 2.2.1 理想的制冷循环 ................................................................................................. 8 2.2.2 实际的制冷循环 ................................................................................................. 8 2.2.3 液氨制冷工艺特点 .............................................................................................. 8 2.3 液氨制冷控制要求 ..................................................................................................... 9 2.3.1 过程控制的要求 ................................................................................................. 9 2.3.2 出口温度的要求 ................................................................................................. 9 2.3.3 液氨蒸发的要求 ............................................................................................... 10

3 制冷过程自动控制方案 ........................................................................................... 11

3.1 生产过程控制系统的组成 ........................................................................................ 11 3.2 被控参数的选择 ...................................................................................................... 12 3.3 控制参数的选择 ...................................................................................................... 13 3.4 控制方案分析 .......................................................................................................... 13 3.4.1 单回路制冷控制系统 ........................................................................................ 13 3.4.2 串级制冷控制系统 ............................................................................................ 15 3.4.3 自动选择性控制系统 ........................................................................................ 17 4 制冷过程自动控制方案确定 ................................................................................... 20

4.1 控制系统的选择 ...................................................................................................... 20 4.2 控制方案的控制流程 ............................................................................................... 20 4.3 控制系统介绍 .......................................................................................................... 22 4.3.1 功能介绍 .......................................................................................................... 22 4.3.2 工作原理 .......................................................................................................... 22 4.4 制冷系统在工程中的应用 ........................................................................................ 22 4.4.1 系统部件 .......................................................................................................... 22 4.4.2 工程中液氨制冷系统图 ..................................................................................... 23 4.4.3 工作过程 .......................................................................................................... 24

5 控制方案的设备选型 ............................................................................................... 25

5.1 选择器的选型 .......................................................................................................... 25

III

XXX大学本科毕业设计（论文） 目 录 5.2 调节器的选型 .......................................................................................................... 26 5.2.1 调节器调节规律的确定 ..................................................................................... 26 5.2.2 调节器参数的整定 ............................................................................................ 26 5.2.3 调节器的抗积分饱和 ........................................................................................ 26 5.3 控制器的选型 .......................................................................................................... 27 5.3.1 控制器控制规律的确定 ..................................................................................... 27 5.3.2 控制器参数的整定 ............................................................................................ 27

结 论 ............................................................................................................................... 29 参 考 文 献 ................................................................................................................... 30 致 谢 ............................................................................................................................... 31

IV

XXX大学本科毕业设计（论文） 1 绪 论

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(Distributed Control Systems，DCS)发展到了现场总线控制系统(Fieldbus Control System，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。

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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(Direct Digital Control，DDC)和监督计算机控制(Supervisory Computer Control，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，

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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；15年林德液化了空气，建立了空气分离设备；18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12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1103~5103K；由库提和西蒙等提出的核子绝热去

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磁的方法可将温度降至更低，库提用此法于1956年获得了20103K。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4103K；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1103K。

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

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XXX大学本科毕业设计（论文） 1 绪 论

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

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XXX大学本科毕业设计（论文） 1 绪 论

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。

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XXX大学本科毕业设计（论文） 2 制冷工艺特点及控制要求

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

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XXX大学本科毕业设计（论文） 2 制冷工艺特点及控制要求

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：

① 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。 ② 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。

③ 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。

④ 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。

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XXX大学本科毕业设计（论文） 2 制冷工艺特点及控制要求

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。

① 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

② 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。

③ 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

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XXX大学本科毕业设计（论文） 2 制冷工艺特点及控制要求

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 液氨蒸发的要求

液氨的蒸发需要一定的蒸发空间，蒸发器内液氨液位正常时，有正常的蒸发空间，当液位上升，蒸发空间减少时，大量液氨在蒸发汽化过程中，会使气氨中挟带部分液氨进入制冷压缩机，从而影响压缩机的安全运行，严重时将损坏压缩机造成事故。若液位继续上升导致无蒸发空间时，液氨不能再汽化而失去制冷效果，液氨直接进入压缩机，产生严重事故。所以在整个过程中气氨中不能带有液氨。

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XXX大学本科毕业设计（论文） 3 制冷过程自动控制方案

3 制冷过程自动控制方案

在过程控制自动化技术中，控制方案主要分简单控制系统和复杂控制系统。简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环系统；而复杂控制系统，它们的输入和输出变量至少两个或里两个以上，而且变量之间还存在相互耦合和相互影响的控制系统。本节分别利用简单控制系统和复杂控制系统设计制冷过程自动化控制系统方案。

3.1 生产过程控制系统的组成

过程控制系统主要由被控过程和自动化仪表（包括计算机）两部分组成，其中自动化仪表负责对被控过程的工艺参数进行自动测量、自动监视和自动控制等。如图3.1为常规过程控制系统的方框图。

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图3.1 过程控制系统框图

① 被控对象

被控对象是指被控制的生产设备或装置，常见的被控对象有加热炉、锅炉、分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机等生产设备，或储存物料的槽、罐以及传送物料的管段等。当生产工艺过程中需要控制的参数只有一个，如锅炉的水位控制，则生产设备与被控对象是一致的；当生产设备的被控参数不止一个，如果锅炉的水位控制实际上取决于给水量、压力和蒸汽流量等参数，其特性互不相同，应各有一套可能是互相关联的控制系统，此类生产设备被控对象就不止一个，应对其中的不同过程分别作不同的分析及处理。

② 传感器和变送器

反映生产过程的工艺参数大多不止一个，一般都需用不同的传感器进行自动检测以获得可靠的信息，才能了解生产过程进行的状态，需要进行自动控制的参数称为被控变量被控变量往往就是对象的输出变量，其一般为非电量物理量，被控变量

由传感器进行检测，将其变成相应的电信号，而变送器会将此信号转换为标准电信号。

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XXX大学本科毕业设计（论文） 3 制冷过程自动控制方案

③ 控制器

控制器也称调节器，它接收传感器或变送器的输出信号——被控变量。当其符合工艺要求时，控制器的输出保持不变，否则，控制器的输出发生变化，对系统施加控制作用。

④ 执行器

被控变量的测量值 z 与设定值 r 在控制器内进行比较后得到的偏差 e 的大小，控制器根据偏差 e 的大小按控制器规定的控制算法(如 PID 控制等)进行运算后，发出相应的控制信号 u 经变化和放大后去推动执行器。目前采用的执行器有电动执行器与气动执行器两大类，应用较多的是气动薄膜控制阀。如果控制器是电动的，而执行器是气动的，就应在控制器与执行器之间加入电/气转换器。如果采用的是电动执行器，则电动控制器的输出信号需经伺服放大器放大后才能驱动执行器，以推动控制阀启闭。

⑤ 控制阀

由控制器发出的控制信号 u，通过电动或气动执行器产生的位移量驱动控制阀门，以改变输入对象的操纵变量 q，使被控变量受到控制。控制阀是控制系统的终端部件，阀门的输出特性决定于阀门本身的结构，有的与输入信号呈线性关系，有的则呈对数或其他曲线关系。

3.2 被控参数的选择

被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性意义。在一个生产过程中，影响设备正常运行的因素很多，但是并非所有因素都要加以自动控制，而且也不可能都加以控制。因此，必须深入分析生产过程，找出对产品产量、质量以及安全生产和节能诸方面具有决定性作用的，而且是直接可测量的或通过间接计算可得到的变量作为被控变量。所以，在合理选择被控变量时，必须遵循和考虑如下几方面的原则：

① 必须尽可能寻找表征生产过程的质量指标作为被控变量。就目前来讲，按质量指标进行直接控制并不多见，因为目前对成分测量还有一定困难、即使能测量但信号微弱，而且还存在着较大的测量滞后。因而一般都采用温度、压力等作为间接指标，此时要注意间接指标与质量指标之间必须具有单值对应的数学关系和足够大小的间接指标测量信号。

② 必须确定表征生产过程的变量数目。工艺变量必须是变量，一般可根据物理化学中的相律关系进行鉴别。

③ 必须注意控制系统之间的相互影响，亦即所谓相互关联问题。当一个装置或设备具有两个以上的变量，而且又分别组成控制系统时，则往往容易产生

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系统间的相互关联。这种关联会使控制系统无法运行。如要消除这种系统的关联影响，通常可通过整定调节器参数，使两个系统的控制作用强弱拉开，错开两个系统的相互联系，使两个关联的控制系统仍能正常工作。

选择被控量是控制系统方案设计中最重要的一环，它直接关系到生产是否稳定，产品产量和质量能否得到保证、生产安全和劳动条件是否得到改善等关键问题。影响生产正常运行的因素很多，但并非对各个影响因素都要加以控制，这就要求设计者深入生产实际，充分了解那些影响产品产量和质量、人身和设备安全都具有决定意义，能较好地反映工业生产变化的参数。被控量一般选择能直接反映生产过程产量和质量，并能保证安全运行的参数用作控制量。

在液氨制冷过程自动控制系统中，影响它最直接的参数是制冷剂液位和出口温度，但是制冷剂液位高低是由工作人员决定的，尽管它直接影响到参数，但是并不能选作被控参数，而出口温度选作被控参数是最适宜的。

3.3 控制参数的选择

在系统被控变量确定以后，下一步就要选择控制参数，以克服扰动对被控变量影响。一般情况下，操作量都是由工艺规定的，在控制系统设计中没有太多的选择余地。但是在多个操作量和多个被控量的情况下，用哪个操作量去控制哪个被控量还是要认真的加以选择。

能控制被控量变化的因素很多，但并不是任何一个因素都可选为操纵量而组成可控性能良好的控制系统，同时也需要考虑到生产工艺上的合理和方便性。一般来说，生产负荷与产品的产量有着直接的关系，不适宜经常变动，不要选择生产负荷作为操纵参数。

在制冷过程的自动控制系统设计中，它的被控参数是温度，操纵参数是制冷剂进量。所以在制冷过程自动的自动控制系统中选择制冷剂的进量为操纵参数最为适宜。

3.4 控制方案分析

控制方案的选择是系统设计的一个重要环节，选择的控制方案要求能实现工业生产过程中的各种最优经济指标、节约能源、保护环境等条件。本节主要介绍3种控制方案供分析选择。

3.4.1 单回路制冷控制系统

单回路控制系统是由被控对象，一个测量元件及变送器，一个控制器和一个执行器所组成的单回路负反馈控制系统。简单控制系统是最基本、最常见、应用最广泛的控制系统，占控制回路的 80%以上。简单控制系统的特点是结构简单，易于实现，适应性强。在简单控制系统的基础上，发展起各种复杂控制系统。在工

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业过程计算机集成控制系统中，也往往把它作为最底层的控制系统。

如图3.2是简单控制系统的典型结构，液氨蒸发制冷的单回路控制系统。它由液氨蒸发器、温度变送器（TT）、温度控制器（TC）和液氨控制流量阀组成。控制目标是通过液氨蒸发降低温度。当进口液氨的流量和温度等因素的变化引起周围温度变化变化时，通过温度变送器(TT)测得温度的变化，并将其信号送至温度控制器(TC)与给定值进行比较，温度控制器(TC)根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至控制阀，以改变液氨流量来控制液氨液面高度来维持散热片的温度。其方框图如图3.3所示。

图3.2 液氨蒸发制冷自动控制系统

TrWcsWvsW0sT0Hms

图3.3 液氨蒸发制冷单回路控制系统方框图

这是一个温度单回路控制方案，这一控制方案实际上是用改变传热面积来控制传热量的方法，即改变液氨液面的高度去影响换热器的浸润传热面积。因此，液面的高度就间接反映了传热面积的变化情况。若液氨蒸发器的容量较大，液氨在容器内停留时间较大，即对象的时间常数较大，则必然使控制作用不及时，液面波动较大，控制品质不高。更重要的是，当液氨的液面淹没了换热器的全部列

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管时，就会出现溢罐，液氨会随着气氨而流失，浪费了资源，若出口温度仍偏高，要求继续增大氨量，则一方面此时传热面积已达极限。氨的蒸发量以无从在增加，使出口温度降不下来；而另一方面还可能带来生产事故。因为气化的氨须进入氨压缩机后回收重复使用，当氨液面太高时，会导致汽氨中夹带液氨而进入压缩机，影响压缩机的正常运行，严重时可能造成事故。但是它也有它的优点，就是成本低，方法简单。

3.4.2 串级制冷控制系统

单回路控制系统能解决工业过程自动化过程的大量参数定值控制问题。对于多数复杂控制系统，如多输入多输出系统、大滞后系统和扰动较大的系统等简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的控制要求。串级控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面具有较大的优势。

图3.4 液氨蒸发制冷的温度—液位串级控制系统

f2rC2f1C1

图3.5 液氨蒸发制冷的温度—液位串级控制系统方框图

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图3.4是液氨蒸发制冷的一个温度—液位串级控制系统，它针对于上一小节的单回路控制系统中所提及的液位问题做出的相应解决。在单回路系统中，如果进入冷却器的液氨量超过其蒸发能力，可以导致冷却器内的液位上升，汽化空间将减小，过高的液位会导致汽化空间不足，轻则使控制质量下降，重则会因汽氨中夹带大量液氨引起氨压缩机的损坏，既然问题出现在液位上，那么就把液位也控制起来，预防在单回路系统中出现的情况再次出现。

如图3.4所示是工业生产过程中常用的液氨蒸发制冷串级控制系统图。串级控制系统仍然以液氨流量作为操纵变量，以被控介质出口温度作为主变量，增加了冷却器内的液位作为副变量进行控制。它把引起液位变化的一些干扰(如液氨压力等)包含在副回路中，从而提高了控制质量。

另一个重要问题，冷却剂的汽化温度是与汽化压力直接相关的。在上述控制方案中，如果汽化压力出现较大的波动，必将造成冷却器内的温度发生很大的变化，使控制品质下降，甚至因局部过冷造成工艺设备的冻结。在这种情况之下，我们将它的气化压力也控制起来。如下图：

图3.6 用汽化压力控制温度的系统

图3.6所示系统，当蒸发器中的汽化压力升高，导致温度变化，温度传送器TT就检测到温度的变化信号，并将信号传递给温度控制器TC，温度控制器便控制阀门的开度增大，使蒸发器中的汽化压力减小，从而保持系统的正常工作。

此外，还有另一种控制方式，即利用汽化压力的单独控制系统。如图3.7

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图3.7 汽化压力的单独控制系统

由图3.5液氨蒸发制冷的温度—液位串级控制系统方框图可知，串级控制系统与简单控制系统的主要区别是，串级控制系统在结构上增加了一个测量变送器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。由于副回路的存在，是控制效果得到了显著改善。

3.4.3 自动选择性控制系统

选择性控制系统是把生产过程中的条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。也就是系统中设有两个控制器(调节器或两个以上的变送器)，通过(高、低值)选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。正常情况下当生产过程趋近于危险极限区，但还未进入危险区时，一个用于控制不安全情况的控制方案通过高、低值选择器将取代正常生产情况下工作的控制方案(正常调节器处于开环状态)，用取代调节器代替正常调节器，直至使生产过程重新恢复正常。然后，又通过选择器使原来的控制方案重新恢复工作，用正常调节器代替取代调节器。因而这种选择性控制系统又被称为自动保护系统，或称为软保护系统。

从上述过程可见，设计选择性控制系统的关键环节是采用了选择器。选择器可以接在两个或多个调节器的输出端，对控制信号进行选择；或者接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应不同生产过程的需要。

根据选择器在系统结构中的位置不同，选择性控制系统有以下两种类型：

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① 选择器装在调节器与调节阀之间(选择被控变量)

这种类型的选择性控制系统的特点是几个调节器公用一个调节阀。通常是两个调节器合用一个调节阀，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。这是使用最为广泛的一类选择性控制系统。

图3.8 液氨蒸发器的选择性控制系统

上图所示即为的液氨蒸发器选择性控制系统。液氨蒸发器的控制方案是依据冷物料温度来控制液氨的进量。但是当热物料温度很高时，液氨量也相应增加很多，因此氨冷器内液位高度会超过规定围。这样不仅使液氨的蒸发空间不足，而且会使气氨中夹带大量液氨，引起氨压缩机的操作事故。为此，也要求液位不能超出一定高度。这里可用选择性控制系统来达到既控制冷物料温度又控制液位的目的。

正常操作时，液位低于设定液位，反作用的液位调节器输出很大，因此低值选择器TY就选择正作用温度调节器TC的输出去控制气开调节阀，而实现温度控制。当热物料温度很高时，液氨进量加大，于是液位超出设定液位，液位调节器输出下降，当下降到低于温度调节器输出时，低值选择器使液位调节器取代温度调节器去控制阀门，使液氨进量减少，直到液位回到规定范围之内，此时相当于

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最大的冷却量。然后，当进口热物料温度开始下降时，温度调节器输出也随着下降，当降到低于液位调节器输出时，系统又重新切回到温度控制系统。由于此时热物料温度已下降，不需要那么多的冷却量，所以温度调节器的输出也减小，调节阀开始关小，液位又重新低于设定液位，这样，就起到了软限控制保护作用。② 选择器装在变送器与调节器之间(选择测量信号)

选择器位于调节器之前，对变送器输出信号进行选择的系统，如图 3.9所示。该选择性系统的特点是几个变送器合用一个调节器。通常选择的目的有两个，其一是选出最高或最低测量值；其二是选出可靠测量值。如固定床反应器中，为了防止温度过高烧坏催化剂，在反应器的固定催化剂床层内的不同位置上，装设了几个温度检测点，各点温度检测信号通过高值选择器，选出其中最高的温度检测信号作为测量值，进行温度自动控制，从而保证了反应器催化剂层的安全。

y221

图3.9 选择器位于调节器之前的选择系统框图

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XXX大学本科毕业设计（论文） 4 制冷过程自动控制方案确定

4 制冷过程自动控制方案确定

4.1 控制系统的选择

在液氨制冷系统中，所使用的蒸发器通常是满液式满壳式蒸发器，采用下进上出的供液，即下进液上部回气。工业生产中，液氮蒸发器有着广泛的应用， 液氮蒸发器实际上是一个换热设备，它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，液氮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。

液氨的蒸发需要一定的蒸发空间，蒸发器内液氨液位正常时，有正常的蒸发空间，当液位上升，蒸发空间减少时，大量液氨在蒸发汽化过程中，会使气氨中挟带部分液氨进入制冷压缩机，从而影响压缩机的安全运行，严重时将损坏压缩机造成事故。若液位继续上升导致无蒸发空间时，液氨不能再汽化而失去制冷效果，液氨直接进入压缩机，产生严重事故。

显然，简单控制系统的控制方案存在问题，需要改进，改进方法有以下两种。 ① 用液位控制系统取代温度控制系统。但这样一来，主物料出口温度变化与液位间无对应关系，不能控制出口温度。

② 采用液位测量报警或设置联锁系统。当液位超出某一高度时系统报警，由操作人员处理。当液位继续上升到达某一极限高度时，通过联锁切断液氨进料，待液氨蒸发器内液位恢复正常时，报警停止，打开液氨进料，恢复温度控制系统的正常工作。但此方案也会给操作带来较大的麻烦，尤其是在大规模生产过程中，容易影响整个生产的进行。

综合上述情况，对液氨蒸发器的温度控制可作如下考虑：液位正常时，温度控制系统正常工作；液位偏高时，控制阀的动作改为备用的液位控制系统控制，即液位控制系统自动取代温度控制系统投入工作，形成选择性控制系统。

故液氨蒸发制冷控制系统宜使用对被控变量进行选择的选择性系统。

4.2 控制方案的控制流程

下面是液氨蒸发制冷的选择性控制系统的流程图、方框图：

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图4.1 液氨蒸发的选择性温度控制系统

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图4.2 液氨蒸发的选择性温度控制系统方框图

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4.3 控制系统介绍

4.3.1 功能介绍

如图4.1所示，当液面正常时，温度调节器进行工作，当液面将要把列管全部淹没时，液面调节器在低选择器的作用下马上将温度调节器切除，并代其执行控制调节阀的任务，待液面下降后又将控制调节阀的任务交给温度调节器，这就避免了气氨带液的严重事故。液面调节器称为取代调节器，低值选择器就是自动切换装置。从这里就可以看出取代调节器是为了防止事故而设置的在正常情况下它不起作用时，但在关键时候却起了决定性的作用。

选择性控制系统在结构上的特点是在组成系统的各环节中必包含有选择性功能的选择器，根据选择器在正常控制系统中接入的位置可分为两大类：一类是选择器接在变送器的输出端，一般应用于测量信号的选择，另一类是选择器接在控制器的输出端，被选择的参数可以是被控量，也可以是操纵量。从图可以看出，在这种类型中有两个调节器，即正常调节器和取代调节器，两者的输出信号都到选择器，通过选择器的选择，选取较低（或较高）的信号作用于调节阀，这种类型的选择性控制系统结构简单，效果显著，应用较广。 在本系统中,选择器是按以下步骤确定的。

① 首先确定控制阀的气开、气关形式，本方案中采用气开阀。

② 确定温度控制器和液位控制器的正、反作用形式，经选择，温度控制器采用正作用控制器，液位控制器采用反作用控制器。

③ 由分析确定选择器为低值选择器，即温度控制器和液位控制器两者输出信号较小者作为选择对象。

4.3.2 工作原理

正常工作时，氨液位低于安全软限的氨液位H上，液位控制器的测量值小于给定值，产生负偏差。液位控制器输出高值信号，该信号大于温度控制器的输出信号，经低选器的作用，温度控制器的输出通过低选器控制控制阀的开闭，正常控制器 (温度控制器) 控制系统工作。当出现不正常的工况时，液氨蒸发器中的氨液位高于H上，液位控制器输出减少，它和温度控制器相比后，将温度控制器的输出信号切断，此时液位控制器控制系统的工作，关小控制阀开度，使液位下降。当液位下降低于H上时，液位控制器的输出信号高于温度控制器的输出，此时，通过低选器的作用，将系统控制权交给温度控制器，正常控制器重新投入工作。

4.4 制冷系统在工程中的应用

4.4.1 系统部件

在实际的液氨制冷循环中，除了理论上的压缩机、蒸发机、冷凝器、节流阀4

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个主要部件外，还有一些辅助设备如贮氨器、氨液分离器、集油器、空气分离器等。他们在整个循环过程中对提高制冷效率，保证设备运转安全等起到不同的作用。

制冷的四大要件：

① 压缩机：与空气压缩机原理一样。

② 冷凝器：可以理解为热水汀或做酒业的蒸馏器（锡锅）。 ③ 蒸发器：可以理解为上面所讲的水壶或锅炉。

④ 节流阀:可以理解为从楼上高位的热水汀到锅炉之间，加一只阀，开小一 点，让 蒸馏下来的水流进锅炉继续使用，不让热水汀中的水流光了使锅炉中的蒸汽反冲回热水汀，这一点与我们制冷不同，因为整个系统是均压的，而制冷系统冷凝部分是高压的，节流阀是控制制冷剂合理分配给蒸发器，让蒸发器处于正常的制冷工作状态。

其他部件：

① 贮氨器：用于贮存氨。

② 氨液分离器：将液氨和气液分离出来。 ③ 集油器：分离和排出循环系统中的冷冻油。

④ 空气分离器：主要是将循环系统中的不凝性气体和空气分离出去。

4.4.2 工程中液氨制冷系统图

下图就是工程中的液氨制冷系统简化控制图：

图 4.4 工程中液氨制冷自动控制系统简化图

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如图4.4中的液氨蒸发器的控制系统为自动选择性控制系统，此系统能很好的控制制冷温度。其控制系统在前面中已经介绍。

4.4.3 工作过程

此系统为重力供液系统，即高压液态氨经过节流阀节流之后，压力温度均降

低之后进入液氨分离器，进行气液分离之后，闪蒸的气体被压缩机吸入，而液体则依靠自身重力进入蒸发器进行蒸发换热。

另外，从蒸发器出来的回气也要经过氨液分离器将气态和液态分离，同样气体被压缩机吸入，而液体又靠自身重力进入蒸发器。这样通过气液分离避免了节流后的闪蒸气体进入蒸发器，保证了蒸发器的传热效率和压缩机的制冷量免受到影响，同时也尽可能避免了压缩机的湿行程的发生。

同时由压缩机排出的过热蒸气从进气管进入冷凝器的壳体与冷却管簇内的冷却水进行热交换后，即在水管的外表面凝结成液膜，在自重力和流速下迅速下滴，最后从壳体下部的出液管引出。

在制冷循环系统中，空气分离器主要是将循环系统中的不凝性气体和空气分离出去，否则在冷凝器中混有空气之后，就提高了冷凝器内的压力和压缩机的排气压力，对制冷工况和机器运行不利，同时影响换热效果，所以要及时地分离排出空气。由于润滑油在氨中很难溶解，因此在系统管道换热换热设备内容易积结油和油膜，造成换热效率降低。因此，为了提高制冷效率在适当的地方设置了集油器循环系统中的冷冻机油分离出来并派出去，这样就减少了制冷循环中的不利因素。

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XXX大学本科毕业设计（论文） 5 控制方案的设备选型

5 控制方案的设备选型

在液氨蒸发冷却温度的自动控制系统设计中，本文使用的是选择性控制系统，选择性控制系统在一定条件下可以等效成为两个(或者多个)常规控制系统的组合。选择性控制系统设计的关键是选择器的设计选型和多个调节器规律的确定。其他的例如调节阀的气开、气关形式的选择，调节器的正、反作用方式的确定与常规控制系统设计基本相同。

5.1 选择器的选型

选择器是选择性控制系统中一个重要的组成环节。选择器分为高值选择器与低值选择器两种。前者允许高值型号通过，后者允许低值信号通过。如下图所示：

HS LS

图5.1 高值选择器和低值选择器的功能

(ab)a对于高值选择器有：c{ 式(5.1)

b(ab)(ab)a对于低值选择器有：c{ 式(5.2) b(ab)选型时可按照使系统脱离“危险”区域的手段以及调节阀的开、关形式来选择。如有可能，应尽量选用低值选择器，可以更加可靠安全。因为对调节阀的气开、气关的选择，我们考虑的是在没有气压信号输入阀门的情况下，阀门处在开的为之安全，还是关的位置安全，所以，当选择器送出信号时，往往比较安全，万一发生故障，其危险性也会相对较小。

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5.2 调节器的选型

5.2.1 调节器调节规律的确定

对于正常工况下运行的调节器，由于有较高的控制精度要求，同时要保证产品的质量，应该选用PI调节，如果过程的容量滞后较大、控制精度要求高，可以选用PID调节；对于取代调节器，由于在正常生产中处于开环备用状态，仅仅要求其在生产过程的参数趋近极限、将要出问题时短时间运行，要求其能够迅速、及时的发挥作用，以防止事故的发生，一般选用P调节。

5.2.2 调节器参数的整定

选择性控制系统中调节器参数的整定时，正常工作调节器的要求与常规控制系统相同，可以按照常规控制系统的整定方法进行整定。对于取代常规调节器工作的取代调节器，其要求不同，希望取代系统投入工作时，取代调节器能够输出较强的控制信号，及时产生自动保护作用，其比例度P应整定得小一些。如果有积分作用时，积分作用也应当整定得弱一点。

5.2.3 调节器的抗积分饱和

在选择性控制系统的两个调节器中，总有一个处于开环状态，不论哪一个调节器处于开环状态，只要有积分作用都有可能产生积分饱利现象，这是由于长时间存在偏差，致使调节器的输出将达到最大或最小的极限值的缘故。积分饱和现象使调节器不能及时反向动作而暂时丧失控制功能，而且必须经过—段时间后才能恢复控制功能。这将给安全生产带来严重影响。

一般而言，积分饱和产生的条件是调节器具有积分控制规律；二是调节器输入偏差长期得不到校正。针对上述情况，为防止积分饱和，通常采用下列方法： ① 外反馈法

外反馈法是指调节器在开环状态下不选用调节器自身的输出作反馈，而是用其他相应的信号作反馈以其积分作用的方法。图5.2所示为外反馈原理示意图：

给定1 积分外反馈PI调节器1LsP1P2 给定2PI调节器2P1TP2T

图5.2 积分外反馈原理示意图

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在选择性控制系统中，两台PI调节器输出分别为P1、P2。选择器选中之一送至调节阀，同时又引回到两个调节器的积分环节，以实现积分外反馈。

若选择器为低选时，设P11PKc(ee1dt) 式(5.3) 111t1 由图5.3可见，积分外反馈信号就是其本身的输出P1.因此，调节器1仍保持PI控制规律。

调节器2处于备用待选状态，其输出为 P2Kc2(e21e2dt) 式(5.4) t2上式积分项的偏差是e1，并非其本身的偏差e2，因此不存在对e2的积累而带来的积分饱和间题，当系统处于稳定时，积分项为一常数，调节器仅具有比例作用。所以，取代调节器在备用开环状态，不会产生积分饱和。一旦生产过程出现异常，而该调节器的输出又被选中时，其输出引入积分环节，立即恢复PI控制规律，投入系统运行。 ② 积分切除法

所谓积分切除法，是指调节器具有PI-P调节规律。当调节器被选中时具有PI调节规律，一旦处于开环状态，立即切除积分功能，只具有比例功能。这是一种特殊设计的调节器。若用计算机进行选择性控制，只要利用计算机的逻辑判断功能，编制出相应的程序即可。 ③ 限幅法

所谓限幅法，是指利用高值或低值限幅器使调节器的输出信号不超过工作信号的最高值或最低值。至于用高限器还是用低限器，则要根据具体工艺来决定。如调节器处于开环待命状态时，调节器由于积分作用会使输出逐渐憎大，则要用高限器。反之，则用低限器。

5.3 控制器的选型

5.3.1 控制器控制规律的确定

由于正常控制器要求有较高的控制精度，因而采用PI作用，必要时在引入D作用。取代控制器在正常生产中不投入使用，仅属紧急和暂时性的措施，因此一般选P作用就行了。但当对极限值要求严格时，也可采用PI作用，并应采用有效的抗积分饱和措施。

5.3.2 控制器参数的整定

在进行控制器的参数整定时，因为选择性控制系统中的两个控制器是轮换进

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行工作的，故可按单回路控制系统的整定方法处理。值得注意的是取代控制器一旦投入工作，必须发出强有力的控制信号，以产生及时的保护作用。因此，比列度Q应整定的较小一些，积分作用也应整定强一些。

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XXX大学本科毕业设计（论文） 结 论

结 论

本文主要针对以液氨为制冷工质的制冷过程自动控制系统设计。通过几种常用

的控制方案比较，采用了自动选择性控制系统。该系统能通过对多种液氨蒸发制冷的温度控制系统进行的对比，然后选择一个最优化最效率的制冷控制，使制冷效率达到最高同时节约资源；该控制系统，还能够按需自动调节，实现自动制冷实时调节的平稳恒定；对温度设定值的合理选择，使温度保持在最优，也大大降低了系统温度过低造成的无用功率浪费以及温度过高使得降温不及时造成的生产损失。本文设计的系统是工程中常用的制冷控制系统，参考了工程中的部分控制方式，因此具有较强的实用性。

选择性控制系统的特点是几个调节器公用一个调节阀。通常是两个调节器合用一个调节阀，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。

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XXX大学本科毕业设计（论文） 参 考 文 献

参 考 文 献

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[2] 潘永湘，杨延西，赵跃.过程控制与自动化仪表[M].北京：机械工业出版社，2007.5. [3] 陈芝久.制冷装置自动化[M].北京：机械工业出版社，1996.

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Pearson Education. Inc., 2001.

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XXX大学本科毕业设计（论文） 致 谢

致 谢

在周荣富副教授的细心指导下，和同组同学的无私帮助下，通过自己3个月的努力，毕业设计终于完成了。在这个时候，我首先要说的是，感谢所有帮助我的老师和同学们，感谢您们让我充实的度过这些日子；没有您们的帮助和鼓励，论文的完成是不可想象的。

四年来，XXX大学电信学院的各位老师热情的帮助了我，如果没有您们，就没有我的今天。

指导老师周荣富在毕业设计过程中给我了很多指导，在课题的研究探索过程中，设计方案曾经有过很大的改动，经历了不少曲折，正是在他的耐心指导和热情鼓励下，才最终确定了设计方案，达到了预期的目的。

感谢我同宿舍的同学，他们的研究项目和我的课题毫无相关之处，但是，他们非常耐心的作为我的听众，关注整个研究的过程，伴我走过了这段艰难的日子。

最后我要感谢我的父母，感谢母校XXX大学，在我即将离开的日子里，谨以这篇论文献给您，献给过去的美好岁月。

感谢您们，这个世界因为您们而美丽。

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