（机械工程专业论文）镀液蒸发器及其控制系统的研究与实现.pdf

盘韭盘茔塑生焦盈圭 揎璺 镀液蒸发器及其控制系统的研究与实现 摘要 经济的不断发展和包装材料的不断更新使得人们对镀锡板的质量和性能提 出了更高的要求。而电镀工艺参数，尤其是镀液成分直接影响着镀锡板的产品质 量，因此必须保证镀液成分的稳定。在现场生产中，为了保持镀液成分的稳定， 必须使蒸发器直处于良好的工作状态。本文以上海宝钢益昌薄板有限公司镀锡 生产线的镀液蒸发器改造为背景，进行了新型蒸发器的机械、工艺及测控系统的 设计与实旖。 工艺与设备方面，在吸取原蒸发器经验教训的基础上，按照自然循环外加热 式真空蒸发器的原理，增设了水喷射泵，取消原来的真空泵、隔膜泵。通过水喷 射泵产生的负压，在蒸发管路内形成稳定的真空度，以实现低温下镀液水份的蒸 发。改变了二次蒸汽的冷凝方式，将间接冷凝改为直接冷凝；在蒸发罐与冷凝器 之间增设汽水旋流分离器，并留出足够的二次蒸汽升腾空间，确保非蒸发物不能 随二次蒸汽进入冷凝段。为完善整个系统的诊断和监控，在多处设立了相应的压 力、温度、流量、液位等的检测与控制，确保系统完全处于控制范围内。 控制系统方面，采用了p c - b a s e dc o n t r o l 软件，开发与设计测控系统的效 率高。系统的人机界面友好，组态方便，开放性好，数据处理能力强，控制性能 优越。 控制策略方面，由于系统工作比较复杂，参数因各种原因变化剧烈，数学模 型难以精确建立，常规的p i d 控制器不能满足控制要求。为此，设计了模糊控制 器。引入了模糊控制策略。由于模糊控制无需精确的系统模型，又可把人的经验 参与控制，这大大提高了系统控制的精确性。同时在线诊断使得排除系统故障为 更快捷有效。 在镀锡生产线上采用新系统后，蒸发罐液位的控制误差最大由原来的4 _ - _ 6 5 r a m 降到现在的l o m m ，二次冷凝水s n z + 含量由原来的0 9 1 ，2 l 降到现在的近o a l 。 从新系统调试运行到现在的一年中，整个系统一直非常稳定，不包括质量方面为 公司带来的巨大效益，仅仅在废水处理和节约用水这方面就每年为公司节约近2 0 壅a 盘茎墅生焦盈塞担璺 万元。可见，新的蒸发罐及其控制系统不仅保证了镀锡板生产线的正常运行，而 且为公司带来了巨大的经济效益和环境效益。 关键词：蒸发器镀液基于计算机的控制模糊控制 童韭盘茔墅茎垡迨童 缱婴丛盟 t h e s t u d y a n d i m p l e m e n t a t i o no f s o l u t i o n p l a t e de v a p o r a t o ra n di t sc o n t r o l s y s t e m a b s tr a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n du p d a t eo fp a c k i n g m a t e r i a l ，t h eh i g h e rr e q u i r e i s b r o u g h tf c ) r w a r d f o r t h e q u a i t ya n d p e r f o r m a n c eo ft i n p l a t e e 1 e c t r o p l a t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l y c o m p o s i t i o n o fe l e c t r o l y t e ，d i r e c t l ya f f e c tt h ep r o d u c tq u a l i t yo f t i n p l a t e ，t h e r e f o r e ，t h ec o m p o s i t i o no fe l e c t r o l y t em u s tb es t a b l e i n t h ep r o c e s so fs i t ep r o d u c t i o n ，i no r d e rt om a i n t a i nt h es t a b i l i z a t i o n o fc o m p o s i t i o no fe l e c t r o l y t e ，t h ee v a p o r a t o rm u s tb ei nw e l lw o r k i n g c o n d i t i o n a i m e da tt h es o l u t i o n p l a t e de v a p o r a t o ri ns h a n g h a ib a o s t e e l y i c h a n gs t e e ls t r i pc o ，l t d ，t h em a c h i n e ，t e c h n o l o g ya n dc o n t r o ls y s t e m o fn e w t y p ee v a p o r a t o ra r ed e s i g n e da n dc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r o nt h et e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t ，b a s e do nt h eo c i g i n a ie v a p o r a t o r ， t h ew a t e r j e tp u m p i sa d d e da c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l e o fo u t s i d e h e a t l u g s t y l ev a c u u me v a p o r a t o ro fn a t u r a lc i r c u l a t i o n 。t h ev a c u u mp u m p a n dd i a p h r a g mp u m pa r et a k e no u t b ym e a n so fn e g a t i v ep r e s s u r ep r o d u c e d b yt h ew a t e rj e tp u m p ，t h ed e g r e eo fv a c u u mi sf o r m e di nt h ee v a p o r a t i n g p i p e i n e ，w h i c h s ot h ew a t e ri n t h ee l e c t r o l y t ec a nb ee v a p o r a t e di n t h e1o wt e m p e r a t u r e c o n d e n s a t i o nm e t h o do fs e c o n d a c ys t e a mi sc h a n g e d i no r d e rt o i m p r o v e t h e d i a g n o s i s a n dm o n i t o r i n go f s y s t e m ，s o m e d e t e c t j n ga n dc o n t r o ld e v i c e ，s u c h a s p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，f l o w ， s o l u t i o nl e v e l ，e t c 。，a r ei n s t a l l e d ，w h i c he n s u r e ss y s t e mi nt h ec e n t r e l r a n g e 0 n t h ec o n t r o ls y s t e m ，p c - b a s e dc e n t r e is o f t w a r e i sa d o p t e d ，t h a t 盎j | 盘茎题芏焦迨塞缒塑坠鲤 m a k e st h es y s t e md e v e l o p m e n ta n dd e s i g nm o r ee f f i c i e n t i tp o s s e s s e sm a n y m e r i t s ， s u c ha s ，f r i e n d l yh i m ，c o n v e n i e n tc o n f i g u r a t i o n ， g o o do p e n i n g ， g o o dp e r f o r m a n c eo fc o n t r o l ，a n ds o o n o nt h ec o n t r o ls t r a t e g y ，d u et ot h ec o m p l e x t yo fs y s t e m ，i ti sv e r y d i f f i c u l tt oe s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e do nt h i sr e a s o n ，t h e f u z z yc o n t r o li su s e da st h ec o n t r o ls t r a t e g y i t e n h a n c e st h ec o n t r o l a c c u r a c yo ft h es y s t e m ，b e c a u s ei t d o e s n tr e q u i r ea na c c u r a t em o d e l a n dt h ee x p e r i e n c eo fh u m a nc a nb e u s e di nt h ec o n t r 0 1 t h eo n l i n e d i a g n o s i sh e l p ss y s t e mr e s u m e sq u i c k l y s i n c et h en e we v a p o r a t o rs y s t e mw a su s e di nt h et i n n i n gp r o d u c t1i n e ， c o 力t r 0 1e r r o ro fl e v e li nt h ee v a p o r a t o rt o o kf r o m 6 5 1 i i it o l o m m ，t h e c o n t e n to fs 一+ t o o kf r o mo 9 - 1 2g l t on e a ro g l t h ef l e we v a p o r a t o r w a ss t a b l ea 1 1t h et i m e n o ti n c l u d i n gg r e a tq u a l i t yb e n e f i t ，j u s t w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dw a t e rs a v i n g c a ns a v ea b o u t2 0 0 ，0 0 0y u a nf o rc o m p a n y - i ti so b v i o u st h a tt h en e we v a p o r a t o ra n di t sc o n t r o l s y s t e mn o to n l y e n s u r e dt h en 。r m a lp r o d u c t i o no fe l e c t r o t i n n i n gp r o d u c tl i n e ，b u ta l s o b r o u g h tt h eg r e a te c o n o m i cb e n e f i ta n de n v i r o n m e n tb e n e f i t - k e y w o r d s ：e v a p o r a t o r ，e l e c t r o l y t e ，p c - b a s e dc o n t r o l ，f u z z y c o n t r o l v 塞韭盘茎塑堂焦逢塞壹塑 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本人签名：窍砂香， 日期： 如。年p 奎i i 盘茎墅茎焦金主箜= 主缝盈 第一章绪论 1 1 课题来源及研究背景 镀锡板是两面镀有纯锡的冷轧低炭薄钢板或钢带。它将钢的强度和成型性同 锡的耐蚀性、锡焊性和美观性的外表结合于一种材料之中【1 1 。随着世界经济的不 断发展和包装材料的不断更新，人们对镀锡板的质量和性能提出了更高的要求。 而电镀工艺参数，尤其是镀液成分直接影响着镀锡板的产品质量。在现场生产中， 为了保持镀液成分的稳定，必须使蒸发器一直处于良好的工作状态。但是，上海 宝钢益昌薄板有限公司原镀锡生产线电镀液浓缩蒸发系统存在着许多问题，影响 了镀锡板的质量和生产，严重时生产不能正常运行。该系统主要存在如下问题： ( 1 ) 真空泵投入使用有困难，投入后有发生超液位的失控现象，设备不能 正常投入和生产。 ( 2 ) 在排放的冷凝水中有时含有锡离子和其他物质，达不到环保要求。一 方面污染环境，另一方面成为企业i s 0 1 4 0 0 0 环境质量认证通过的一个障碍。 ( 3 ) 真空度上不去或不稳定时，镀液不能在原设定的温度下蒸发，有时真 空度完全没有，镀液必须达到1 0 0 。c 以上才能蒸发，造成很大的能源浪费。 ( 4 ) 由于有高温蒸发现象，导致镀液中的有效成分损失，既加大了成本， 更影响了制成品的质量。 ( 5 ) 由于系统工作在非正常工作状态，系统周边，特别是仪表的环境温度 处在非设计设定的工作温度范围上，各测点的仪表反应值和控制均可能会产生较 大的误差，从而导致控制上的失效。 ( 6 ) 蒸发系统设计本身有缺陷，过程稳定性差，不易维护，影响生产。 基于以上情况，我们于2 0 0 1 年与北京冶金设备研究设计总院合作对原有蒸 发器进行了改造，并于2 0 0 3 年1 月完成该项目。令人欣慰的是，本课题的研究 收到了良好的效果，从2 0 0 3 年1 月至今，蒸发器运行良好，不仅减少了电镀废 水的排放量，而且能节约大量的金属锡，从而为宝钢益昌薄板有限公司带来了巨 大的经济效益和环境效益。 盎韭苎二星题差焦逢塞 箍= 童缱逢 1 2 电镀锡技术与设备的发展概况 镀锡板起源于英国，1 7 3 0 年英国成为世界上第一个镀锡板输出国，并在1 8 1 0 年取得了食品罐头的发明专利【”。以后美国、德国和日本的镀锡板工业及其技术 得到了很大的发展。1 9 3 4 年电镀锡工艺首先在德国得到工业性应用，并在不太长 的时间内取代了传统的热浸镀锡工艺。二t 世纪8 0 年代初，由于锡价上扬和受 到纸、塑料、玻璃、铝板以及无锡钢板等包装材料的竞争，镀锡板实际产量要小 于生产能力。目前，全世界有电镀锡板生产线约1 4 0 多条，年生产能力约为2 1 0 0 万吨。现在，国外生产镀锡板的厂家主要有美国伯利恒钢铁公司、美国u v 钢铁 公司、美国钢铁公司、加拿大钢铁公司( s t e l e o ) 、以及日本新丑铁公司等【3 1 。 中国对镀锡板需求量的高涨期是在1 9 9 1 年至1 9 9 3 年之间，1 9 9 7 年镀锡薄钢 板的年需求量为7 0 万吨。根据日本新日铁公司的统计，到2 0 0 0 年为止，中国的 镀锡薄钢板需求量己超过1 4 0 万吨。中国经济的快速增长将使其从世界最大的锡 出口国之一向锡消费国转变。上海宝钢益昌薄板有限公司1 9 9 6 年投产了一条年 产量为l o 万吨镀锡生产线，此外在我国的无锡、陇海、福州、广州、上海还分 布着许多条镀锡生产线。 现在世界上高速电镀锡生产线多采用f e r r o s t a n 电镀锡体系，f e r r o s t a n 电镀锡 生产线的典型生产流程如图1 1 所示【4 1 。 软熔 开卷机 收卷 图1 1f e r r o s t a n 电镀锡体系生产线流程示意图 f i g 1 1s c h e m a t i c d i a g r a m o f p r o d u d l i n e o f f e r r o s t a ne l e c t r o p l a t i n g t i n p l a t e 2 - 壶韭主堂塑圭生焦延塞一一 一 差= 童垡迨 此外，上海宝钢益昌薄板有限公司采用的就是这种镀锡生产线，因此这里着 重就f e i r o s t a n 电镀锡技术与设备的发展概况进行介绍。 ( 1 ) 前处理 前处理包括碱洗和酸洗，主要是为电镀锡作好准备。现在的碱洗液一般为氢 氧化钠、碱性磷酸盐和硅酸盐及表面活性剂配成的复合清洗液，目的是除去钢带 表面在轧制过程中因机械处理而带上的油脂。酸洗液则基本上都采用硫酸，用阴 极阳极电解处理，以除去表面氧化膜，活化基体。 ( 2 ) 电镀 f e r t o s t a n 电镀锡法采用的主盐是s t x s 0 4 ，其中s n 2 + 和s 0 4 2 - 都有严格的浓度范 围，除此以外，溶液中还必须有各种添加剂，如p s 似苯酚磺酸) 、e n s a ( 1 一( 6 聚 氧乙烯) 氧基6 - 萘磺酸) 、e n ( a 一( 1 0 聚氧乙烯) 氧基一萘( e n ) ) 等。它们所起的作用各 不相同，对浓度的控制也有严格要求，另外溶液中还要求对s n 4 + 、f e 2 + 和锡泥等 控制在一定的范围以下i 丑“。一般情况下，f e r r o s t a n 电镀锡工艺如表1 1 所示。 表1 ，lf e r r o s t a n 电镀锡工艺 镀液成分及工艺含量及条件 二价锡( s n 2 + ) 2 5 3 0 9 l 1 i四价锡( s n 4 + ) 1 魄- l 。1 以下 苯磺酸p s a 1 3 1 5 9 l 1 e n s a 2 5 3 5 9 l l e n 4 5 5 5 9 l 。 s 0 4 6 8 9 l f e 2 + 7 o g l - 1 以下 锡泥 2 0 9 l _ 1 以下 镀液温度4 0 5 0 之间 阴极电流密度 1 0 3 0 a d r n - 电镀段技术的发展主要体现在阳极材料与性能的改进。7 0 年代以前，电镀锡 阳极一直采用可溶性阳极，1 9 7 8 年，新目铁八幡厂2 号电镀锡生产线上首次采用 了不溶性阳极。至今为止，世界上绝大部分镀锡生产线均采用不溶性阳极。可溶 性锡阳极系统的不足之处在于镀层均匀性较差和耗锡量大。使用不溶性阳极系统 - 3 - 盘i ! 盘茔塑主茔堡途塞釜= 童 绪逢 的优点：使阳极与带钢之间的距离在电镀时易保持恒定，改善了镀锡板上锡分布 的均匀性；提高了操作稳定性；减少了电能消耗；改善了工作环境。阳极技术方 面的进步主要体现在三方面： 材料选择和制造技术的发展 目前不溶性阳极一般用钛基合金做母材，镀铂或涂覆铱、铑等白金族金属的 氧化物膜。这几种不溶性阳极比较起来，后两种因阳极电势( v ss c e ) 较低( 约 低0 5 v ) ，寿命较长，有利于长期稳定的使用高电流密度( 1 0 0 ad m - 2 ) 操作及减 少电力消耗量。但电流密度提高时，由于白金族金属氧化物中气孔和裂纹的存在， 会引起钛金属层的腐蚀或钛金属氧化物增厚，导致电压上升耗电量增大。新日铁 公司对涂覆铱工艺进行了研究和改进，使用喷镀或真空镀或离子镀i r 0 2 膜和i r 0 2 烧结膜的组合，制成无气孔和裂纹的均匀皮膜层，使阳极在2 0 0 ad m - 2 以上高电 流密度下迸行电解时也能长时间使用。 电镀液中固体不溶物的控制和去除方法的研究 不溶性阳极系统中固体不溶物的产生会严重影响电极反应的效率。这些固体 不溶物主要是s n 2 + 、f e 2 + 氧化生成溶解度低的s n 0 2 和f c ( o m 3 而产生的。解决的 方法有：减小f c 2 + 含量；控制镀液中溶解氧浓度在0 0 3 以下；向电镀液中添加 含c o o h 或o h 基化合物以抑制s n 4 + 产生；在不溶性阳极周围用离子交换膜或中 性树脂膜等将阳极包围起来，防止s n 2 + 氧化成s n 4 + 【”a 锡的补充系统 氧 气 供 给 电镀坡循环槽 l 一一一_ j 除渣装置 锡还原回收装置 图1 2 锡离子补充系统 f i g 1 2s u p p l i e ds y s t e m o ft i ni o n - 4 - l 蕈 ：囊 j 置 盔丝主生亟圭茎焦盈塞 釜二童绪逢 使用不溶性阳极电镀时，必须不断向电解液提供锡离子。最近几年开发出直 接从金属锡获取锡离子的方法和装置，该装置主要包括两个系统：向金属锡溶 解槽内吹氧，用化学方法使泪滴状锡粒溶解于镀液中对锡离子进行补充；利用 电解槽中阴离子交换膜将由电解法从金属锡阳极上溶解下来的锡离子滞留在阳 极室内，补充到镀液中去。该方式工艺较简单，设备布置紧凑，成本较低，四价 锡离子产生量也少，如图1 2 所示。 ( 3 ) 软熔 由于高速电镀锡生产线采用的是在简单盐中的大电流电镀，而且镀层十分薄 ( o 3 1 0 1 6 m m 左右) ，因而镀层中不可避免的存在大量微孔，这对于通常情况下 锡为阴极性镀层的镀锡薄钢板来说是十分不利的。软熔就是将钢板加热到锡的熔 点( 2 3 2 ) 以上，使熔融的锡由于溜平作用而消除微孔，并出现光泽的方法， 同时在镀锡层与钢板间生成f e s n 2 金属间化合物，从而增加镀层的结合力和抗腐 蚀能力。根据加热带钢的方法不同，锡层软熔可分为电阻软熔、感应软熔和这两 种方法同时采用的联合软熔。 电阻软熔的优点是设备投资费用低、加热效率高。但加热速率较慢。 感应软熔采用高频感应加热带钢，感应线圈所用的电流频率为1 0 0 k h z 。带 钢的加热温度，是通过加在感应线圈上的电压来进行调节的。优点是带钢不接触 导电辊，不会产生象电阻软熔时出现的电弧烧点等表面缺陷，加热速率快。另外， 可以通过调节各个感应线圈的电压来改变软熔温度时间曲线，从而获得所需要的 锡铁合金层量。其缺点是投资和生产费用高，加热效率比电阻软熔时低得多，高 频元件容易损坏。 联合软熔是先用电阻加热的方法使镀锡带钢具有基本的热量负荷，然后感应 加热使镀锡带钢在进入淬水槽前的很短时间内加热到锡的熔点以上，这样减少了 带钢热量的总负荷。联合软熔方法吸取了电阻软熔和感应软熔加热方法的优点， 可以根据需要来调整加热曲线，严格控制合金层的厚度，获得高耐蚀性能的镀锡 板。 ( 4 ) 后处理 包括钝化和涂油处理。钝化的目的在于增加镀层的耐蚀性、耐色变性及涂层 的结合性能，防止储存过程中锡氧化物的生长和镀锡板制罐出现硫化物锈蚀1 8 】。 处理方法分为两大类：重铬酸盐化学钝化( s d c d ) 和电化学钝化( e c d ) 。现在 的生产线主要采用阴极钝化，钝化膜中的含铬量一般为4 7 m gr n - 2 ，耐蚀性能优 良，也能适应印涂。近年来，新开发出的钝化工艺有p j ： - f i - 查韭拦题茔焦逢墨 釜二童绪造 ( 1 ) 阴极碳酸钠处理工艺( c s c ) 。 c s c 处理降低和除去软熔过程中产生的锡氧化物，改进钝化层中金属铬的分 布，从而限制了储存过程中锡氧化物的生长，有利于镀锡板长期稳定储存。 ( 2 ) 阴极铬酸硫酸处理( c c s ) 铬酸钝化处理是一种应用十分广泛地处理方法，这种处理的钝化膜由金属铬 和含水氧化铬组成，具有极好的涂漆粘着性、浸润性和耐蚀性。 ( 3 ) 钼酸盐溶液处理工艺。 优点是污染小，缺点是处理时间较长。 钝化后涂油的目的在于减小镀锡层间的摩擦，并起到定的防锈作用。一般 采用静电喷涂，使用的油为无毒无味的d o s 油，涂油量为2 - 8 m g m 2 。 归纳起来，电镀锡生产线采用的新技术主要表现在八个方面：电解清洗槽 不用导电辊；两阶段电解脱脂，中间夹有冲洗，而省去刷洗机组；电解酸洗 段也选用极板至极板系统，而生产e c c s 产品时推荐使用导电辊系统；电镀槽 阳极的发展：为了减少带钢宽度范围内镀锡层厚度的变化，开发出了不溶性阳极、 径向槽和可溶性阳极；采用感应加热法或电阻软熔与感应软熔联合加热法进行 软熔处理；在改善电镀锡工业生产对环境污染方面，许多厂家都进行了多项研 究，已经开发出新型的电镀液中以甲基磺酸代替苯酚磺酸，但由于甲基磺酸臭味 难闻尚未能在工业应用。另夕 ，对电解槽、电镀槽进行全塑密封改造，以减少酸 雾及有害气体对环境的污染或对设备的腐蚀；低镀锡层带钢钝化采用铬酸盐电 解法进行处理。除此之外，t n s ( 镀锡镍钢板) 、s n - c r 二层钢板等也已问世； 高速镀锡线在线微小缺陷检测技术和装置的实用化。 1 3 镀液蒸发器的分类及作用 蒸发是将溶液加热至沸腾，使其中水份汽化并被去除，以提高溶液中溶质浓 度的操作。蒸发的目的是为了获得高浓度的溶液或制取溶剂。而用来实现蒸发操 作的设备称为蒸发器【1 。 蒸发器的构造型式种类繁多，由于其构造上的多样性，分类起来较为困难。 常见的蒸发器有：标准蒸发器、标准式强制循环蒸发器、悬筐蒸发器、自然循环 外加热式蒸发器、列文蒸发器、强制循环型长管蒸发器、升膜蒸发器、降膜蒸发 器、固定刮板式薄膜蒸发器、甩盘式薄膜蒸发器、多级闪蒸和多室蒸发等等1 1 ”。 蒸发操作可在加压、常压、减压下进行。为了保持生产过程的系统压力，有 盘韭盘堂e 匣圭茎焦焦塞一一 一錾= 至绪鱼 时蒸发需在加压下进行。对于热敏性物料，为了保证产品质量，要求在较低温度 下蒸发，真空下能降低沸点，可满足此要求。此外，真空下加热介质与被浓缩液 体的温差也比常压下大，所以可加速蒸发的传热过程。但是形成真空需增加设备 和动力【1 2 1 。 在镀锡工艺段，一方面随着电镀过程的连续进行，镀液中的锡含量不断降低， 尽管电镀时伴随有锡阳极的不断溶解，但阳极溶解下来的锡离予与沉积在钢板表 面的锡离子并不相等存在一个效率差，一般为9 5 左右，因此镀液中锡离子浓 度不断下降 1 3 。另外，当钢板通过镀槽完成电镀后，表面必须进行清洗并挤干。 而钢板在清洗过程中，表面的残余锡离子被留在了水槽中，此时清洗水中锡的浓 度增加。一般来说，当清洗水中锡离子的含量超过0 5 9 l 时，就不能保证清洗 效果，因此必须不断的向水槽中补充适量的( 纯) 水。稀释时，水槽增加的水将 溢出并回流到镀液回收槽，加上出口挤千辊上挤下的溶液进入镀液回收槽，使得 镀液进一步被稀释。实际上，在一般情况下，操作工为了清洗槽子和相关设备， 也会将部分( 冲洗) 水带回到镀液回收槽中( 不符合环保要求不允许排放) ，使 镀液浓度发生改变。 在正常生产情况下，镀液中锡离子的浓度一般控制在每升2 5 - 3 0 克，年产 l o 万吨镀锡板生产线要求镀液浓缩蒸发能力在每小时7 0 0 公斤左右。镀液浓度的 调整控制与稳定直接影响到生产线的运行稳定与否，也直接影响到产品的质量， 而蒸发器直接关系到镀液浓度是否能保持稳定，因此也窟接影响整个生产大局。 1 。4 过程控制及计算机控制系统的发展历程 1 4 1 过程控制的发展历程 过程控制通常是指工业生产过程中的自动控制，它是自动化技术的一个极其 重要的方面，它的发展经历了一个由简单到复杂、从低级到高级的过程，目前正向 纵深方向发展。可以粗略地把过程控制划分为三个阶段：从开始到7 0 年代为第一 阶段，是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期；7 0 年代 至9 0 年代初为第二阶段，是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的 初期；9 0 年代初为第三阶段，也正是目前发展的阶段1 1 ”。 传统过程控制方式绝大多数是基于对象模型的，因此当遇到过程对象的机理 不清楚，动态特性难以掌握时，我们不得不对过程模型进行简化或近似，将一个理 - 7 盘韭苤茎塑茔焦熊妻 釜= 室缝逢 论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果会大打折扣。传统控制 方法面临着这些严重的挑战，这时新型的控制理论一智能控制理论应运而生了【1 5 j 。 智能控制是一门新兴的、多学科交叉的理论和技术，著名美籍华人学者傅京 孙1 9 7 1 年首先提出它是人工智能和控制论的交叉，美国学者g n s a r i d i s 于1 9 7 7 年在此基础上加入了运筹学，即智能控制是人工智能、控制论和运筹学的交叉【1 6 j 。 人工智能主要包括专家系统、模糊理论和神经网络；控制论主要指古典控制和现 代控制；运筹学主要涉及定量优化方法。专家控制、模糊逻辑控制和神经网络控 制是三种典型的智能控制方法。尽管智能理论和技术发展的历史不长，但是，其卓 越的性能诱导人们在各方面进行了许多应用尝试，并且取得了卓有实效的成果， 其中，智能控制在生产过程中的应用实例就不少，石油化工方面：1 9 9 4 年g e n s y m 公 司和n e u r a l w a r e 公司联合将神经网络和优化软件与专家系统结合，用于t a x a c o 炼制和销售公司的s t a r 炼油厂的非线性工艺过程，一年内就收回投资。英国i c i 公司实时操作优化专家系统在威尔顿石油联合企业应用，并取得实效。化工方面： 日本三菱化学合成公司开发成功了乙烯工程模糊控制系统，美国杜邦公司研制出 用于化工聚合中间物生产强度的p a c e 专家系统。其他工业过程部门也有许多例 子，如日本三菱重工、富士电机开发的垃圾焚烧炉模糊控制系统，n o r m a n 用专家系 统理论与技术完成了水泥过程实时控制的r o t a r yc e m e n k i l ns u p e r v i s o r 系统， 并且使用效果都不错【1 7 】。冶金方面：日本新日铁公司为适应钢铁工业过程的要 求，1 9 9 0 年推出fain 专家系统开发工具，并在本公司内和八番制铁所的新冷 轧厂进行了应用，取得较好的效果。日本n nk 公司开发成功了高炉温度模糊控 制系统，川i 崎钢铁研制成功了烧结均一性模糊控制系统【1 8 】1 1 9 1 。 1 4 2 计算机控制系统的发展历程 过程控制的发展离不开控制工具。计算机的快速发展奠定了过程控制先进理 论的应用步伐。 在计算机控制系统的发展过程中先后出现了数据采集系统、直接数字控制系 统( d d c ) 、计算机监督控制系统( s c c ) 等等f 2 0 1 。 1 4 2 1 集散控制系统( d c s ) 1 9 7 5 年，世界上第一套分散控制系统在美国h o n e y w e l l 公司问世，这揭开了 过程控制崭新的一页【2 1 】。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、 8 盔j i 盘茎亟生焦造主 箜二室壁逢 控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式，按总体分散、管理集 中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制【2 2 】。由于采用了分散的结构和冗 余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模 块化形式。使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法( 几十至上百种) 、较 好的人一机界面和故障检测报告功能。分散控制系统是过程控制发展史上的一个 里程碑【2 3 】。 1 4 2 2 现场总线控制系统( f c s ) 出于市场竞争和技术上的保密，早期发展的集散控制系统均采用封闭式体系 结构，特别是网络通信方面，各公司均采用自己专用的协议和标准，不同厂家的 产品不能兼容，造成用户对特定产品的依赖性，甚至限制了发展f 2 4 】【2 5 1 。为了解决 这些问题，从8 0 年代后期，特别是9 0 年代，一种新型的网络通信技术一现场总线 技术发展了起来 2 6 1 。根据国际电工委员会i e c l l 5 8 定义：安装在制造或过程区域 的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总 线称为现场总线【2 7 】l 。 现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信体系最低层的 网络。现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须符合开放系统互连 ( o s i ) 参考模型，所以各国标准化组织都在进行现场总线标准的研究与制定。国际 上的几个具有代表性的现场总线标准是德国p r o f i b u s 、法国f i p 、国际现场总线 基金会f f 、国际电工委员会标准i e c 6 1 1 5 8 ，市场上流行的其他几种总线还有控制 局部网络c a n 、局部操作网络l o n w o r k s 等，形成了多个标准并存的局面1 3 0 】。基 于现场总线的控制系统称为现场总线控制系统f c s ( f i e l 曲u s c o n t r 0 1 s y s t e m ) 。 f c s 是全数字、全分散、全开放的新一代控制系统【3 1 1 【3 2 。与传统d c s 相比较，f c s 具有以下特点： 1 通信协议的开放性，有利于系统网络间的互联，实现网络资源共享。 2 信号传输的数字化，系统结构的彻底分散化，使f c s 的控制可靠性进一步 提高。 3 现场设备是可互操作和可互换的。现场设备之间的信息可以互相传送与 沟通，不同厂家性能相同或类似的设备可以互换。 4 单总线既传输信号又传送电源，大大节省了设备投资安装费用。现场总 线设备具有的自诊断和故障处理能力，降低了系统的维护成本。 蛊韭盘茔墅主茔焦逢塞 箜二童缝鱼 1 4 2 3 基于p c 控制( p c b a s e dc o n t r 0 1 ) 的自动化技术 ( 1 ) 基于p c 控制的自动化技术概述 从计算机控制系统的发展趋势我们可以清楚地看到，随着计算机性价比的不 断提高、网络通讯技术的不断发展，计算机的控制能力不断增强，应用范围也不断 扩大。由最初的数据采集系统发展到今天被广泛应用的p l c ，d c s ，f c s 系统，而 且软件结构、通信能力、易于使用和统一的组态环境变得更重要了【3 3 】。现在一种 新的控制解决方案一一p c b a s e dc o n t r o l 已经迅速发展起来了。p c - b a s e d c o n t r o l 技术是一种基于普通p c 的，配合一个稳定可靠的操作系统( 例如 m i c r o s o f t 的w i n d o w s n t ) 以及一套由不同厂家开发的基于p c 的控制软件，加上一 些必要的u o 硬件设备组成的控制系统1 3 4 】1 3 5 】。 基于p c 的控制，并不是d c s 向f c s 发展后的纵向延伸，而是控制理念与控 制工具的一种革新。基于p c 的控制，整个系统的开发与运行环境放在p c 机内， 其中可包括集成的组态软件、h m i ( 人机接口) 、程序编译运行环境以及必要的调 试环境和驱动程序库等，然后通过工厂网络( 如e t h e r n e t ) 连接并控带0 远程i o 设 备。开发和运行环境也可分开，并通过普通的商用网络连接起来。当然还可连接 成复杂的工控系统。运行p c 通过o p c 、d d b 、c o m d c o m 等开放性协议与管理p c 通过商用网络进行通讯联结，通过t a g l i n k 与热备p c 连接切换。不同厂家的各种 运动控制系统可通过插卡与运行p c 进行连接，并且根据不同需要通过网络配适卡 或现场总线扫描卡分别与i o 机架或现场总线控制系统相连接，还可通过h u b 进 行网络扩充【j “。 基于p c 的控制技术主要有以下性能特点： ( a ) 系统开放性能好。软件方面能够支持各种开放性协议，例如：o p c 、d d e 、 c o m d c o m 、o l e 等等：硬件方面不仅能够支持各种运动控制产品，而且能够支持各 种现场总线系统，例如：d e v i c e n e t ，p r o f i b u s 等，还可通过e t h e r n e t 方便地进行网 络扩充。 ( b ) 具有实时控制能力。基于p c 的控制技术的实时性能主要有三种：一种称 为s o f t p l c ，即软件p l c ，它是利用其内部软件来确定扫描周期，达到实时控制目 的。这种性能特点决定了运行p c 除可完成控制任务外，还可处理大量的p c 任务。 这比较适合于对实时性和响应时间要求不高的系统。另一种是带有实时扩展的实 时性能，一般采用w jn d o w s n t c e 提供的标准实时扩展解决方案v e n t u r c o m ，这 是一种针对确定性能的控制任务的解决方案。第三种被称为硬实时引擎 ( h a r d r e a l t i m e e n g i n e ) ，它的控制始终处于最高的优先级，其它的w i n d o w s 任务 l o 盎a b 蠡茔墅茎焦盈童簋= 童缝逢 是不能中断控制任务的，而这就提供了与p l c 相同的执行特性和扫描特性。 ( e ) 具有形式多样的编程语言，尤其是流程图的编程方式( f l o w c h a r t ) ，使编 程更加面向工艺人员，可读性大大提高。 ( d ) 集成的h m i ( 人机接口) 使得上位监控软件与逻辑控制软件无缝地结合起 来，而且也提高了经济效益，以免从新购买其它的组态软件。 ( e ) 数据处理能力强，交互方便，快速可靠，而且随着p c 机的进一步发展，这 种能力的优势将会越来越突出。 ( 2 ) 基于p c 控制的自动化技术在国内外的发展情况 2 0 世纪9 0 年代以来，由于p c - b a s e d 的工业计算机的发展，以工业p c 、工 控软件、i o 装置、监控装置、控制网络组成的基于p c 控制的自动化系统已经成 为制造业自动化的一个重要发展趋势，实践证明这是实现低成本工业自动化的重 要途径【3 7 1 。 由于基于p c 的控制器被证明可以像p l c 一样可靠【3 8 ，并且易被操作和维护 人员接受，所以越来越多的制造商在其生产中采用p c 控制方案。基于p c 控制的 系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择， 从长远角度看，基于p c 控制的自动化系统维护成本低。由于可编程控制器( p l c ) 在市场上受p c 控制技术的威胁最大，所以越来越多的国外p l c 制造商加大了对 p c 控制技术的研发力度，如s i e m e n s 、a - b 、o m r o n 、三菱、g e 等等。西f 1 子公司 作为自动化系统和产品的著名生产厂商对市场的这一需求所作出了迅速的反应， 适时推出了符合新技术标准和发展趋势的基于p c 控制的自动化控制产品s i m a t i c w i n a c 39 1 。 近年来，工业p c 在我国也得到了异常迅速的发展。我国于2 0 0 1 年设立了“以 工业控制计算机为基础的开放式控制系统产业化”的工业自动化重大专项，目标 就是发展具有自主知识产权的p c b a s e d 控制系统，在3 5 年内，占领3 0 9 6 - 5 0 的国内市场，并实现产业化 4 0 1 。我国的北京和利时公司、北京三维力控科技有限 公司等工控企业也在这方面做出了自己的努力，并推出了相应的基于p c 控制技 术的产品。 目前市场上具有竞争力的基于p c 控制技术的主要产品有： t h i n k & d o ( e n t i v i t y 公司) 、s t e e p l e c h a s e ( e n t i v i t y 公司) 、s i m a t i c w i n a c ( s i e m e n s 公司) 、l a b v i e w ( n a t i o n a l i n t r u m e n t s 公司) 、k i n g p l c ( 亚控科技公司) ， 等等。 盎业主生墅堂焦监塞 笠= 童鳖逢 1 5 本文的研究目的及要解决的问题 电镀液浓缩蒸发系统是控制镀液浓度，保证电镀顺利进行的关键设备。上海 宝钢益昌薄板有限公司原镀锡生产线电镀液浓缩蒸发系统存在着许多问题，严重 影响了镀锡板的质量和生产。本文的研究目的就是从机械与工艺、电气与控制两 个方面对原镀液蒸发系统进行全面的技术改造与设计，研究开发一套新的镀液蒸 发系统以保持镀液成分的稳定。 本文要解决的问题主要集中为以下几个方面： 1 对原蒸发器结构和工艺不合理的部分进行了修改，扩大蒸发罐的容积和 高度，取消原来的隔膜泵，从而加大二次蒸汽的升腾空间。用水喷射泵代替原来 的真空泵以保证蒸发室内的真空度。 2 考虑到蒸发器的特点和现场操作的要求，测控系统采用基于p c 的控制系 统，组态软件采用t h i n k d o 管控一体化软件。 3 为使蒸发稳定进行，蒸发器的液位、温度必须加以控制，以保证液位和 温度保持在工艺要求的设定值。由于系统工作比较复杂，参数因各种原因变化剧 烈，数学模型难以精确建立，常规的p i d 控制器不能满足控制要求。为此，需设 计模糊控制器，用来对蒸发罐的液位进行控制。 4 为满足系统可靠性的要求，需设立冗余的检测设备，使系统运行时能够 进行实时的在线故障诊断，并根据不同的故障情况自动进行相应处理。 1 2 垄j ! 盘茎塑茔焦逢童簦三至焦塑基盘墨盟扭缝墨堇堡盐 第二章镀液蒸发器的机械工艺设计 2 1 机械系统的功能及设计要求 按立项要求，机械系统改造的基本要求和技术性能如下： 1 改变原真空和冷凝方式，将间接冷凝改为直接冷凝，并由高速多喷嘴冷 凝器产生负压。取消原真空泵、隔膜泵等。 2 在蒸发罐与冷凝器之间增设汽水旋流分离器，并留出足够的二次蒸汽升 腾空间