论文-机械设计制造及其自动化发展方向的研究

生产过程中,对各个工艺过程的物理量(或工艺变量)有着一定的控制要求。有些工艺变量直接表现生产过程,对产品的数量与质量起着决定性的作用。例如,精馏塔的塔顶或塔釜温度,一般在操作压力不变的情况下必须保持一定,才能得到合格的产品;加热炉出口温度的波动不能超过允许范围,否则将影响后一工段的效果;化学反应器的反应温度必须保持平稳,才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接地影响产品的质量和数量,然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。

根据以上分析研究可知:自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与的自动化控制系统。操作工坐在操作室里,就能观察到整个装置的变化。因此,保证生产过程的安全,降低了劳动强度。

近二十年来,工业生产规模的迅速发展,加剧了对人类生存环境的污染,因此减小工业生产对环境的污染的影响也纳入了过程控制的目标范围。

如上所述,机械自动化系统是一个综合的概念,包含了机电一体化技术和机电一体化产品两个方面的内容。作为产品,又包含着设计、制造和特定的功能以满足使用要求,而功能是由其内部有机联系的结构所决定的。

图中加法器的正负号是针对采用气关阀及正作用控制器的情况。图3-5(a)接法的优点是使用仪表最少,只要一台多通道的控制器即可实现。但如果系数设置不能确保物料平衡,则当负荷变化时,水位将有余差,图3-5(b)的接法,水位无余差,但使用仪表较前者多,在投运及系数设置等方面较前者麻烦一些。

早在1971年日本的《机械设计》杂志副刊上刊登了机电一体化这一名词,后来随着机电一体化的发展而被广泛的应用。美国机械工程师协会于1984年为现代机械下了如下定义:“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。它与前面提及的机电一体化是一致的,因此可以说现代机械就是指机电一体化系统。20世纪90年代国际机器与机构理论联合会,给出了这样的定义,机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。因此又可以说机电一体化就是在机械设计制造及其自动化基础上的发展。

从该图可以看出,这是前馈控制与串级控制组成的复合控制系统。其中,汽包水位是主冲量(主变量),蒸汽,给水流量为辅助冲量。在汽包停留时间较短、“虚假水位”严重时,需引入蒸汽流量信号的微分作用。这种微分信号应是负微分作用,以避免由于负荷突然增加和减少时,水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。

C1、C2——加法器系数。C1的设置一般取1,C2的值应考虑到静态前馈补偿,可现场凑试,也可经理论推导得出。

如图3-9所示,为氨冷却器控制气氨排量的控制方案,其机理是通过改变传热速率方程中的平均温度来控制工艺物料的出口温度的,这种方案控制灵敏迅速,但制冷系统必须许可压缩机入口压力的波动。另外,冷量的利用不充分。为确保系统的安全运行,还需要设置一个液位控制系统,防止液氨进入氨管路而导致压缩机损坏。

文章从系统的观念出发,综合运用机械技术、微电子技术,自动化技术,及过控技术在化工生产中的应用。着重例举了锅炉汽包水位的控制和冷却剂流量和气氨排量的最佳控制方案。提出了过程自动化控制今后的主要目标,指明了机械设计制造及其自动化的发展方向。

冷却器的热载体是冷却剂,常采用液态氨等介质作为冷却剂,利用它们在冷却器内蒸发进吸收工艺物料的大量热量,使用工艺物料的出口温度下降来达到生产工艺要求,工业用冷却器的一般控制方案有以下几种。

为氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案,其机理也是通过改变传热速率方程中的传热面积F来实现的。该方案控制平稳,冷量(冷却剂量)利用充分,且对压缩机入口压力无影响。但这种方案控制不够灵活,另外蒸发空间不能得到保证,易引起气氨带液而损坏压缩机。为此,可采用图3-7所示的物料出口温度与液位的串级控制方案,使用这种方案时,可以限制液位的上限,保证有足够的蒸发空间。也可以采用图3-8所示的选择性控制方案。

在汽包水位的控制中,最主要的扰动是蒸汽负荷的变化。如果根据蒸汽流量来进行校正,不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作,而且使给水位控制阀的动作十分及时,从而减少水位波动,改善控制品质。将蒸汽流量信号引入,就购入了双冲量控制系统,如图3-2所示。从本质上看,双冲量控制系统是一个前馈(蒸汽流量)控制加单回路反馈控制的复合控制系统。这里的前馈仅为静态前馈,若需要考虑两条通道在动态上的差异,需引入动态补偿环节。

任何一种产品都是为满足人们的某种需要而开发的,都必须具有某种主要功能,不同的产品具有不同的主要功能。概而言之,都能对输入的物质、能量和信息(即所谓工业三大要素)进行某种处理,输出具有所需特性的物质、能量与信息。因此,机械自动化系统也必须具有对输入的物质、能量和信息进行某种处理,从而输出具有所需特性的物质、能量与信息的主功能。如图2-1所示:

它的发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科,随着生产和科学技术的发展,还将不断被赋予新的内容。但其最基本的特征可概括为:机械自动化的设计制造是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织结构目标,在多功能、高质量、高可靠性,低能耗的意义上实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术。

设置I0的目的是使其在正常负荷下,控制器和加法器的的输出都有一个比较适中的数值。最好在正常负荷下,I0和C2IF项接近而相互抵消。

双冲量控制系统还有两个弱点:控制阀的工作特性不一定能成为线性特性,这样要做到静态补偿就比较困难;同时,对于给水系统的扰动仍不能克服。为此可再将给水流量信号引入,构成三冲量控制系统。

以信息处理为主,输入信息和能量。主要输出某种信息。如数据、图像、文字、声音等的产品称为信息机。如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。

机械自动化系统除了具备上述必须的主功能外,还应具体备其它内部功能、即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。

基于上述的功能构成原理,既有利于设计或分析各种机械自动化的产品,又有利于开拓思路,便于创造发明和创新。例如,根据3种不同的主功能及其不同的输入,组合起来可形成9大类型的系统产品。如表2-1所示:

汽包水位控制手段是控制给水,基于这一原理,可构成如图3-1所示的单冲量控制系统。

典行的简单控制系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加时,由于假水位现象,控制器不但不能开大给水阀来增加给水量,以维持锅炉的物料平衡,而是关小控制阀的开度,减小给水量。等到假水位消失后,由于蒸汽量增加,送水量反而减小,将使水位严重下降,波动很历害,严重时气包水位降到危险程度以至发生事故。因此对于停留时间短、负荷变动较大的情。

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