制浆蒸煮实验蒸球控制系统设计开题报告

全文总字数：1475字

1. 研究目的与意义

制浆蒸煮实验蒸球是制浆蒸煮工艺实验的关键设备,目前多采用桶装可旋转蒸球,采用热电阻测量温度.热电阻信号通过轴承上铜瓦接触实现转动过程信号传输,控制信号不稳定,造成控制系统不稳定、控制精度不高.本设计的目的即利用无线温度传感器及PLC技术,克服传统测温仪表测温不准确、人工控制及人工计算H因子等造成的工艺参数误差,进而生产出硬度一定、质量均匀的制浆,在减少能源资源的消耗的基础上,便于企业生产出高质量的纸张.同时,也为蒸煮系统的自动控制实验研究打下良好的基础,便于先进制浆工艺的研究.

2. 国内外研究现状分析

制浆造纸过程是一个复杂的传质传热过程,其控制对象有十几种,影响因素多达三十多种,因此制浆造纸过程的工艺参数控制过程相当复杂易变[1].制浆生产的自动控制系统最初可以认为是仪表控制系统和继电逻辑控制系统相结合,主要由二次仪表作为控制器来进行单回路或多回路的自动控制[2].这种方法虽然在一定程度上可以保证生产平稳进行,减轻劳动强度,提高工作效率,但各系统之间数据断裂,无法同步控制生产过程中多种因素的共同作用.随着20世纪80年代以PLC为主流产品的控制器得到普遍应用.最初的PLC控制器以逻辑、顺序控制为主,形成了一方面采用PLC控制器进行电动机、电磁阀的联锁和控制；另一方面采用二次仪表作为控制器来进行单回路或多回路的自动调节控制[3].从80年代末开始,PLC控制器以一个过程控制系统的面貌出现,而且组态方便性和灵活性有了很大提高,以其容量、速度、字长、周期等为指标,形成了系列产品.新一代网络型PLC具有功能强、功耗小、成本低、可靠性高等特点,具备远程控制、网络通信、图形编程等优点,可实现开关量控制和模拟量控制,并可提供大量的特殊或专用控制模块,从而在国内纸浆生产的局部控制中得到广泛的应用[4].蒸煮过程是制浆造纸生产工艺过程中控制生产效率、产品质量及原材料利用率的关键环节.控制制浆蒸煮工艺参数最重要的是控制卡伯值或脱木素程度.国外造纸技术发达的国家在制浆蒸煮过程纸浆 Kappa 值（卡伯值）软测量技术的研究方面已进行了较深入的研究,开发了不同的模型和控制策略,取得了一定的效果.蒸煮同样 Kappa 值的纸浆,其纸浆质量的稳定性和得率明显高于我国[5-13].其中比较典型的研究成果有,D. Juricic（Jozef Stefan Institute,Slovania）对制浆蒸煮过程的 Kappa 值的预测模型开发和基于模型的预测控制进行了较深入的研究,他研究开发的数学模型比较复杂,因此对该模型的简化问题进行了探讨,并设计了 Kappa 值的最小方差控制器,研究结果与人工控制进行了比较,控制效果较人工有所改善.Rao Ming（University of Alberta,Canada）进行了用人工神经网络来预测 Kappa 值的研究,但他们着重研究如何更有效地训练人工神经网络,并未给出仿真或实施结果.A.W.Dorsey and J.H.Lee（Purdue University,USA）则较深入地研究了间歇制浆蒸煮过程的 Kappa 值预测问题,研究的主要内容为当原料变化时,如何从上一批的操作信息以及本批的可测量信息来预测本批的 Kappa值,作者研究开发了所谓Regular Time Transition Model来从前一批信息(包括实验室化验结果)与本批在线测量信息来预测本批的 Kappa 值,仿真结果表明了该方法的有效性.A.K.Datta（Auburn University,USA）从木片脱木素动力学出发,得到了一组包括 11 个状态变量的简化数学模型,然后再根据估计的 Kappa值,设计了非线性预测控制系统.仿真与实验结果表明,在木片种类、尺寸大小,含水量变化时,采用该简化模型可以得到较好的估计效果.以上所谈到的国外的软测量模型和控制策略不适合我国制浆造纸工业自动化程度普遍偏低的现状,原因主要有两点,一是国外要求对蒸煮初始条件在线精确测量,如必须具备木片水分及有效碱浓度在线测定仪,这些在线测量仪对生产中的各项测量指标要求严格,并且价格和维护费用昂贵.二是国外蒸煮过程 DCS（Distributed Control System）中所采用的 Kappa值数学模型几乎全部是经验模型,经验模型虽然易于使用,但存在通用性差、应用范围小和局限条件多的缺陷.1985年,我国佳木斯造纸厂、青州造纸厂和南平造纸厂首次联合引进三套美国Measurex 公司的间歇蒸煮控制系统,每套售价 48 万美元.由于有效碱（EA）在线测定仪一直未能正常使用,加上其它配套设施及软硬件问题,国外专家在国内调试多年均未能成功,而最终放弃该项目[14].在我国由于没有在线碱液分析和卡伯值分析仪,开发的蒸煮系统是通过对蒸煮过程中个别采样点的碱液离线分析,进行H因子控制[15].H因子是加拿大学者弗罗姆于1957年运用化学反应动力学方法将蒸煮温度转换为蒸煮反应速率并与蒸煮时间组合,使蒸煮温度与蒸煮时间的相互补偿关系定量化,来指导蒸煮过程终点控制的一个参数[16].也就是说即使蒸煮过程中蒸煮温度只要其他条件相同时就可以通过H因子的控制调整总的蒸煮时间,制取合乎要求的纸浆.由于H因子的手工计算计较繁琐,长期以来在一般的生产实践中很少有人计算他所制定的蒸煮曲线所对应的H因子是多少,更谈不上用H因子来指导蒸煮工艺的制订.因此需要编写相应的计算机程序来方便的计算出各种蒸煮过程所对应的H因子.以便实现H因子的自动控制.由于H因子与蒸煮温度和蒸煮时间密切相关.因此测温仪表的测量精度及可靠性显得至关重要.传统的制浆蒸煮测温仪表主要包括一些现场测温仪表、以及热电阻、热电偶等,现代造纸生产过程中多采用温度变送器来实现标准信号传输,以实现蒸煮过程的自动控制[17].目前有些企业也已采用更加先进的显示记录仪表来进行温度测量、数据记录,既直观又精确还可以联网便于工艺资料的数据记录.参考文献：[1]孙优贤,王文海,任幼浦. 我国制浆造纸工业自动化的现状和发展[J]. 基础自动化,1998,01:1-6.[2]王英,刘安江. 国内制浆造纸自控及仪表的现状与发展趋势[J]. 中华纸业,2005,12:59-63.[3]刘金海. 联合站PLC控制系统的开发[D].大庆石油学院,2008.[4]戚凤雷,宋文勇. 造纸生产自动控制系统的应用[J]. 轻工机械,2004,01:111-114.[5]C.H.Wells, E.C.Johns, F.L.Chapman．Computer control of batch digesters using a Kappa number model[J]．Tappi Journel．1975,58(8)：177~181.[6]H.C.Kim, X.Shen, M.Rao, J.Zurcher．Quality prediction by neural network for pulp and paper process[A]．Conference on Electrical and Computer Engineering,Vancouver, Canada, 1993, vol.1: 104~107.[7]Dani Juricic．Model based control of the Kappa number in the pulp cookingProcess[C].ElectrotechnicalConference,LJubljana,Slovenia,1991．Proceedings,6th Mediterranean, 1991, vol.2：836~839.[8]Ming Rao, Jean Corbin, Qun Wang．Soft sensors for quality prediction in batch chemical pulping processes[C]．Proceedings of the 1993 International Symposium on Intelligent Control, Chicago, Illinois, USA, 1993：150~155.[9]Dani Juricic．Model based computer control of Kappa number in magnefite pulp cooking[C]．Proceedings of the Third IEEE Conference on Control Applications,Glasgow, UK., 1994, vol.2：775~780.[10]Anjan Kumar Datta, Jay H. Lee．Model-based monitoring and control of batch pulp digester[C]．Proceedings of the American Control Conference, Baatlmore,Maryland, 1994, vol.1：500~504.[11]A.K. Datta, J. H. Lee, and G. A. Krishnagopalan．Reducing batch-to-batchvariability of pulp quality through model-based estimation [J]． Pulp PaperCanada．1997, 98：119~122. [12]M.T.Musvi, C.Domnisoru, et al．A Neuro-fuzzy system for prediction of pulp digester K-number[A].International Joint Conference on Neural Networks,Washington, USA, 1999, Vol.6：4253~4258.[13]Philip A. Wisnewski, Francis J. Doyle．Model-based predictive control studies for a continuous pulp digester[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology．2001, 9(3)：435~444.[14]罗琪．硫酸盐法蒸煮过程纸浆 Kappa 值软测量技术的研究[D]．华南理工大学博士学位论文．1998.[15]陆浩. 硫酸盐制浆蒸煮过程的建模与控制[D].浙江大学,2003.[16]沈正华. 纸浆间歇蒸煮参数优化方法研究[D].浙江大学,2011.[17]张继培. 工业测温仪表的发展趋向[J]. 自动化仪表,1990,03:3-7 45-46.

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：全面熟悉和了解制浆蒸煮过程中温度参数控制要求,掌握PLC编程技术.在此基础上选择合适的温度测量系统,实现蒸煮过程的H因子控制.并利用西门子S7-200实现控制系统PLC编程,编写控制界面.时间安排：期末（上学期）～ 1周 (1.15～2.23）：调研及查阅文献资料,完成开题报告；2～5周（2.23～3.23）：学习PLC编程技术,及工业测温系统的相关知识,熟练使用WinCC组态软件；6～13周 (3.24～5.18)：设计工作方案,选择合适的测温系统,编写PLC控制程序,画出梯形图；14～16周(5.19～6.08)：撰写论文,答辩.

4. 研究创新点

采用合适的温度测量系统代替传统的热电阻进行温度测量；采用H因子来控制蒸煮过程,以获得较高的制浆工艺参数控制精度；利用PLC技术编写控制程序,实现计算机自动控制.