（制浆造纸工程专业论文）纸机三段通汽专用控制系统的研究与开发.pdf

山东轻t 业学院硕七学位论文 摘要 本文的主要部分先介绍了造纸机干燥部热泵控制系统的总体设计方案，然后 对作为控制器的智能仪表的硬件设计、软件设计作了详细介绍。 造纸机干燥部三段通汽热泵控制系统是对原有三段通汽系统进行的改进，经 过生产实践证明，热泵控制系统这一节能方案较为实用，实行起来较为简单，对原 有系统改动不大，投资少，是一项有良好应用前景的节能技术，它不仅适用于造纸 行业，同样适用于其它以蒸汽作为能源的制造业。假如所有的以蒸汽作为能源的 行业都能照此进行改进的话，这将会给我们的社会节省巨大的能源，我们的生存 环境将得到大大地改善。 在改进后的系统中，热泵控制系统是关键部分，控制系统的性能与整个工艺 流程运行的好坏密切相关，那么在设计该控制系统时，除了根据系统的性能指标 和功能要求决定系统的结构形式外，更重要的是要保障控制系统的可靠性。一个 可靠的控制系统不仅能够使被控对象得到快速有效的控制，而且具有较快的响应 速度，较高的的控制精度。 智能仪表是该控制系统的核心部件，它是由硬件与软件组成的。一个性能优 越的智能调节仪表不仅要有可靠的硬件，还要有先进的控制算法，本智能仪表软件 部分的控制算法采用的是模糊- p i d 复合控制，模糊一p i d 复合控制不仅引入了经典 p i d 调节器的原理简单、调节细腻的特点，而且具有模糊控制器的灵活性和适应 性，提高了系统的控制精度。 能源是人类生存和发展的重要物质基础，蒸汽作为一种能源在各行各业中被 广泛应用，而目前普遍存在水蒸汽热能利用不足、能源浪费严重的问题。各生产 部门出于对经济利益的考虑，正兴起一股开发和利用节能与环保设备的热潮。随 着自动控制理论与技术的不断发展，现代工业生产过程自动化的水平不断提高， 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，节能设备控制 系统便应运而生。 关键词：热泵控制系统智能仪表控制算法模糊一p i d 复合控制 i i i 摘要 a b s t r a c t t h ea r t i c l ep u t se m p h a s i so ni n t r o d u c i n gt h ep r o j e c td e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m a saw h o l e , t h e nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti n d e t a i l t h ed r y e rp a r tw i t hc o n t r o ls y s t e mt os t e a mj e th e a tp u m po fp a p e rm a k i n gf l o wi s t h ei m p r o v e m e n to np r i m a r ys y s t e m p r o d u c t i o np r a c t i c ep r o v e st h a tt h ep r o j e c to f t h e c o n t r o lt oh e a tp u m ps y s t e mh a sp r a c t i c a b i l i t ya n di ti sa l le n e r g ys a v i n gt e c h n i q u e w i t hg o o df u t u r eb e c a u s ei tc o s tl e s s e rm o n e y , c a nb ea p p l i e de a s i l ya n dn e e dl i t t l e m o d i f i c a t i o no nt h eb a s i so ft h ep r i m a r ys y s t e m t h et e c h n i q u ec a nb ea p p l i e dn o to n l y t op a p e rm a k i n gi n d u s t r y , b u ta l s ot oo t h e rm a n u f a c t u r i n gw h i c hm a k eu s eo fs t e a ma s e n e r g y i fa l lt h ei n d u s t r i e si m p r o v et h e m s e l v e sa c c o r d i n g t ot h ep r o j e c tw h i c hc a ns a v e al o to fe n e r g yt oo u rs o c i e t y , o u rl i v i n ge n v i r o n m e n tw i l lb ei m p r o v e dg r e a t l y i nm ei m p r o v e df l o w , t h ec o n t r o lt o h e a tp u m ps y s t e mi st h ek e yp a r t t h e p e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sr e f e r r e dt ot h ew h o l et e c h n o l o g i c a lf l o w s oi nt h e d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m , t h em o r ei m p o r t a n tt h i n gw en e e dt od oi se n s u r i n gi t t o w o r kr e l i a b l yb e s i d e se s t a b l i s h i n gi t sf r a m e w o r ka c c o r d i n gt op e r f o r m a n c ei n d e xa n d f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t ar e l i a b l ec o n t r o ls y s t e m n o to n l yc a nc o n t r o lt h eo b j e c t f l e e t l ya n de f f e c t i v e l y , b u ta l s oh a st h eq u a l i t i e so ff a s t e rr e s p o n s es p e e da n dh i g h e r c o n t r o lp r e c i s i o n i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti st h ec o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n di t i sm a d eu po f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e a ni n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tw i t hp r e d o m i n a n tp e r f o r m a n c e s h o u l dn o to n l yh a sr e l i a b l eh a r d w a r eb u ta d o p ta d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m t h e f u z z y - p i dm u l t i p l ec o n t r o la l g o r i t h m i s a d o p t e di nt h ed e s i g n o fi n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t t h ef u z z y p i dm u l t i p l ec o n t r o ln o to n l yh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l e d o m i n a t i o np r i n c i p l ea n de l a b o r a t eu p d a t eo fc l a s s i c a lp i d c o n t r o l l e rb u ta l s oh a st h e a d v a n t a g eo ff l e x i b i l i t yo ff u z z yc o n t r o l l e r , w h i c he n h a n c e t h ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h e s y s t e m e n e r g yi st h ee s s e n t i a ls u b s t a n c eo nt h a tt h eh u m a nb e i n gl i v e sa n dd e v e l o p s t h e s t e a mi su s e di ne v e r yw a l ko fl i f ea sak i n do fe n e r g y , b u tt h e r ee x i s tt h ep r o b l e m st h a t t h eh e a te n e r g yi sn o tu s e df u l l ya n dt h ee n e r g yi sw a s t e ds e r i o u s l y i nv i e wo ft h e e c o n o m i cb e n e f i t ，m o r ea n dm o r ep r o d u c t i o nd e p a r t m e n t sa r ea t t e m p t i n gt od e s i g na n d m a k eu s eo fe q u i p m e n tt h a tn o to n l yc a ns a v ee n e r g yb u ta l s o i sg o o df o ro u r e n v i r o n m e n t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r ya n dt e c h n i q u e ，t 1 1 e a u t o n l a t i o nl e v e lo ft h em o d e mi n d u s t r i a lp r o c e s sr i s e sc o n s t a n t l ya n di tb e c o m e sa n 1 v 山东轻t 业学院硕士学位论文 i m p o r t a n ts y m b o lt ow e i g ht h em o d e r n i z a t i o no fe v e r yw a l ko fl i f e a n dt h ec o n t r o lt o e n e r g y - e f f i c i e n te q u i p m e n ts y s t e me m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e k e yw o r d s ：c o n t r o lt oh e a tp u m ps y s t e m ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，c o n t r o la l g o r i t h m ， f u z z y p i dm u l t i p l ec o n t r o l v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 o e 弓l m 他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，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。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：兰壹红 导师签名：玉始徨 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 能源是人类生存和发展的重要物质基础，能源的人均占有量、能源的构成、 能源的使用率往往作为衡量一个国家的现代化发展程度的指标。随着社会的发展 和工业的进步，能源危机已成为全世界亟待解决、关系人类生死存亡的大问题。 据专家估计，如果不改变目前的能源消耗结构和速度，不开发新能源，在距今2 0 0 - - 3 0 0 年后，世界上的能源将全部消耗殆尽。因此，开发新能源和有效节能己成 为全球性能源问题研究的核心1 。 能量系统的三个重要环节：能量的转换与输送环节、能量的利用环节和能量 的回收环节，他们是密切联系、相互影响的。其中，能量的利用环节是最重要的， 它决定了能量的所需情况，主要跟工艺过程有关。能量转换与输送环节也很重要， 它把原始的能量形式( 如燃料) 转换成工艺上可使用的能量( 如蒸汽) ，并且输送 至所需之处。而能量的回收环节则主要是考虑到节能及环保因素，随着能源的紧 张，能源回收变得越来越重要。 1 1 前言 蒸汽作为一种能源在各行各业中被广泛应用，如发电、石油、化工、印染、 造纸、轻纺、酿造、橡胶、制陶等工业领域中。蒸汽多用作热源，而实际上被使 用的仅仅是蒸汽的潜热，蒸汽的显热一冷凝水所具有的热量几乎全部被丢弃。这 是因为要提高蒸汽使用设备的生产效率，最p ) j n 热效率，就必须尽快把传热效率低 的冷凝水从蒸汽中排出去。然而，蒸汽做功后的冷凝水仍具有很多热量，利用好 这部分热量可收到很好的节能效益。 而目前普遍存在水蒸汽热能利用不足、能源浪费严重的问题。因为蒸汽中的 热能包含两部分，即显热( 将水提升至沸点所需的热能) 和潜热( 将在沸点的水 转变为蒸汽所需的热能) ，潜热通常是显热的三至四倍，蒸汽在各用汽设备中放出 汽化潜热后，变成近乎同温同压下的饱和冷凝水，由于蒸汽的使用压力大于大气 压力，所以冷凝水所具有的热量可达蒸汽全热的2 0 9 6 - 3 0 ，且压力、温度越高， 冷凝水所具有的热量就越多，占蒸汽总热量的比例也就越大。但大部分利用水蒸 汽的工厂只是利用了蒸汽的潜热，约为蒸汽所含总热量2 0 一3 0 的显热则大部分 浪费掉了。如果能够1 0 0 的回收冷凝水的热量，并加以有效利用，则锅炉所需要 的燃料可节约2 0 9 6 3 0 ，因此各企业也逐渐把节能作为提高自身效益的重要途 径。 虽然也有工厂对高温冷凝水进行回收，但他们有的是采用开放式回收系统， 导致约占蒸汽全热的9 左右的热量散失到大气中，不仅造成热能浪费，而且对大 第1 章绪论 气造成一定程度的热污染；有的即使采用了密闭式回收系统，却也没有将高温冷 凝水在回收过程中闪蒸产生的二次蒸汽回收再利用，而是将其放空于环境，同样 产生热能得不到充分利用、大气受到热污染的问题。 我们知道现在全世界能源( 包括水、煤、石油等) 非常紧缺，如果不采取措 施能源危机将越来越严重。因此各个企业应当把节能作为一项基本的策略提到日 程上来，不只是为了提高自身的经济效益，更重要的是为了世界的可持续性发展。 采用密闭式回收系统将高温冷凝水回收再利用可收到以下节能效果：( 1 ) 给 水温度提高，给水与炉内温差变小，减少锅炉钢板热胀冷缩的程度，延长了锅炉 使用寿命( 2 ) 密闭式回收无热能散失( 3 ) 节约锅炉燃料。冷凝水所含显热占蒸 汽总热量的2 0 一3 0 ，有效利用这部分能量，将节约锅炉燃料( 4 ) 冷凝水回收， 且冷凝水水质较好，可节约工业用水，减少水处理费用( 5 ) 减少热污染( 6 ) 减 少供水、水处理系统设备及基建投资1 2 1 。 要充分利用冷凝水所含热量有两条途径： ( 1 ) 将高温冷凝水在回收过程中产生的二次蒸汽提高品质后回收再利用，供 用汽设备使用。 ( 2 ) 将最后收集所得的冷凝水( 温度一般为7 0 - 8 0 摄氏度) 送回锅炉房作 为水源使用t 3j 。 1 2 研究背景与意义 中国造纸业是中国工业中的一个巨大的产业，造纸机干燥部运行情况包括通 蒸汽和冷凝水回收，它们是统一不可分割的整体。长期以来，冷凝水的回收利用 率很低，一般平均水平不到3 0 ，有的中小企业的回收率不到5 ，还有的甚至全 部排入下水道，造成大量浪费。 在纸机工艺流程中，各段烘缸供汽应为各段烘缸所需压力下的饱和蒸汽。目 前在造纸机干燥部采用的传统的三段通汽系统普遍存在烘缸积水影响造纸产品的 质量；热能利用不充分造成能源浪费；不利于调节纸机干燥部各段烘缸的供汽压 力和供汽量；锅炉供热蒸汽通常具有较大的过热度，其压力比纸机烘缸压力要高 得多，而冷凝闪蒸罐蒸汽达不到工艺要求，常常被放空于环境，或没有得到充分 利用，这样就导致了一方面低参数的热源的浪费，而另一方面高参数热源降质使 用并不利于建立合理的烘缸温升曲线。这就导致了中国造纸业的能耗和污染非常 大4 1 。 为此，急需建立新的热力系统替代传统三段通汽系统，使高低参数蒸汽都得 到合理应用，提高整个系统运行的经济性。热泵控制系统正是这一需求形势下的 产物。在自动化技术飞速发展的今天，对节能设备一一热泵的控制技术的高低便 2 山东轻1 = 业学院硕士学位论文 成为决定能源节约数量的一个至关重要的因素。 先进的控制方式能够使热泵得到快速有效的控制，不仅能够提高系统的响应 速度，而且能够提高系统的控制精度。从而使能源的利用率得到大幅度提高，节 约了能源。这不仅提高了企业自身的经济效益，而且推进了世界的可持续性发展。 1 3 研究历史与现状 2 0 世纪中叶以来，在科学技术与工业生产的发展过程中，自动控制理论与技 术的发展发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果，是现代高新技术的 重要手段之一巧1 。 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。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为p i d 控制。p i d 控制器它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 常规的p i d 调节器控制原理简单，容易实现，稳态无静差，因此长期以来广泛应 用于工业过程控制，并取得了良好的控制效果。即使在控制理论飞速发展的今天， 使用最多的控制方式还是p i d 控制6 1 。 常规控制的基本特点是：对于控制器的设计，都要建立在被控对象的精确数 学模型基础上。然而有些对象难以用一般的物理和化学方面的规律来描述；有的 影响因素很多，而且相互之间又有交叉耦合，使其模型十分复杂。而且，随着科 学技术的迅猛发展，目前研究的控制系统更多的涉及多变量、非线性、时变的大 系统，建立数学模型是非常困难的，或者是根本不可能的，大多数工业过程都不 同程度的存在非线性、参数时变性、模糊不确定性等问题，系统的复杂性与控制 技术的精确性形成了尖锐的矛盾。于是，传统的控制理论和技术面临着新的控制 要求的挑战。 模糊控制实质上是用计算机去执行操作人员的控制策略，因而可以避开对象 复杂的数学模型，力图对人们关于某个控制问题的成功与失败的经验进行加工， 总结出知识，从中提炼出控制规则，实现复杂系统的控制。模糊控制器具有无须 建立被控对象的数学模型，对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力， 即鲁棒性较好等特点。 然而，模糊控制也有它的局限性和不足，这就是控制作用只能按档处理，是 一种非线性控制，控制精度不高，存在着静态余差。而传统的p i d 控制却能使控 制的精度大大提高，消除稳态误差。 控制系统中，我们把从采样到控制量输出之间所经历的时间叫一个处理周期， 不妨用p 表示；从控制量输出到得到相应的控制效果( 反映到采样值) 之间所经 3 第1 章绪论 历的时间叫纯滞后时间，不妨用t 表示。如果t p ，则称这种系统为大时滞系统。 大时滞系统的出现使成熟的p i d 调节方法面临着严重挑战。滞后时间越长，控制 起来就越困难。 现在，在纸厂内部的工艺流程中，对造纸机干燥部节能设备热泵的控制 方式主要是传统的p i d 控制，通过生产实践证明，它基本上能够满足系统的要求， 达到节能的目的。但它也有需要改进的地方，这是因为传统的控制理论从本质上 讲是数值计算方法，而计算过程需要一定的时间。干燥部烘缸内的蒸汽压力与温 度要调节到设定值需要一定的时间，也就是说存在滞后性；另外如果出现被测量 的实际值与设定值差距较大这种情况，单用传统的p i d 控制方式很难达到系统对 响应的快速性的要求，以至于使得滞后性加大，达不到生产工艺的要求。 因此，一些学者提出将传统的控制方法( 例如：p i d 控制) 与模糊控制技术 相结合，综合其优点，克服彼此的不足，组成一种复合控制器，即模糊- - p i d 复 合控制器。模糊一p i d 复合控制不仅引入了经典p i d 调节器的原理简单、调节细腻 的特点，而且具有模糊控制器的灵活性和适应性，提高了系统的控制精度。它能 够满足系统要求，具有良好的快速性和稳态精度，且抗干扰能力强，是一种良好 的控制方案7 1 。 1 4 论文研究内容和创新点 根据模糊推理机输出量的直接物理含义，模糊- - p i d 复合控制器可以分成：增 益调整型、直接控制量型和混合型。本文将围绕如何设计满足工艺要求的控制器 展开讨论，包括硬件电路的设计原理以及如何将传统的p i d 控制与模糊控制进行 有效的结合。论文研究内容和章节安排如下： 第一章：绪论 第二章：造纸机干燥部改进前后的情况对比 第三章：造纸机干燥部三段通汽热泵控制系统的总体设计 第四章：智能仪表的硬件设计 第五章：智能仪表的软件设计 第六章：总结与展望 本课题研究的创新之处是：工业过程中广泛采用的p i d 控制，对具有非线性、 大时滞、强耦合等特性的被控对象控制效果并不理想，虽然有最优p i d 、非线性 p i d 及自适应p i d 等改进形式的p i d 控制，但从根本上说，由于对p i d 参数的寻 优是对比例、积分、微分三种控制作用的折中以及对干扰抑制整定和目标值跟踪 整定的折中，因而其参数的整定并不是最优的。也就是说，p i d 控制器对不同的 对象要用不同的p i d 参数，而且调整不方便，抗干扰能力差，超调量大；而模糊 4 山东轻工业学院硕士学位论文 控制是一种语言控制，不依赖于被控对象的数学模型，设计方法简单、易于实现， 能够从操作者的经验归纳、优化而得到，且适应能力好，抗干扰能力强、鲁棒性 好。然而，模糊控制也有它的局限性和不足，那就是它的控制作用只能按挡处理， 是一种非线性控制，控制精度不高，存在着静态余差，一般在语言变量偏差趋于 零时有振荡；而传统的p i d 控制却能使控制的精度大大提高，消除稳态误差。因 此在控制算法上，将传统的p i d 控制方法与模糊控制技术相结合，综合其优点， 克服彼此的不足，可组成一种复合控制器，即模糊- - p i d 复合控制器。 5 第2 章造纸机干燥部改进前后的情况对比 第2 章造纸机干燥部改进前后的情况对比 造纸机干燥部热泵控制三段通汽系统是对原有干燥部通汽系统进行的改进， 改进后的系统经过生产实践证明：不仅操作方便，而且取得了良好的节能效益， 同时大大降低了对大气的污染程度。因此该技术是一项值得大力推广的技术。本 章介绍了造纸机干燥部三段通汽系统改进前后的情况，通过对比，可以看出在工 业生产领域应用自动化控制所取得的成果，自动化技术的地位显得越来越重要， 成为现代工业生产过程中的一个核心部分，控制系统设计的好坏直接关系到生产 性能的优劣。 2 1 造纸机干燥部传统三段通汽系统 传统三段通汽系统工艺流程图如图2 1 所示： 线 妇。 燕 i 7 1 、分汽缸2 、一级闪蒸罐3 、二级闪蒸罐4 、三级闪蒸罐5 、冷凝水储水罐6 、 冷凝水水泵 图2 1传统三段通汽系统工艺流程图 2 1 1 工艺流程 该系统采用锅炉蒸汽首先给高温1 段烘缸加热用，由1 段烘缸排出的蒸汽冷 凝水产生的二次蒸汽供给2 段烘缸加热用，由2 段烘缸排出的蒸汽冷凝水产生的 二次蒸汽再给3 段烘缸加热用，各段烘缸间依靠各段冷凝水闪蒸罐间的压力差推 动热力系统循环和进行冷凝水多次蒸发，由此可见，传统的三段通汽系统是一个 被动的蒸汽串联系统，它难以实现同造纸机干燥部各段烘缸的用汽压力和耗汽量 合理匹配。 2 1 2 存在的弊端 目前在造纸机干燥部采用的传统的三段通汽系统普遍存在烘缸积水影响造纸 6 山东轻工业学院硕士学位论文 产品的质量；热能利用不充分造成能源浪费；不利于调节纸机干燥部各段烘缸的 供汽压力和供汽量；锅炉供热蒸汽通常具有较大的过热度，其压力比纸机烘缸压 力要高得多，而冷凝闪蒸罐蒸汽达不到工艺要求，常常被放空于环境，或没有得 到充分利用，这样就导致了一方面低参数的热源的浪费，而另一方面高参数热源 降质使用并不利于建立合理的烘缸温升曲线。这就导致了中国造纸业的能耗和污 染非常大。 2 1 3 改进依据 随着世界能源的紧缺情况日趋严重，各生产部门出于对经济利益及可持续性 发展的考虑，我国目前正在兴起一股开发和利用节能与环保设备的热潮。我国已 经有越来越多的造纸企业在对他们原有的干燥部通汽系统进行改进，而且经过实 践证明改进后的系统确实具有可观的节能效益。 针对传统的干燥部三段通汽系统所存在的弊端，我们可有的放矢地对其进行 改进，通过建立新的热力系统替代传统三段通汽系统，以使高低参数蒸汽都得到 合理应用，提高整个系统运行的经济性。 下面先介绍一下现在广泛应用的一种节能设备蒸汽喷射式热泵。 蒸汽喷射式热泵是一种没有运转部件的热力压缩机，不直接消耗机械能或电 能而提高低压蒸汽的参数，工作蒸汽与吸入蒸汽同时输出用于生产工艺，在动力、 冶金、纺织、轻工、供热、制冷等领域得到了应用。它的工作原理是：用高压蒸 汽抽吸低压蒸汽，高压蒸汽在喷嘴中高速喷射而造成真空，从而不断抽吸低压蒸 汽。在混合室中，低压蒸汽与工作蒸汽两股共轴流体进行速度均衡，从而使低压 蒸汽参数提升。在扩压室中，流体的动能转换为势能，压力提高到设备工艺流程 所需的压力而进入烘缸中。通过喷射器合理设计，由喷射器出来的蒸汽压力值可 以满足工艺要求鸭1 。热泵的节能原理如图2 2 所示。 1 喷嘴2 接受室3 混合室4 扩压窒5 烘缸6 差压排水器7 闪蒸罐 图2 2节能原理图 7 第2 章造纸机干燥部改进前后的情况对比 2 2 改进后的三级闪蒸热泵供热系统 改进后的三级闪蒸热泵供热系统工艺流程图如图2 3 所示： 1 分汽缸2 一级闪蒸罐3 二级闪蒸罐4 三级闪蒸罐5 冷凝水储水罐6 冷凝水水泵7 - 9 热泵1 0 1 6 差压排水器1 7 分离器1 8 真空泵1 9 水封槽 图2 3 三级闪蒸热泵供热系统工艺流程图 2 2 1 工艺流程 利用热泵替代节流减压阀向纸机各段烘缸提供所需品位和数量的蒸汽，利用 蒸汽减压前后的能量差使烘缸蒸汽冷凝水系统产生二次蒸汽，提高能级后再供生 产使用。特别是在蒸汽喷射式热泵工作过程中，把在闪蒸罐中蒸汽冷凝水产生的二 次蒸汽增压后供给纸机烘缸加热，同时降低了闪蒸罐的工作压力，增大了烘缸排出 蒸汽冷凝水的压差，有利于蒸汽冷凝水通畅排出。冷凝水经过多级闪蒸后热能得到 充分利用。在热泵供汽系统中，各段纸机烘缸排出的蒸汽冷凝水经过多级闪蒸，依 次产生不同品位的二次蒸汽，蒸汽冷凝水降低温度后，再排出冷凝水罐。如1 段烘 缸排出的蒸汽冷凝水进入一级冷凝水闪蒸罐，产生二次蒸发汽经热泵增压后供一 段烘缸加热用，由一级闪蒸罐排出的蒸汽冷凝水进入二级闪蒸罐进行多级闪蒸，热 能得到了充分利用1 9 1 2 2 2 传统三段通汽和热泵系统供汽在生产同一品种纸时实际用汽量之对比 传统三段通汽和热泵系统供汽在生产同一品种纸时用汽量实际测试数据对比 见表2 1 。纸机参数：烘缸直径：1 5 0 0 m m ，纸净宽：1 7 6 0 m m ，车速：1 9 0 m m in 一2 0 0 m min 。 8 山东轻t 业学院硕十学位论文 表2 1 干燥部改进前后的实际用汽量对比 = 5 26 07 08 09 0 托汽疑k 叠，h i l l5 0l3 3 0ts 2 0l7 7 02 0 8 0 段 f 专统缴汽l2 7 2l4 2 0l6 3 ll9 lo2 2 9 8 l l 4 6 85 6 0 6 3 0 7 4 0窝7 7 段 传统供汽5 4 76 5 27 4 28 6 0l0 3 r 2 l8 2 5 42 9 03 4 04 0 0 段 传统缴汽 2 5 93 2 4 3 l8 4 2 64 8 3 2 2 3 结论 由表1 看出，采用蒸汽喷射热泵给纸机干燥部供汽，并将冷凝罐中的冷凝水二 次蒸发加以利用能获得较大的经济利益，这一节能方案较为实用，实行起来较为简 单，对原有系统改动不大，投资少，是一项有良好应用前景的节能技术。相信假如所 有的造纸企业都能照此进行改进的话，将会给我们的社会节省巨大的能源，我们 的生存环境将得到大大的改善。 在造纸机干燥部利用热泵替代传统三段通汽，工艺流程合理，实际应用效果明 显。( 1 ) 降低能耗，提高了产品质量，技术改造前后相比较，单位产品汽耗降低，吨纸 汽耗比传统供汽指标降低了2 6 2 ，其吨纸耗汽、耗电等指标均达到了同类纸机先 进水平。( 2 ) 解决了烘缸积存冷凝水这一国内外纸机技术改造的难点问题。 9 第3 章造纸机干燥部三段通汽热泵控制系统的总体设计 第3 章造纸机干燥部三段通汽热泵控制系统的总体设计 随着能源危机的加剧，越来越多的企业已经认识到能源问题的严重，将会有 越来越多的企业应用节能设备，节能设备的应用将会是社会发展过程中的一个趋 势，加之自动化技术的飞速发展及其在工业生产过程中的广泛应用，造纸机干燥 部热泵控制系统便是此种需求形势下的产物。 3 1 控制系统原理框图 热泵控制系统总的原理框图如图3 1 所示： 3 。1 。1 控制参数 图3 1 热泵控制系统原理框图 热泵控制系统中的被控量有： ( 1 ) 烘缸供汽压力与供汽量 该系统在各段供汽管道上安装压力传感器，用于检测烘缸内的蒸汽压力，并 把压力变成4 - - - - 2 0 m a 的模拟信号，送到单片机8 9 c 5 2 系统的a d 转换输入端，再 经a d 转换变成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理单片机经运算后与 设定的压力进行比较，得出偏差值，再经模糊- - p i d 复合调节得出控制参数，经 d a 转换变成模拟信号，模拟信号经三极管功率放大后驱动执行机构动作，自动 地控制各工作蒸汽阀门的开度，使烘缸内的蒸汽压力控制在稳定的设定值上。 ( 2 ) 闪蒸罐液位高度 闪蒸罐内要始终保持一定的液位高度，液位控制器根据各闪蒸罐上的液位传 感器输入的信号，会自动地调整各阀门的开启程度或泵的开启，将液位控制在设 1 0 山东轻t 业学院硕士学位论文 定值内。 3 1 2 控制标准 控制系统的性能指标应满足如下三个方面的要求： ( 1 ) 烘缸压力控制精度0 0 1 m p a ( 2 ) 汽水分离器液位控制精度4 - 5 c m ( 3 ) 控制系统要具备手动、自动切换功能 3 2 热泵控制系统工作原理 在造纸工艺流程中，干燥部采用热泵供汽三段通汽系统，因此共需要三个控 制器分别进行控制，为了得到所需品位的纸种，控制器除了要对烘缸内的蒸汽压 力进行控制外，还要对闪蒸罐的液位进行控制，这样每个控制器的输入量有两个： 一个是烘缸内蒸汽压力输入信号，另一个是闪蒸罐液位输入信号，控制器内部通 过输入信号与设定值的比较，输出一定大小的电信号推动执行机构对热泵工作蒸 汽阀门、水泵进行实时地分时操作。因为各段烘缸所需蒸汽的压力是不同的，所 以每一干燥段上的控制器，它的烘缸内蒸汽压力设定值当然也就不同。 纸机干燥部热泵通汽系统采用d c s 或q c s 控制系统来控制成纸水份。其控制 原理是：该系统在各段供汽管道上安装压力传感器，控制器会根据输入的压力信 号，通过与内部程序的设定值进行比较后，输出指令，自动地控制各工作蒸汽( 锅 炉蒸汽) 阀门的开度，使烘缸内的蒸汽压力控制在稳定的设定值上。同时，闪蒸 罐内要始终保持一定的液位高度，液位控制器根据各闪蒸罐上的液位传感器输入 的信号，会自动地调整各阀门的开启程度或泵的开启，将液位控制在设定值内。 第4 章智能仪表的硬件设计 第4 章智能仪表的硬件设计 传统仪表的性能主要取决于仪表内部元器件的精密性和稳定性，元器件的温 度漂移( 包括零点和增益漂移) 和时间漂移都会反映到测量结果和仪表输出中去。 另外，传统仪表对其内部故障缺乏诊断和处置能力，往往在故障情况下给出结果， 显然这种结果是不可能正确的e 1 0 1 。 微机大量应用后，产生了微机化工业自动化仪表( 如集散系统的仪表) ，并 正在发展适合现场总线控制、各种分布式控制和网络控制的智能仪表川1 。 随着微电子技术和微机技术的进一步发展，嵌入式系统、含微机的仪表专用 集成电路、高级的测量与控制软件和智能技术水平的不断提高，加上先进的工艺 技术，仪表正进一步提高其性能和功能，真正的智能仪表已经形成。今后，智能 仪表在其设计、制造、应用等方面将会有更大的进步和更快的发展2 ，。 智能仪表提高性能、增强功能的原理十分清楚，主要在于应用了新的处理技 术和新的硬件平台，使仪表精度、可靠性、可维护性和可测试性都得到了提高。 按照事先的安排( 体现在编制的程序上) ，微机可以对仪表的主要元器件进行自动 检测，对故障进行定位，还可以对故障部分进行隔离或对系统进行重组，大大提 高了仪表的容错性和可靠性。微机具有自动处理功能，可以自动进行量程转换、 零点和增益误差补偿，测量特性的自动校准，按照一定的规律自动寻找最优的算 法参数，从而极大的提高了仪表的性能。减d , n 量误差( 包括随机误差、系统误 差和粗大误差) 是提高仪表精度的关键，利用微机进行数据处理从而减小误差的 方法愈来愈成熟( 包括数字滤波，相关计算机等统计分析处理) 。模糊识别与模糊 控制、人工神经网络建模与识别、专家系统、多传感器信息融合处理等智能技术 水平在不断地提高，它们给智能仪表注入了新的灵魂，使智能仪表相对于传统仪 表而言具有智能1 3 1 。 智能仪表是具备测控功能的特殊微机系统。由于承担的任务，应用的场合不 同，各种智能仪表的硬、软件系统差别很大。 典型的智能仪表其结构由三个层次构成： ( 1 ) 微处理器( 单片机) 。它是整个智能仪表的核心，具有基本的算术运算、 逻辑分析能力。通常，微处理器需要时钟电路和复位电路，能支持存储器i 0 口 的扩展和外部中断。 ( 2 ) 微型计算机。将片外存储器、i 0 接口芯片、外部设备等通过地址、数 据、控制三总线与微处理器连接，即组成微型计算机。为了提高性能和降低成本， 大多数定型的智能仪表往往使用嵌入式系统；或应用微处理器内核，再根据需要 配置相应的存储器、接口和其他电路，形成专用集成电路。 1 2 山东轻t 业学院硕士学位论文 ( 3 ) 智能仪表。在微型计算机的基础上，根据仪表的性能、功能要求，设计 出测量电路和数据采集接口、过程控制电路与接口，再参照仪表的使用环境、习 惯和特点设计出其他结构和电路，以及通信、显示和操作部分硬软件，并构成良 好的外形和安装结构，然后再将它们组成完整的智能仪表。 与传统仪表相比，智能仪表有许多突出特点。由于它具有自动测量、实时在 线测量、综合测量的能力，并可通过数据处理实现自动补偿、自动校准、自动分 段、数字滤波、统计分析、相关分析、智能处理等，从而大大提高了系统的测量 与控制精度，拓宽了仪表的应用范围。而智能仪表所特有的人机对话、数据通信、 故障诊断、掉电保护、大容量存储等功能更是常规仪表无法比拟的钔。 智能仪表是在常规仪表的基础上发展起来的，它融合了常规仪表涉及的技术 和微机技术、智能技术等现代技术。 智能仪表总体设计原则如下： ( 1 ) 硬件、软件协调优化设计方案 某些特定的子任务既可以靠硬件实现( 辅之以少量软件) ，也可以靠软件实现 ( 辅之以少量硬件) 。通过硬件、软件协调优化设计方案，是提高产品质量、性能， 降低产品成本的重要方法。一般来说，以硬件为主会使方案成本增加，但处理比 较及时，并可减轻微处理器负担；以软件为主的方案则能降低成本，但要把较多 的人力、时问投入到软件设计中。从可靠性指标来看，硬件越多，由器件、焊点、 接插件形成的潜在故障点就越多；而软件在排除故障以后，不会使可靠性随时间 的推移而降低。以往人们在智能仪表设计中，过多地着眼于硬件成本而尽量以软 代硬。随着l s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 芯片功能的增强，价格的下降，为 了加快产品的研制开发进度，这种情况正在发生变化。在处理实际问题时，究竟 哪些设计子任务应该以硬代软，哪些应该以软代硬，需作具体分析，不能一概而 论。但设计者至少应当明确，凡简单的硬件电路能解决的问题不必用复杂的软件 取代；反之，简单的软件能完成的任务也不必去设计复杂的硬件。此外还需注意 到硬件的成本( 主要是器件及印制板成本) 随产品批量的大小近似按线性变化， 而软件成本( 指开发过程中耗费的人力、时间等) 几乎是一次性投资。一个性能 良好的设计方案往往具有硬件、软件协调，“各尽所能 的特点。 ( 2 ) 设计自诊断与异常处理功能提高产品的可维护性 任何类型的仪表都不能保证使用过程中不出一点故障，故障的起因可能来自 外界条件( 如电源、工作环境、人为故障等) ，也可能出自设备本身( 如元器件失 效) 。微处理器进入仪表为及时发现和处理故障创造了条件，设计中应考虑相应的 措施充分利用它的功能。自诊断通常安排在开机时进行，对常年连续运行的仪表 则应定时重复进行自诊断操作。由于自诊断离不开微处理器，所以只能处理c p u 以外的局部性故障。对于全局性的故障往往要通过特殊设计的硬件电路或其他冗 第4 章智能仪表的硬件设计 余后备措施来对付。通常智能仪表结构总是比较复杂，测试维修要有相应的设备 和技术，使用户感到无能为力。为此，设计时要充分考虑用户的维修问题。例如， 对易损部件要提供便于更换的模块和备件，对关键性电路接点的信号电平与波形 要留有方便测试的探测点或接口，并要作详尽的描述与说明，编制用户使用手册、 维护指南等。 智能仪表的硬件设计通常包括专用微机系统、大容量存储器扩展，人机对话 接口、数据采集接口、过程控制接口等。各部分之间无论是采用合板还是采用分 板结构，都具有相对独立的功能，并且大多可以脱离软件提出基本的设计方案。 相反，对许多智能仪表来说，软件设计则常常要针对硬件来进行，原因在于智能 仪表软件的主要问题不是算法的问题而是程序实现的问题。同一硬件结构可以支 持不同程序而服务于同一任务，同一软件结构则很难在不同的硬件上运行，在这 一点上，品种繁多、功能各异的智能仪表与通用微机不同，从这个意义上讲，硬 件设计是智能仪表的基本设计内容1 1 5 1 。 4 1 专用微机系统的设计 智能仪表的专用微机包括单片机、时钟电路、复位电路、存储器及i o 口扩 展电路等。 4 1 1 单片机的选用 机型的选择首先是指选择c p u 型号。型号不同的c p u ，其字节长度、指令功 能及执行时间、寻址空间与存储器、i o 口扩充能力和中断能力、兼容芯片的品 种与价格等悬殊很大。 由于单片机片内资源丰富、体积小、功耗低、可靠性高、价格便宜，非常适 合于在小规模仪表中使用。实践表明，采用标准总线结构设计智能仪表，可以充 分利用已有的技术成果，降低硬件、软件投资，并能有效地缩短开发与生产周期。 5 1 系列单片机8 9 c 5 2 内有8 kf l a s hr o m 、2 5 6 字节的r a m ，能满足一般工业 过程控制的要求，也就是说不需要扩展外部r o m 与r a m ，也就不需要扩展i o 接 口，使设计变得简单，因此在本智能仪表的设计中选用5 l 系列的单片机8 9 c 5 2 。 4 1 2 时钟电路设计 时钟是c p u 定时的基准。设计时钟电路时必须参照所选择的微处理器对时钟 输入的具体要求。由于智能仪表通常要求c p u 具有稳定的工作频率，其时钟电路 通常采用石英晶体振荡器等元器件组成。对于由外部提供时钟输入的c p u ，多选 择数倍于所需频率的晶体振荡器，然后经过分频得到额定的频率。这种电路还兼 1 4 山东轻工业学院硕上学位论文 有提供高频辅助时钟、改善c p u 时钟对称性的功能。 为了简化时钟电路设计，对于某些系列的c p u 和单片机，应优先选用具有内 部时钟电路的品种，或优先选用专用时钟芯片。由于系统中其他接口芯片使用的 时钟往往直接或间接地与c p u 时钟有关( 如串行通信的收、发时钟，c r t 显示器 的点时钟) ，因此，设计时钟电路时还需考虑这些芯片的要求以及它们与c p u 时序 的配合问题。如果在数据采集和数据存储时要带有时标，可选用带万年历功能的 单片机1 6 】。 4 1 3 复位电路设计 复位是指通过硬件或软件实现c p u 及其他逻辑芯片与电路的初始化处理。系 统启动完成复位操作是必不可少的。除此以外，智能仪表往往需要通过按钮提供 手动复位功能。各种不同系列的c p u 及接口芯片所要求的复位电平及持续时间不 尽相同，应参照具体要求进行设计。有些现场运行的测控仪表在电源电压偏低或 掉电时，要求把数据保存在e 2 p r o m 或f l a s h 存储器中，并冻结c p u 的运行，以便 电源恢复时能自动启动。这样的掉电保护电路要和c p u 复位电路一起