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d d s 置换蒸煮过程自动控制系统的研究及应用 摘要 随着我国制浆造纸工业的迅速发展，面对日益增长的能源和原料成本以 及对环境保护的加强，目前造纸行业已经越来越多地淘汰了高能耗、高污染 的传统间歇蒸球或立锅蒸煮技术。目前国外发展成熟的节能环保型置换蒸煮 制浆技术( r a p i dd i s p l a c e m e n th e a t i n g 、d i s p l a c e m e n td i g e s t e rs y s t e m 、 s u p e r b a t c h 等) 在我国制浆企业应用越来越广泛。间歇置换蒸煮是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一项高效节能、环保的制浆技术，已经成为我国制浆企业和 学者研究制浆蒸煮技术的重要发展方向之一。 本文以四川银鸽竹浆纸业1 0 万吨年竹纤维d d s 置换蒸煮制浆工程为背 景，在国家国际科技合作项目及陕西省科技计划项目的资助下，以实现d d s 置换蒸煮制浆生产技术的完全国产化为目标，基于d d s 置换蒸煮制浆生产工 艺的特点和过程控制的要求，设计了一套d c s 控制系统用于生产过程的全自 动化控制。 论文的主要研究成果是： ( 1 ) d d s 置换蒸煮制浆工艺流程的研究与控制方案的设计 在对d d s 置换蒸煮制浆工艺流程介绍和分析的基础上，提出了各个控制 系统的作用和控制重点，设计了相应的控制策略和顺序控制逻辑。置换蒸煮 锅子系统的控制是整个制浆生产过程控制的重点，每一个蒸煮锅都设计了一 套独立的置换蒸煮主顺序控制，包括各蒸煮阶段不同的顺序控制、药液温度 和锅内压力控制、项部和中部篦筛反冲洗控制、模糊预测冷喷放控制等以及 安全保护系统。 ( 2 ) 蒸煮锅内药液温差的模糊自整定p i d 串级控制器设计 针对置换蒸煮锅控制系统中蒸煮锅内药液温度控制的严重时滞性、时变 性和非线性等特性，且蒸煮过程中蒸煮锅内的药液要经过有序的置换和循 环，这样易在蒸煮锅内不同位置料片间产生温度梯度。通过分析热交换器加 热蒸煮循环药液后回流至蒸煮锅顶部和底部过程机理，采用常规的蒸煮锅顶 部和底部药液温差与回流顶部和底部药液流量串级p i d 控制器难以保证顶 部和底部药液温度均匀一致，达到满意的控制效果。本文结合串级控制、模 糊控制和p i d 控制的特点，将三者有机地结合起来提出采用模糊自整定p i d 控制代替常规的蒸煮锅药液温差与流量串级控制系统中的p i d 主控制器，控 制循环药液回流至锅顶部和底部流量的方法，并应用m a t l a b 仿真比较表明， 模糊自整定p i d 串级控制的动态响应曲线更好、超调量小、抗干扰能力强。 可以有效消除蒸煮锅内药液温度梯度的产生，保证蒸煮锅内各点温度、粗浆 得率和卡伯值均匀一致。 ( 3 ) d d s 置换蒸煮制浆过程d c s 控制系统的实现 通过对d d s 置换蒸煮制浆自动化现状的介绍以及对d c s 控制系统特性 的分析，设计了一套完整的d c s 控制系统，即采用西门子s i m a t i cp c s7 过 程控制系统，使用p c s7v 7 0 系统软件进行下位机控制程序的设计，即实现 系统的顺序控制和逻辑控制程序编写测试等，和上位机的界面组态设计，监 测现场设备运行状态等，从而实现d d s 置换蒸煮整个生产过程的自动控制。 关键词：d d s 置换蒸煮，顺序逻辑，模糊自整定p i d 串级控制，m a t l a b 仿真，p c s 7 控制系统 r e s e a r c h a p p l i c a t i o no ft h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mf o rd d sd i s p l a c e m e n t d i g e s t e rp r o c e s s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sp u l pa n dp a p e ri n d u s t r y , f a c i n gt h e g r o w i n ge n e r g y a n dr a wm a t e r i a lc o s t s ，a n dm o r ec r i t i c a le n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，t h ep a p e ri n d u s t r yh a sc l e a n e do u tm o r ea n dm o r ec o n v e t i o n a lh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g hp o l l u t i o nb a t c hb a l lo rd i g e s t e rc o o k i n gt e c h n o l o g y i n t e r n a t i o n a lw e l l d e v e l o p e de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yd i s p l a c e m e n tc o o k i n g t e c h n o l o g y ( r a p i dd i s p l a c e m e n th e a t i n g ，d i s p l a c e m e n td i g e s t e rs y s t e m ， s u p e r b a t c he ta 1 ) i sm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nc h i n a sp u l pm i l l s b a t c h d i s p l a c e m e n tc o o k i n gi sa ne n e r g ye f f i c i e n tp u l p i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p e di nt h e 19 8 0 s d u et os i g n i f i c a n te n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cb e n e f i t s ，i t h a sb e c o m eo n ei m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o nf o r t h ep u l pm i l l sa n d r e s e a c h e r si nc h i n a as e to fd c sc o n t r o ls y s t e mt od e s i g na c c o r d i n gt od d sd i s p l a c e m e n t d i g e s t e rs y s t e mp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dd e m a n do fp r o c e s sc o n t r o li nt h i s p a p e ri su s e dt oi m p l e m e n to ft h ep r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i o nc o n t r o l ，w h i c h i sb a s e do np r o j e c to fd d s d i s p l a c e m e n td i g e s t e rp u l p i n gw i t h10 0 ，0 0 0t o n sp e r y e a ri ns i c h u a n y i n g g eb a m b o op u l p & p a p e rc o ，l t d t h i sp a p e ri s s u p p o r t e db yi n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i o n i ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o je c to f c h i n aa n ds h a a n x is c i e n c e & t e c h n o l o g yp l a np r o j e c t i ta c h i e v e st h ee n d so f a u t o m a t e dc o n t r o li nt h e p r o c e s s o fd d sd i s p l a c e m e n td i g e s t e r p u l p i n g t e c h n o l o g y t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c ho nt h ep u l p i n gt e c h n o l o g yo fd d sd i s p l a c e m e n td i g e s t e ra n d c o n t r o ls c h e m ed e s i g n t h ef u n c t i o na n dc o n t r o le m p h a s i sa r ep r e s e n t e df o re v e r ys u b s y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd d sd i s p l a c e m e n td i g e s t e rp u l p i n gt e c h n o l o g y , s ot h e i i i c o r r e s p o n d i n gs e q u e n c ec o n t r o ll o g i ca n dc o n t r o lm e t h o di sa l s od e s i g n e d t h e c o n t r o lo fd i s p l a c e m e n td i g e s t e rs u b s y s t e mi st h ee m p h a s i so ft h ew h o l ep u l p i n g p r o c e s sc o n t r o l ，t h e na l li n d e p e n d e n tm a i ns e q u e n c ec o n t r o lo f e a c hd i s p l a c e m e n t d i g e s t e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d e ss e q u e n t i a lc o n t r o l ，d i f f e r e n t s e q u e n c ec o n t r o lf r o ma l ld e s t i n a t i o n so ft h ed i g e s t e r , l i q u i dt e m p e r a t u r ea n d d i g e s t e rp r e s s u r ec o n t r o l ，c o u n t e r c u r r e n tf l u s c h i n go ft o pa n dm i d d l es c r e e n ， f u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o lf o rc o l dd i s c h a r g ea n dp r o t e c t i o ns y s t e m ( 2 ) d e s i g no fd i s p l a c e m e n td i g e s t e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nf u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc a s c a d ec o n t r o l l e r t h ed i g e s t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mh a sac h a r a c t e ro fs e r i o u sd e l a y i n g ， t i m e - v a r y i n ga n dn o n l i n e a r i nt h ed i s p l a c e m e n tp u l p i n gp r o c e s s d u r i n gc o o k i n g p r o c e s sl i q u i di nt h ed i g e s t e rw a sa l w a y sc i r c u l a t e da n dd i s p l a c e d ，a n di ti se a s y t op r o d u c et h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h ep u l p i n gd i g e s t e r i no r d e rt oe n s u r e t h a tt h el i q u i dt e m p e r a t u r ek e e pu n i f o r mb e t w e e nt h et o pa n db o t t o mo fd i g e s t e r , t h ec o n v e n t i o n a ll i q u i d - f l o wp i dc a s c a d ec o n t r o lm e t h o di sd i f f i c u l t yt oo b t a i n s a t i s f a c t o r yc o n t r o le f f e c t s b ya n a l y s i st h ea r to fc o o k i n gc i r c u l a t i o nl i q u i dt o r e t u r nt ot h et o pa n db o t t o mo fd i g e s t e r , am e t h o do fp i d - c o n t r o lw i t hf u z z y s e l f - a d j u s t i n gp a r a m e t e ri sp r o p o s e db a s e do nt h ec a s c a d ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l a n dp i dc o n t r 0 1 i ts h o w si nt h er e s u l to fm a t l a bs i m u l a t i o nt h a tt h ef u z z y s e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e rh a sg o o dd y n a m i cr e s p o n s ec u v e ，s m a l lo v e r s h o o t a n dt h es t r o n gc a p a b i l i t yo fa n t i - d i s t u r b a n c e t od e c r e a s et h et e m p e r a t u r e g r a d i e n ta n de n s u r el i q u i dt e m p e r a t u r e ，k a p p an u m b e ra n dp u l py i e l dt ob e u n i f o r m ( 3 ) i m p l e m e n t a t i o no fd c s c o n t r o ls y s t e mf o rd d s d i s p l a c e m e n td i g e s t e r c o o k i n gp r o c e s s ac o n m l e t ed c ss y s t e ni s d e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i s o fc u r r e n t s i t u a t i o no fa u t o m a t e dp u l p i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd c sc o n t r o ls y s t e m s f o rd d sd i s p l a c e m e n td i g e s t e ri nt h i sp a p e r t oa d o p ts i e m e n ss i m a t i cp c s7 p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o lp r o g r a ma n dh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c ea r e d e s i g n e db yu s i n gp c s 7v 7 0s o f t w a r es y s t e m t h ef i e l dd e v i c er u n n i n gs t a t ei s r e f l e c t e d , s ot h a tt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fd d sd i s p l a c e m e n td i g e s t e rp r o d u c t i o n p r o c e s si sa c h i e v e d i v k e yw o r d s d ：d d sd i s p l a c e m e n td i g e s t e r ，s e q u e n c el o g i c ，f u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i d c a s c a d ec o n t r o l l e r ，m a t l a bs i m u l a t i o n ，p c s7c o n t r o ls y s t e m v d d s 置换蒸煮过程自动控制系统的研究及应用 1 绪论 i i 选题的目的和意义 在化学浆制浆过程中，间歇置换蒸煮器作为一种传统的制浆设备一直沿用到今天。 全世界每年生产的硫酸盐化学浆中大概4 0 都是使用间歇置换蒸煮系统。间歇蒸煮制浆 是制浆造纸工业广泛采用的方法之一，置换蒸煮制浆是一个典型的化学浆间歇蒸煮生产 过程。料片和药液的蒸煮过程是化学制浆生产中的重要阶段，蒸煮完成后粗浆的品质、 质量和得率直接决定了洗涤等后续工序药品消耗以及纸张的质量。 间歇置换蒸煮过程是2 0 世纪8 0 年代初由瑞典s u n d sd e f i b r a t o r 公司和美国b e l o i t 公司等为了解决间歇蒸煮过程中原料成本高、蒸汽消耗大和污染空气等问题，研发了一 种低能耗并带热能回收的间歇置换蒸煮新工艺【，l 。它是在r d h 制浆工艺基础上，随着间 歇置换蒸煮技术的成熟和改进，对蒸煮过程不同置换和循环阶段工艺的优化后发展成的 一种节能环保型的新型间歇蒸煮制浆技术。现在国外已经形成了r d h 、d d s 系列和 s u p e r b a t c h 等间歇置换蒸煮方法，通常它们是一个由多台蒸煮锅分批次进行间歇生产的 蒸煮过程，且工艺规程复杂，适用于多种木材和非木材原材料，且各锅粗浆卡伯值波动 小，利用效率高等；对自动化水平要求比较高，对各个蒸煮锅和公用设备之间的联锁、 保护和安全均有比较严格的控制要求。 据中国造纸协会调查资料显示垃】，2 0 1 0 年我国造纸工业纸浆消耗中木浆为1 8 5 9 万 吨，其中进口木浆1 1 5 1 万吨，我国木浆和非木浆的生产和发展空间还非常的大。目前我 国传统间歇蒸煮过程还是以常规蒸球或立锅进行蒸煮为主，其最突出的问题是：污染严 重、蒸汽消耗高、不能进行深度脱木素，蒸煮完后浆料带压喷放，喷放过程闪蒸大量二 次蒸汽( 废气) 而且蒸煮化学品和热能没能得到有效的回收利用；同时生产设备陈旧，自 动化水平低，主要以人工操作或半自动化操作为主，生产效率和经济效益低。针对上述 问题，国际上节能环保的d d s 置换蒸煮系统受到了造纸企业和高等院校学者的关注。间 歇置换蒸煮( d d s ) 制浆是在r d h 蒸煮工艺基础上进行技术改进和发展的，r d h 系统 是美国b e l o i t 公司开发的一种低能耗间歇蒸煮设备1 1 i 。与常规间歇蒸球蒸煮系统相比， 它在蒸煮过程中增加了蒸煮锅外部药液循环和内部蒸煮药液置换，当多个置换蒸煮锅进 行批次生产时，其工艺流程和制浆效率与连续蒸煮非常接近；蒸煮原料能够进行深度脱 木素，所得纸浆卡伯值低、强度好、粗浆得率高，减少了蒸煮用蒸汽及化学药品的消耗， 降低了对环境的污染等。 我国目前投产的十几套d d s 置换蒸煮系统全部从国外购买，工艺技术成熟，但价格 昂贵，只适合我国大中型造纸企业投产。d d s 置换蒸煮过程的d c s 控制系统包括：置 陕西科技大学硕士学位论文 换蒸煮锅控制系统、各类槽罐控制系统、抽气除气控制系统、热能交换控制系统。由于 生产设备之间存在严格和复杂的工艺生产操作顺序，生产设备控制水平要求高，先进的 自动控制系统主要从国外引进，没有自主知识产权，剖析和研究d d s 置换蒸煮生产过程 工艺规程和先进自动控制系统对我国造纸行业的发展至关重要。同时，蒸煮循环药液温 度和蒸煮锅内药液温差在d c s 控制系统中是非常重要的控制对象之一【5 l 】，热交换器出口 循环药液温度是否稳定地保持在最高蒸煮温度以及蒸煮锅内部药液温度是否均匀一致， 直接决定着蒸煮终点粗浆的产量和品质好坏【嗣。 本课题的研究目标是将国外间歇置换蒸煮过程d c s 控制系统技术国有化，并以“节 能环保型置换蒸煮关键技术与设备的合作研究 项目的产业化研究作支撑，设计了一套 d d s 置换蒸煮制浆d c s 控制系统，并提出了一种蒸煮锅内药液温差模糊自整定p i d 串 级控制方法，并在四川银鸽竹浆纸业竹纤维d d s 置换蒸煮系统中运行。为实现先进的 d d s 置换蒸煮技术的国产化和制浆工业朝着节能减排方向发展做出贡献。 1 2d d s 置换蒸煮技术及d c s 控制系统国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 2 0 世纪8 0 年代开始我国受蒸煮原料、蒸煮技术和自动化水平限制间歇蒸煮制浆技 术发展缓慢，主要采用蒸球或立锅间歇蒸煮工艺。由于间歇置换蒸煮与常规间歇蒸煮相 比，在蒸汽节能和环境污染方面优势显著t 5 】，1 9 8 8 年我国四川宜宾造纸厂通过改进蒸煮 锅进行了低能耗间歇蒸煮实验，5 月进行鉴定后可用于实际生产；同年佳木斯造纸厂也 采用了半置换工艺，在蒸煮完成后用洗涤液置换蒸煮锅内黑液1 1 3 l 。从9 0 年代开始国内各 大科研院校如华南理工大学、天津大学、广西大学和陕西科技大学等都进行了大量的不 同原料的间歇置换蒸煮的( 以r d h 为主) 实验和研究，取得了一定的成果，主要以介 绍工艺特点、反应机理和综述为主。目前我国十几家制浆造纸企业引进d d s 置换蒸煮系 统用于传统间歇蒸煮制浆线的改建和新制浆线建设，例如广西贺达、四川永丰等造纸企 业1 1 9 - 2 0 | 。所以，结合我国非木材原材料种类和数量多，提倡节能降耗和减少环境污染的政 策方针，d d s 置换蒸煮制浆技术在我国得到了快速的发展和应用。但是由于此技术一直 被国外公司垄断，我国上述制浆造纸企业都是通过高昂费用，重复引进该节能环保型置 换蒸煮技术。 传统间歇蒸煮系统由于工艺步骤少，工艺规程简单，控制程序采用经验法设计梯形 图，采用简单的开环和p i d 闭环回路就能满足工厂实际生产需要。通过对传统间歇立锅 蒸煮过程各阶段的操作规程分析，基于压力、流量和温度等过程变量的优化控制和生产 设备安全联锁控制的认识，目前我国制浆造纸企业通过采用国内外的d c s 控制系统，实 现传统间歇立锅蒸煮过程的自动化控制，提高了工厂的生产效率和降低人为因素对生产 2 d d s 置换蒸煮过程自动控制系统的研究及应用 的影响。如1 9 9 7 在青州造纸厂采用了浙江大学工业控制研究所研制的s u n y9 0 0 0 中小型 d c s 控制系统1 2 9 1 ，对传统间歇立锅蒸煮过程进行全自动化控制并对蒸煮锅药液升温曲线 进行优化。2 0 0 2 年广西贺达纸业采用了西门子的s 7 3 0 0p l c 系列通过工业以太网和 p r o f i b u s d p 协议组成d c s 控制系统胁，- 】，实现了间歇蒸煮车间的自动化控制，纸浆k a p p a 值的软测量控制效果良好。 与传统的间歇蒸煮相比，置换蒸煮系统增加了黑液槽、白液槽和热交换器等附属设 备，通过它们来回收化学品与热能，并在下一个循环周期内再利用。这样就增加了整个 系统工艺规程的复杂性，再使用梯形图设计时，发现要用大量的中间单元来完成记忆、 联锁和互锁等功能，所以生产过程中要考虑的各个方面的因素很多，且他们常常又相互 交叉在一起，内部关系分析非常困难。因此再使用梯形图等编程，已经完全不能满足实 际生产过程需要。目前我国对d d s 置换蒸煮制浆过程的操作规程和过程控制要求研究不 够深入和全面，所以，我国已经投产和建设的d d s 置换蒸煮生产线的d c s 控制系统全 部由国外自动化公司提供，这严重制约了d d s 置换蒸煮技术的国产化。 1 2 2 国外研究现状 2 0 世纪8 0 年代芬兰、美国和瑞典等制浆造纸技术发达国家，根据r d h 制浆工艺发 展起来一项高效节能低污染的间歇置换制浆技术一d d s 置换蒸煮技术。它应用蒸煮药液 置换和循环过程实现蒸煮锅内高温高压药液的药品与热能的回收再用于下次蒸煮。美国、 加拿大等国的研究机构主要从置换蒸煮工艺过程机理、节能降耗机理、深度脱木素特性、 蒸煮锅设备、置换过程动态模拟仿真、高级控制算法仿真研究和控制系统及内部逻辑关 系设计等方面做了大量的基础理论、实验分析、企业生产过程应用研究等工作，为置换 蒸煮工艺技术的产业化奠定了基础一，卅。 s w i 缸k 于1 9 8 8 年介绍了r d h 间歇蒸煮过程的特点和现场应用1 4 2 】。国外间歇蒸 煮技术进入了快速发展阶段。由于r d h 间歇蒸煮过程能够实现深度脱木素和冷喷发， 生产的浆料得率高，卡伯值低。r d h 蒸煮过程配上中浓氧漂白，可以实现无元素氯漂白， 这大大降低了制浆漂白废水对环境的污染旧。随着r d h 技术的成熟，通过对其工艺过程 的优化和改进，现在发展出来多种间歇蒸煮工艺过程。同时，间歇蒸煮过程工艺和自动 控制系统进行了更深入的研究。间歇蒸煮过程中，各个升温和保温阶段实际升温过程曲 线跟踪目标温度目标曲线的能力是非常重要的，因为浆料的质量和品质直接由温度曲线 决定，通过实验和仿真提出了自适应间歇蒸煮药液温度控制方法【6 7 1 ；对间接加热的连续 蒸煮过程中单个热交换器的分析，提出了蒸煮药液温度自整定控制方案【5 5 】。 目前国外间歇置换蒸煮技术的发展已经非常成熟，已经形成了以美卓、安德里茨、 g l v 和美国化学品等公司为主的r d h 、d d s 和s u p e r b a t c h 等间歇置换蒸煮方法。从二 十世纪8 0 年代开始到现在全世界已经安装和投产了近1 0 0 条d d s 制浆线，其整个置换 陕西科技大学硕士学位论文 蒸煮过程的d c s 控制系统由s i m e n s 和a b b 等自动化公司提供。由于间歇置换蒸煮技 术的节能环保，已成为我国及其他国家制浆企业首选的化学浆生产技术之一。 1 3 本文主要工作及内容安排 本文是基于对四川银鸽竹浆纸业1 0 万吨年竹纤维间歇置换蒸煮制浆项目进行生产 过程d c s 控制系统的设计。根据工艺特点设计了满足其生产要求的置换蒸煮锅控制系 统，药液槽罐输送系统，抽气除气系统以及热能交换系统，提高了控制系统的自动化水 平，从而更加方便实现过程控制和操作。同时依据置换蒸煮锅喷放浆料的得率和卡伯值 应保持一致、减少各锅之间的波动得到均匀一致产品为指标，且克服各种扰动对生产过 程的影响，提高连续安全生产能力，提出了保证蒸煮锅顶部和底部蒸煮药液温度一致的 模糊自整定p i d 串级控制方法。 在认真阅读大量的国内外文献的基础上，本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 本文对间歇置换蒸煮制浆工艺过程进行了深入分析，在此基础上提出了系统总 体控制方案包括t 置换蒸煮锅子系统，药液槽罐输送子系统，抽气除气子系统以及热能 交换子系统，并对这四个系统的作用，控制要求和内部逻辑以及解决方案进行了详细说 明。 ( 2 ) 通过对置换蒸煮锅药液升温与保温工艺过程内在机理和干扰因素进行了深入的 研究，在保证热交换出口循环药液温度维持在最高蒸煮温度时，提出了蒸煮锅内部药液 温差模糊自整定p i d 串级控制系统。 ( 3 ) 介绍间歇置换蒸煮锅温差控制过程的近似传递函数模型，模糊自整定p i d 串 级控制采用二维模糊控制器，根据实际生产情况的需要确定了输入输出变量的论域及其 其参数等( 量化因子或比例因子) ，并采用三角形隶属度函数将其模糊化。 ( 4 ) 阐述了模糊控制、p i d 控制和串级控制理论的特点，根据蒸煮锅内药液温差控 制特性，给出结合模糊控制、p i d 控制和串级控制的实现条件和方法。并且总结和参考 了长期从事置换蒸煮生产过程的操作人员和专家的经验知识。提出了模糊控制器的控制 规则，解决了模糊控制器实时计算量大，速度慢等问题。 ( 5 ) 由m t t l a b 软件建立蒸煮锅内药液温差控制回路的仿真模型，并对蒸煮锅内 药液温差常规串级p i d 控制与模糊自整定p i d 串级控制方法进行了阶跃响应试验和过程 扰动测试。仿真结果表明了本文设计的模糊自整定p i d 串级控制的可行性。 ( 6 ) 介绍了西门子p c s 7 控制系统的特点和优点，并通过它进行d c s 控制系统下 位机组态和控制程序的编写以及上位机人机接口画面的设计等，以实现生产过程自动化 系统的工程化应用。 4 d d s 置换蒸煮过程自动控制系统的研究及应用 1 4 本章小结 本章主要阐述了d d s 置换蒸煮制浆的背景及研究意义，在简要介绍其制浆工艺流程 的基础上，提出了其生产过程d c s 控制系统的作用和重要性，并对国内外学者对置换蒸 煮工艺和d c s 控制系统的研究现状和发展方向进行了详细介绍。最后根据本文的主要工 作内容，合理安排了文章的结构。 陕西科技大学硕士学位论文 2d d s 置换蒸煮制浆工艺 2 1 置换蒸煮工艺流程 化学蒸煮制浆是指把木片放入含n a o h 、n a 3 s 、n a 2 s 0 3 等化学品的水溶液的蒸煮锅 中，通过高温高压进行循环蒸煮生产粗浆，其过程主要是降解和去除料片中木素，留下 完整具有纤维形态的纤维素和半纤维素用于造纸。化学浆生产主要采用连续蒸煮和间歇 蒸煮工艺，其中连续蒸煮包括潘迪亚横管连续蒸煮和卡米尔立式的低固形物与i t c 等温 连续蒸煮等；间歇蒸煮主要包括传统间歇和间歇置换蒸煮，而r d h 、d d s 、s u p e rb a t c h 等制浆工艺都属于间歇置换蒸煮过程。 dd s ? ，x ；支；j 疋 d 二l | _ 孵分。嘴d d sc o o k in gs y s t e n l 2 立：立：c j 7 f 。r 1 。f ( 、fl n - r q v 7 ，二 7 ，t 一，1 i ；i ，? ， 二?1 一，j ，。t r ll n 4 t 誉：? i一 k h 哪蛭暑h 啪y 奠拿 ；三宝烹，j 9 筛：畏= 室 s 一一甜一- 冉 一一“。i 一勰 簦- 1 童星一笋是茸卢，恩 口- 4 i亭f 弋_l 茸t一霄矗 1 e1 【 图2 1d d s 置换蒸煮制浆工段图 f i g2 - 1d e s t i n a t i o nc h a r to f d d sd i s p l a c e m e n td i g e s t e rp u l p i n g 传统间歇蒸球或立锅蒸煮制浆过程主要包括四部分：装料，升温，保温，放锅，如 图2 1 所示的1 、4 、5 和8 阶段。首先，在装料阶段通过料片输送皮带和白液槽泵一次 性把要填装的料片和蒸煮药液加入到蒸球或蒸煮立锅中；其次，在升温阶段主要采用直 接通蒸汽加热、强制外循环的直接通蒸汽加热、外部加热器和强制外循环的间接通蒸汽 加热方式等进行蒸煮锅内药液和料片加热；当蒸煮锅内药液和料片温度、压力达到蒸煮 设定值后，进行蒸球旋转或蒸煮立锅药液循环的蒸煮方式，通常由熟练的操作人员依据 经验和蒸煮时间判定浆料是否蒸煮完成；最后，通过热喷放卸料，把浆料和废气泵送到 卸料槽中储存，为浆料洗涤做准备。其特点：工艺能耗高( 吨浆蒸汽消耗高达2 5 吨， 是国外的2 5 3 0 倍) 、污染严重( 废液中含有大量的b o d 和c o d 等) 、由人为因素造 成产品质量波动大、不能实现深度脱木素等。 6 卜 扯cq一；q1里qm一_cueqo爵一一口一q，o葛【l口事oc q _ l l n n 瞰一 田堪壤柚h蠕蜓框礁球hqq n 凶田 斌苴臻鬣糍槌冥蜊恹 口毯状言g螺帐器靶需匹醛捌糍糕鼙疆oo 陕西科技大学硕士学位论文 d d s 置换蒸煮过程与常规间歇蒸煮过程从如图2 1 所示的工艺流程上比较，可以看 到它通过增加冷黑液、温黑液、热黑液和热白液槽以及热交换器，扩展了蒸煮锅内药液 的置换和循环功能，以回收黑液中的化学品和热能用于下一次蒸煮使用。d d s 置换蒸煮 的生产工艺流程包括：装料、温黑液充装、热黑液充装、加热蒸煮、黑液置换、冷喷放 这六个基本步骤。其特点是：在装料阶段，用上一次回收的高温药液置换蒸煮锅内部的 低温药液进行缓慢升温，即减少加热蒸汽用量和提高化学品再利用；在加热蒸煮阶段， 蒸煮药液从蒸煮锅中部篦子泵送到热交换器加热升温后，由蒸煮锅顶部和底部回流到蒸 煮锅内，通过药液循环提高脱木素率和使蒸煮锅内药液温度均匀，即减少蒸煮锅内部各 点h 因子偏差；在置换和卸料阶段，用冷黑液和洗涤黑液置换出蒸煮锅内部高温高压的 蒸煮液，并储存在不同温度的黑液槽中用于下一次蒸煮生产，即对蒸煮液热能和剩余化 学品进行回收再利用【2 l 】，同时通过控制稀释阀门的开度，进行冷喷放，以防止浆料堵塞。 则带控制点的d d s 置换蒸煮过程工艺流程图如图2 2 所示。 2 2 置换蒸煮过程温度控制 在传统间歇立锅蒸煮过程中，蒸煮锅内药液和料片的温度是严格按照升温曲线进行 控制加热的。在实际现场生产过程中，虽然工艺技术人员和专家设定了标准升温曲线， 但由于现场生产条件和环境的限制，以及自动化控制和操作人员水平低等原因，难以确 保蒸煮过程中药液温度沿着制定的加热温度曲线进行升温。从某造纸厂的传统间歇式立 锅蒸煮的历史升温数据来看，可以列出以下几种比较典型的升温曲线，如图2 3 所示。 图2 - 3 蒸煮锅顶、中和底部实际升温曲线图 f i g2 - 3t o pa n db o t t o mt h ea c ：t i l a lh e a t i n gc u r v ec h a r to fc o o k i n gp o t 8 d d s 置换蒸煮过程自动控制系统的研究及应用 通过分析大量传统间歇立锅蒸煮实际生产过程的历史数据，可以发现升温曲线在蒸 煮开始至9 0 分钟左右，即蒸煮锅内温度从8 0 加热到1 2 5 的第一阶段，对标准工艺升 温曲线跟踪和拟和比较好；进行大量脱木素的二段升温至保温前期阶段，对标准工艺升 温曲线跟踪和拟和比较差。这说明在传统间歇立锅蒸煮的升温过程曲线形状各异且升温 曲线波动很大，严重影响了各蒸煮锅粗浆得率和卡伯值的均匀性。 d d s 置换蒸煮过程中通过温黑液和热黑液的充装，对蒸煮锅内的料片进行预浸和加 热并开始初始脱木素，同时置换出蒸煮锅内的低温黑液。充装完成并进行蒸煮锅内药液 循环均化一定时间后，开始从蒸煮锅中部篦子泵送药液到热交换器，通过中压蒸汽加热 升温到最高蒸煮温度，然后经蒸煮锅顶部和底部回流到蒸煮锅内。在蒸煮药液置换和循 环过程中由于料片堵塞等因素，容易在蒸煮锅内的料片间形成通道和温度差，导致蒸煮 终点时粗浆得率和卡伯值波动较大，会严重影响蒸煮粗浆的质量和品质。蒸煮药液加热 和循环过程中可控制变量和被控变量较多，物料平衡和化学反应机理复杂。在深入剖析 蒸煮药液温度控制原理和内在变化特性的基础上，设计合理有效的置换蒸煮药液温度控 制系统的是十分必要的。 2 2 1 蒸煮温度与h 因子 在置换蒸煮过程中，蒸煮温度和时间对各个蒸煮锅粗浆的质量和品质影响很大，在 控制蒸煮完成时，h 因子作为间接控制卡伯值的中间变量。卡伯值表示原料经蒸煮后残留 的木素和其它还原性有机物的多少，即除去木素的程度，它与木素成良好的线性关系， 常作为置换蒸煮终点判定的依据。例如c h a d 模型1 】： k 。：塑冬 ( 2 1 ) 。h 1 线 其中，疋表示纸浆卡伯值，h 为h 因子，q o 为用碱量，d o 为液比，口，7 ，艿为待 定系数。 1 9 5 7 年加拿大制浆研究所将蒸煮温度和时间两个因素结合在一起，提出了h 因子的 概念。h 因子定义如下： 日= f 融 ( 2 - 2 ) 阿累尼乌斯公式( a r r h e n i u s ) 如下： i nk = i n k o 一勘尺r( 2 - 3 ) 其中，k 为脱木素相对反应速率常数，e a 为活化能( 焦耳摩尔) ；r 为气体常数( 8 3 焦耳摩尔) ；i n k o 为反应常数。 设1 0 0 是的反应速率k 为l 时，则上述方程式变为： 9 陕西科技大学硕士学位论文 0 ：i nk 。一旦坠( 2 - 4 ) ” 8 3 ( 2 7 3 + 1 0 0 ) 则i n k o = 4 3 2 。置换蒸煮时任意温度下的相对反应速率常数k 胄r 。 由式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 - - 4 ) 可计算h 因子： h ：f e 4 3 2 一g a 埘西 ( 2 5 ) 由 其中，t 为蒸煮过程中的绝对温度( k ) ，由于h 因子是温度的泛函数，相应的蒸煮 锅由于项、中和底部温度不一致导致h 因子产生梯度差。因此，有效的控制蒸煮锅内药 液的温度在设定值范围内并降低蒸煮锅内各点药液温差是非常重要的。 2 2 2 蒸煮药液温度控制的要求 置换蒸煮过程温度控制的主要目标是：在保证各锅安全生产和纸浆产品质量合格的 条件下，以使纸浆得率和卡伯值保持一致减少各锅纸浆波动，得到均匀一致的浆料，同 时提高连续生产能力，降低蒸气能耗，即生产收益最大，成本最低。因此置换蒸煮温度 自动控制系统应满足以下方面的要求： ( 1 ) 保证生产安全和产品质量 在置换蒸煮系统中，应保证生产正常进行。蒸煮药液在置换和循环过程中不断升温， 在保温蒸煮时，蒸煮药液从蒸煮锅中部篦子泵送到热交换器，通过蒸汽加热到蒸煮最高 温度设定值，并通过调节蒸煮项部和底部流量阀门控制项部和底部药液升温速度，使蒸 煮锅内部各点温度保持一致，这样保证生产的纸浆得率和卡伯值的波动减小。 置换蒸煮锅温度控制包括两个方面：首先是通过热交换器加热从蒸煮锅泵送出的药 液达到蒸煮设定温度，然后通过调节蒸煮锅顶部和底部流量，来调节蒸煮锅顶部和底部 温度的上升速度，最终使蒸煮锅内部各点温度达到蒸煮温度。 ( 2 ) 保证各锅纸浆卡伯值一致，提高纸浆得率 为了使蒸煮锅正常运行，在实际生产中应设法将各种干扰因素进行预先克服，同时 尽可能的降低环境中不可控的扰动。可通过加热蒸汽压力控制、蒸煮锅内外压力控制、 循环电机压力变频控制等，使蒸煮药液进行稳定蒸汽加热或者蒸煮回流药液流量稳定避 免其剧烈波动，干扰到蒸煮过程正常运行，生产的纸浆卡伯值一致，提高得率。 ( 3 ) 满足约束条件 为了保证蒸煮锅正常运行和喷放浆料质量，蒸煮锅必须要求一些参数在极限设定值 范围之内。例如蒸煮锅内部压力的上下限的限制，蒸煮锅内部压力和外部加热药液的压 力差值；当蒸煮锅内部压力过高或过低都不保证蒸煮药液温度在设定值范围，且容易形 成假压，当蒸煮锅内压力超过其耐压极限时，没法保障蒸煮锅安全生产。当蒸煮锅内部 1 0 d d s 置换蒸煮过程自动控制系统的研究及应用 压力和外部加热药液的压力差值大于设定值时，说明蒸煮锅项部和中部篦子发生了堵塞， 严重影响药液的循环加热。 ( 4 ) 节约能耗和经济效益 蒸煮锅蒸煮时主要的能耗是加热器和循环泵电机，通过蒸煮药液的置换，可以回收 和再利用上一锅蒸煮黑液，即节省了大量蒸汽和电能的消耗，也节约了化学品的使用， 减少对环境的污染。具有明显的节能降耗和经济效益。 2 2 3 蒸煮药液温度的扰动因素 影响蒸煮锅正常操作因素有很多，和其他复杂的化工生产过程一样，蒸煮锅内部药 液和料片的化学反应是建立在热量平衡和物料平衡的基础上，一切外部干扰因素都是通 过对生产过程的物料平衡和热平衡的影响，而导致蒸煮锅蒸煮不能正常操作。影响蒸煮 锅药液和原料的物料平衡的因素主要是料片加入量、有效减浓度，蒸煮液比，循环药液 流量等。影响蒸煮药液热量平衡的因素主要是加热蒸汽流量的变化，蒸煮药液温度变化， 加热和脱木素反应的时间，以及环境温度的变化等。同时，蒸煮锅的物料平衡和热平衡 之间又是相互影响和相互作用的。 ( 1 ) 蒸煮药液循环流量的干扰 在从蒸煮锅中部篦子泵送循环药液到蒸汽热交换时