（电力电子与电力传动专业论文）预测控制在碱回收蒸发工段中的应用研究.pdf

预测控制存碱同收蒸发丁段中的声用研究 a bs t r a c t b l a c kl i q u i dc o n t a m i n a t i o nc a u s t e db ya l k a l i n ep u l pg e t sal a r g ep r o p o r t i o ni n t h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e rp o l l u t i o n s o l v i n gt h ep o l l u t i o np r o b l e m si st h ef o c u so f p a p e ri n d u s t r yp o l l u t i o np r e v e n t i o n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r a c t i c es h o w s t h a t a l k a l ir e c l a i mi st h eb e s tt r e a t m e n tt ob l a c kl i q u i dr e c o v e r y , a n di ti st h em o s t e c o n o m i c a la n dm o s te f f e c t i v ew a y r e c o v e r yt e c h n o l o g yn o to n l yc a ne f f e c t i v e l y r e c o v e rt h ea l k a l i n ei nb l a c kl i q u i d ，b u ta l s om a k et h eu s eo fh e a tt h a tb l a c kl i q u o r b u r n st op r o d u c es t e a m s t e a ma n da l k a l ic a nr e t u r nt oo t h e rp r o d u c t i o np r o c e s s e s f o rp a p e ri n d u s t r y , w h i c hm a k e sg o o de 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 s o h o wt oe f f e c t i v e l ym a k et h ec o n c e n t r a t i o no fb l a c kl i q u i ds t a b i l ei st h em a i nt a s ko f t h ec o n t r o lo fp a p e rm i l l sr e c o v e r y t h i st h e s i si sb a s e do na u t oc o n t r o ls y s t e mo fa l k a l ir e c o v e r ye v a p o r a t i o n s e c t i o n t h ee x i s t i n gm a t u r es o l u t i o n sa r ed i s c u s s e da b o u te v a p o r a t i o np r o c e s s t h r o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，c o n t r o lp r o c e s sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t so f e v a p o r a t i o na r eu n d e r s t a n d e db e t t e r t h ei n t r o d u c t i o no fp r e d i c t i v ec o n t r o la n dp i d c o n t r o lm e t h o dl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h ec o n t r o l l e rd e s i g n t a k i n gi n t ot h ef a c tt h a tb l a c kl i q u o rc o n c e n t r a t i o ni sn o n l i n e a r ，l a r g ed e l a y , d e l a yo f s e x u a la n do t h e rc o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c s ，d e t a i l e da n a l y s i sa r em a d et ot h e r e l a t i o n s h i pa m o n gb l a c kl i q u o rc o n c e n t r a t i o n ，v a p o rp r e s s u r ea n db l a c kl i q u o r f l o w w i t ht h es p e c i f i cc o n d i t i o n sa n dr e q u i r e m e n t s ，t h ed m c p i dc a s c a d ec o n t r o l s t r a t e g yi sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h ec o n c e n t r a t i o no ft h eb l a c kl i q u o r s o l u t i o n c o n t r o l l e rs t r u c t u r ei sm a d eu po fo u t e rl o o pc o n t r o l l e rd m ca n di n n e rl o o p c o n t r o l l e rp i d d m ca d j u s t st h ec o n c e n t r a t i o no fb l a c kl i q u i da n dc o m p l e t et h e t a s ko ff i n e - t u n i n gw h i l ep i ds t e a mp r e s s u r ea n dr o u g ht u n e c o n c e n t r a t i o n r e g u l a t o rh a si t so w ni n d e p e n d e n ts e t t i n g s ，w h o s eo u t p u ti st h es e t t i n g so fs t e a m p r e s s u r er e g u l a t o r t h ev a l u eo ft h ep r e s s u r er e g u l a t o rc o n t r o lt h ep r o d u c t i o n ， w h i c he n s u r e st h ep a r a m e t e rm e e t st h er e q u i r e m e n t s t h es y s t e mh a sb e e nu s e di np a p e rm i l l sr e c o v e r yc o n t r o ls y s t e mi nt h ee n d ， w h i c hs u c c e s s f u lr e l i z e sc o n t r o ls y s t e mf o rr e m o t em o n i t o r i n g ，t h ed a t as t o r a g ea n d m a n a g e m e n t r e a l - t i m ec o n t r o lc u r v ep r o v e so n c ea g a i nt h a t t h en e wc o n t r o l a l g o r i t h mi n t h i sp a p e ri sf e a s i b l e i ts i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h ee f f e c to ft h e c o n c e n t r a t i o no fc o n t r o l ，a n dh a sp r o m o t i o no ft h ev a l u eo fab r o a di np r a c t i c e k e yw o r d s ：a l k a l ir e c l a i m ；p r e d i c t i v ec o n t r o l ；e v a p o r a t i o ns e c t i o n ；m o n i t o r i n g s y s t e m ；p l c ；w i n c c i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 外：人月5 rj ：i i l j j ：所。 交的沦义足小人“导! j f l j f 内指导i 、独、，：进ij ：研究所 以彳l “i n ) 与a 的偏差及与设定值的偏差和测 量误差有相同的数量级。因而可认为a 已近似等于阶跃响应的稳态值a ，= 日 ) 。 这样，装置的动态信息就可以近似地用有限集合 a ，a ：，a 加以描述，即构成 了d m c 的模型参数，向量口= k ，口2 ，一，口r 称为模型向量，n 则称为建模时域。 虽然阶跃响应是一种非参数模型，但由于线性系统具有比例和叠加性质，故 利用模型参数a ； ，已足以预测装置在未来的输出值。在k 时刻，假定控制作用 保持不变时对未来n 个时刻的输出有初始预测值兑( 尼+ 啦) ，江l ，则当k 时 刻控制作用有一增量h u ( k ) 时，即可算出在其作用下未来时刻的输出值： 歹1 ( k + i l k ) = 兑( 尼+ f l 尼) + a t a u ( k ) ，f = l ，n ( 3 7 ) 同样，在m 个连续的控制增量a u ( k ) ，a u ( k + m 1 ) 作用下未来各时刻的输 出值： m 叫m ，f ) y m ( k + i k ) = y o ( k + i l k ) + 口+ lx a u ( k + j 1 ) ，f = 1 ，n ( 3 8 ) 。 j = l 其中，y 的下标表示控制量变化的次数，尼+ i l k 表示在k 时刻对k + l 时刻的预 测。显然，在任一时刻k ，只要知道了对象输出的初始预测值兑( k + i l k ) ，就可以 根据未来的控制增量由预测模型( 3 8 ) 计算出未来的对象输出。在这里，式( 3 7 ) 只是预测模型( 3 8 ) 在m = i 情况下的特例。 3 4 2 滚动优化 在每一时刻k ，要确定从该时刻起的m 个控制作用增量 a u ( k ) ，, a u ( k + m 1 ) ，使被控制装置在其作用下未来p 个时刻的输出预测值 2 4 硕l j 学伊论文 ) 3 m ( 后+ i l k ) 尽可能接近给定的期望值( k + i ) ，i = l ，p ，如图3 9 。这旱，m 、p 分 别称为控制时域与优化时域。为了使问题有意义，通常规定m p n 。 儿0 + p k ) 八v j k + m七+ p 控制时域 u ( k + 1 j t ，t t t k 七+ m| j + p 图3 9 动态矩阵控制的优化策略 控制过程中一般不希望控制作用增量a u ( k ) 变化过程剧烈，这一因素可在优 化性能指标中加入软约束予以考虑。因此，k 时刻的优化性能指标可取为 p肼 m i n j ( k ) = q i c o ( k + i ) - ) 3 肼( 尼+ 桕】2 + r j a u 2 ( 后+ 一1 ) ( 3 9 ) i = 1 j = l 其中g ，是权系数，分别表示对跟踪误差及控制量变化的抑制。 在不考虑约束的情况下，上述问题就是以a u ，( k ) = “( 尼) ，a u ( k + m 1 ) 】r 为 优化变量，在动态模型( 3 8 ) 下使性能指标( 3 9 ) 最小的优化问题。为了求解 这一优化问题，首先可利用预测模型( 3 8 ) 导出性能指标中的多与“的关系， 这一关系可用向量形式写成： 3 p m ( k ) = 多尸d ( 后) + a a u 肼( k ) ( 3 1 0 ) 其中 夕删。尼，：r 多肘( 七i + 1 l 尼 ， i - 3 m ( 后+ 纠尼) j夕p 。c 尼，= r ) 3 夕o 。( ( k 后+ ，f l l - j ，彳= 夕p o ( 尼) = l ： i ， 彳= 这里，a 是由阶跃响应系数a i 组成的p m 阵，称为动态矩阵。式中向量夕的前一 个下标表示所预测的未来输出的个数，后一个下标表示控制量变化的次数【29 1 。 同时，性能指标( 3 9 ) 也可写成向量形式： q ；郎 r 吼i 9 0 十今带1 j n + 研t i n i ? 嘿段tf 父甲的j 、jj fj 们1 了e m i n j ( k ) = 忱( 尼) 一夕删( 矧j + a u 肘( 酬： ( 3 1 1 ) 其中： 缈p ( 尼) = o j ( k + 1 ) ，c o ( k + 尸) 】7 ，q = d i a g ( q l 一，q p ) ，r = d i a g ( r t ，r m ) 由加权系数构成的对角阵q 、r 分别称为误差加权矩阵和控制作用加权矩阵。 以式( 3 10 ) 代入式( 3 1 1 ) ，在k 时刻，缈，( 尼) 、夕，。( 尼) 均为已知，使j ( k ) 对 a u m ( k ) 取极小，可通过极值必要条件d j ( k ) d a u m = 0 求得 a u 肘( 尼) = ( a7 幽+ r ) 。1 a7 q 缈p ( 尼) 一多| p o ( 尼) ( 3 1 2 ) 它给出了“( 尼) ，a u ( k + m 一1 ) 的最优解。但d m c 并不把它们都当作应实现的解， 而只是取其中的即时控制增量a u ( k ) 构成实际控制u ( k ) = u ( k 一1 ) + a u ( k ) 作用于对 象。到下一时刻，它又提出类似的优化问题求出a u ( k + 1 ) 。这就是所谓“滚动优 化”的策略。 根据式( 3 1 2 ) ，可以求出 a u ( k ) = c7 a u 肘( 七) = d r c o p ( 尼) 一多j d o ( 厅) 】 ( 3 13 ) 其中，p 维列向量 d7 = c7 1 ( 么7 q a + 尺) 一1 a7 q( 3 1 4 ) 记作 d 。d 。】称为控制向量。m 维行向量c r = 【10 o 】表示取首元素的运 算。一旦优化策略确定( 即尸、m 、q 、r 己定) ，则d r 可由式( 3 1 4 ) 一次离 线算出。这样，若不考虑约束，优化问题的在线求解就简化为直接计算控制律 ( 3 1 3 ) ，它只涉及到向量之差及点积运算，因而是十分简易的。 3 4 3 反馈校正 当k 时刻把控制u ( k 1 实际施加于装置时，相当于在装置输入端加入了一个幅 值为a u ( k ) 的阶跃，利用预测模型式( 3 7 ) 可算出在其作用下未来时刻的输出预 测值 夕l ( k ) = 夕o ( 尼) + a a u ( k ) ( 3 1 5 ) 实际上就是式( 3 7 ) 的向量形式，其中维向量“。( 尼) 和夕。( 尼) 的构成及含义同 前述相似。由于夕，( k ) 的元素是未加入a u ( k + 1 ) ，a u ( k + m 一1 ) 时的输出预测值， 故经过移位后它们可以作为k + l 时刻的初始预测值进行新的优化计算。然而，由 于实际模型失配及环境干扰等影响，由式( 3 1 5 ) 给出的预测值有可能偏离实际 值。为此，在d m c 中，到下一采样时刻首先要检测装置的实际输出y ( k + 1 ) ，要 把它与由式( 3 1 5 ) 算出的模型预测输出夕。( k + l l 后) 相比较，构成输出误差 e ( k + 1 ) = y ( k + 1 ) 一夕l ( k + lk ) ( 3 1 6 ) 这一误差信息反映了模型中未包含的不确定因素对输出的影响，可用来预测 未来的输出误差，以补充基于模型的预测。由于对误差的产生缺乏因果性的描述， 故误差预测只能采用时问序列方法，例如，可采用对采用对e ( k + 1 ) 加权的方式修 i 页卜7 ：1 守论文 正对未来输出的预测 多。( 尼+ 1 ) = 夕l ( k ) + h e ( k + 1 ) ( 3 1 7 ) 其中 夕。( 尼+ 1 ) = p 0 0 , ( k + 1 k + 1 ) ，多。( 尼+ n i k + 1 ) 】7 为校正后的输出预测向量： h = l 一，h 】7 为权系数组成的维校正向量。 在k + 1 时刻，由于时间基点的变动，预测的未来时间点也将移动到 k + 2 ，k + l + 。因此多。( k + 1 ) 的元素还需要通过移位才能成为k + l 时刻的初始 预测值 多o ( 尼+ 1 + f 陋+ 1 ) = 多，( 尼+ l + f i 忌+ 1 ) f = l ，n - 1 ( 3 1 8 ) 而多o ( 七+ 1 + n i k + 1 ) 由于模型的截断，可由夕。( 尼+ nk + 1 ) 近似。这一初始预测值的 设置可用向量形式表示为 夕 ，o ( 尼+ 1 ) = 黟。，( 尼+ 1 ) ( 3 1 9 ) 其中s = o1 o 0 ol o1 为移位阵。 有了多。( 尼+ 1 ) ，又可像上面那样进行k + 1 时刻的优化计算，求出a u ( k + 1 ) 。 整个控制就是以这种结合反馈校正的滚动优化方式反复地在线进行，其算法结构 可如图3 1 0 所示。 垫鲤上委婴! j 咎丐j 图3 1 0 动态矩阵控制 由图3 1 0 可见，d m c 算法是由预恻、控制、校正三部分构成的。图中粗箭 头表示向量流，细箭头表示纯量流。在每一采样时刻，未来p 个时刻的期望输出 国，( 七) 与初始预测输出多p o ( 七) 构成的偏差向量同动态控制向量d 7 1 点乘( 见式 ( 3 1 3 ) ) ，得到该时刻的控制增量a u ( k ) 。这一控制增量一方面通过数字积分( 累 2 7 伸! 河1 ：；1 , 1 i ，l 耻i 【阪謦段t 生一 j j7 、；jj i 】硼i j ( 加) 运算求出控制量u ( k ) 并作用于对象，另一方面与模型向量a 相乘并按式( 3 15 ) 计算出在其作用后的预测输出多。( k ) 。到下一采样时刻，首先检测对象的实际输 出y ( k + 1 ) ，并与预测值夕。( k + 1 i 七) 相比较后按式( 3 16 ) 构成输出误差p ( 尼+ 1 ) 。这 一误差与校正向量h 相乘作为误差预测，再与模型预测一起按式( 3 17 ) 得到校 正后的预测输出夕。( 尼+ 1 ) ，并按式( 3 1 9 ) 移位后作为新的初始预测值n o ( 忌+ 1 ) 。 图3 1 0 中，z 1 表示时间基点的记号后推一步，这样等于把新的时刻重新定义为k 时刻，整个过程将反复在线进行。 d m c 的算法实现：由于d m c 是一种基于模型的控制，并且应用了在线优化 的原理，与p i d 算法相比，显然它需要作更多的离线准备工作，这主要包括以下 三个方面： ( 1 ) 检测对象的阶跃响应并经处理及模型验证后得到模型系数a f ，一，a 。模型 的动态响应必须是光滑的，测量噪声和干扰必须滤除，否则会影响控制质量甚至 造成不稳定。 ( 2 ) 利用仿真程序确定优化策略，并根据式( 3 1 4 ) 算出控制系数d 1 ，一，d 。 ( 3 ) 选择校正系数h 1 ，一，h 。 这三组动态系数确定后，应置入固定的内存单元，以便实时调用。 d m c 的在线什算由初始化模块与实时控制模块组成。初始化模块是在投入运 行的第一步检测对象的实际输出y ( k ) ，并把它设定为预测初值成( 尼+ i k ) ， 待1 ，。从第二步起即转入实时控制模块，在每一采样时刻的在线计算流程可 见图3 1 l ，其中对未来输出的预侧值只需设置一个维数组y ( i ) ，流程图中的算式 依次对应于式( 3 1 6 ) ，式( 3 1 7 ) ，式( 3 1 9 ) ，式( 3 1 3 ) ，由增量计算控制量和 式( 3 1 5 ) 。 检测实际输 1 y 并计算误差y 一乃一e l 预测值校正夕( f ) + 啊p - - i t 夕( 也i = 1 ，n l 多位设置该时刻初值多( f + 1 ) _ 多( n i = 1 ，n 一1 0 p 计算控制增量4 陋一夕( f ) 】一a u ，= l 0 计算控制量并输出“+ a u “ l 计算输出预测值多( f ) + aa u 一多( j ) ，i = l ，。n 图3 1 1 动态矩阵控制的在线计算流程 值得注意的是，在上图中，设定值缈是定值并事先置入内存。若需跟踪时变 硕十学伊论文 的轨线，则还应编制一设定值模块，以在线计算每一时刻的期望值c o ( i ) ，f _ 1 ，p ， 并以此代替流程图中的c o 。 3 5 小结 由于多效蒸发器具有容量大，滞后时间长等特点，利用常规的单回路p i d 控 制，其控制质量差，很难达到预期的效果。在此采用串级控制，即把黑液浓度调 节回路与新鲜蒸汽进效流量调节回路组成串级调节系统。本章首先介绍了当前成 熟使用的黑液浓度控制方法，分为浓度压力控制，改进型浓度压力控制，浓度流 量控制和改进型浓度流量控制。 对于黑液浓度的控制，由于多效蒸发器具有热容量大，滞后时间长等特点， 利用传统p i d 控制，控制质量差，很难达到预期的效果，而将预测控制由于其自身 的特点，应用于此系统中可以很好的解决这一问题。因此，本论文选择预钡i j p i d 串 级方式来对浓度进行控制。 预测p i d 控制器结构由两部分组成，常规的p i d 控制部分和预测控制部分。 由于真个黑液浓度调节过程呈现为纯滞后加惯性的动态环节，而蒸汽压力调节部 分只包含了其中纯滞后和时间常数较小的部分，所以一般采用pi 调节器，即可 得到快速的响应。这不但有利于减小干扰引起的偏差幅值，而且也有利于主回路 控制的设计。主回路控制采用d m c 算法，主要目的在于获得良好的跟踪性能并 对模型失配有较强的鲁棒性。副回路的动态响应将更快，所以主要影响广义对象 特性的将是主对象黑液浓度。它有较大的纯滞后，并且有较大的时间常数，因此 采用具有预测功能的d m c 控制显然比p i d 控制更为有利，并可获得较好的跟踪 性能。由于主要干扰的影响经副回路控制后已大为减弱，在主回路中可以认为是 广义对象的模型略有失配，因此主回路中校正策略的选择可主要考虑增强控制的 鲁棒性。 2 9 预测杯滞0 仃碱| 【j i 收蒸发t 段巾的膨用研究 第4 章蒸发工段监控系统设计 系统采用工业界目前广泛使用的的d c s 系统，遵循“集中管理，分散控制， 数据共享”的原则，满足控制系统运行管理和安全生产的要求，即生产过程自动 控制、自动调节、自动报警、提高运行效率、降低运行成本、减轻劳动强度，并 对造纸厂内各系统工艺流程中的重要参数、重要设备等，进行计算机在线实时监 控，从而确保达到控制要求，整个系统安全稳定的生产运行。 4 1 集散控制系统基本结构 对用户来说，实现现地监控系统功能的关键还是软件。尽管集散控制系统的 种类和制造厂商繁多，控制系统软、硬件功能不断完善和加强，但从系统的结构 分析，它们都是由过程控制站、操作站和通信系统三部分组成。 ( 1 ) 过程控制站。过程控制站由分散过程控制装置组成，是集散控制系统与生 产过程之间的中转站。它的主要功能是过程控制，生产过程的各种过程变量通过 分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控 制装置送到执行机构。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换， 完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运 算。其结构具有如下特征：需适应恶劣的工业生产过程环境；分散控制；实时性 强；独立性高。目前的集散过程控制装置由多回路控制器、多功能控制器、可编 程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。它相当于现场控制级和过程控制装置级， 实现与过程的连接【30 1 。 控制柜外壳均采用金属材料制作，同时必须要求可靠的接地，以保证为内部 的电子设备提供完善的电磁屏蔽效果，防止电磁干扰。必须要为其提供稳压电源 j i u p s 的供电方式，以保证控制柜内的交流用电设备获得稳定无干扰的供电电源， 并且当外电断电后仍能通过u p s 保证控制系统不停止运行。高位的控制器使得数据 处理能力大大提高，并且可以执行复杂先进的控制算法。数据采集装置主要完成 现场数据的采集。为了防止信号干扰，每个模拟量输入通道设置信号调理及隔离 电路3 1 1 。 ( 2 ) 操作站。操作站由操作管理装置，如由操作台、管理机和外部设备( 如打印 机、拷贝机) 等组成，是操作人员与集散控制系统之间的界面，相当于车间操作管 理级和全厂优化与调度管理级，实现人机接口。它的主要功能是集中各分散过程 控制装置送来的信息，通过监视和操作，把操作和命令下送各分散控制装置。信 息用于分析、研究、打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据。其基本特征 3 0 硕十。7 ：伊论文 是信息量大；易操作性；容错性好。 操作员站主要是为现场控制站提供操作员接口，并提供现场数据显示，历史 曲线趋势显示、报警处理及系统管理访问等功能。工程师站是一个高级系统，管 理现场控制站或对直接相连的输入输出设备实现数据采集、控制和相关状态进行 监控，并完成系统应用数据的获取以及大范围内的应用程序的处理、文件服务、 图像和文本显示、局域网及广域网上的接口通讯。 ( 3 ) 通信系统。集散控制系统要达到分散控制和集中操作管理的目的，就需要 使下一层信息向上一层集中，上一层指令向下一层传送，级与级或层与层之间进 行数据交换，这都靠计算机通信网络来完成。通信系统是过程控制站与操作站之 间完成数据传递和交换的桥梁，是集散控制系统的中枢。通信系统常采用总线型、 环型等计算机网络结构，不同的装置有不同的要求。有些集散控制系统在过程控 制站内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通信系统，有些集散控制系 统产品则在操作站内增加了综合管理级的控制装置和相应的通信系统。与一般的 办公或商用通信网不同，计算机通信系统完成的是工业控制与管理，具有如下特 点：实时性好，动态响应快，可靠性高，适应恶劣的工业现场环境，开放系统互 联和互操作性。开放系统的互连，使其他网络的软件能够很方便的在系统所提供 的平台上运行，能够在数据互通基础上协同工作，共享资源，使系统的互操作性、 信息资源管理的灵活性和更大的可选择性得到增强【3 2 1 。 通讯网络是d c s 系统的支柱，执行分散控制的各单元以及各级人机接口要靠 通讯网络连接成一体。为了保证d c s 系统正常、高速运行，通讯网络应当具有较 好的实时性、高可靠性及适合在恶劣环境下工作的特性。根据d c s 系统的分层特 性，通讯网络一般也可分为：现场控制级、过程管理级以及决策管理级等。由于 系统中大多数数据都只需要在底层现场控制级网络中传输，只需通过上层网络传 输少量数据，因此，在设计d c s 系统通讯网络时，可以根据每一层网络的不同特 点选择合理的网络类型和通讯协议，在满足整个网络通讯实时性与可靠性的基础 上最大限度的降低成本。 4 2 控制系统硬件设计 4 2 1 控制系统网络结构 碱回收自动控制系统包括蒸发工段监控系统，燃烧工段监控系统，苛化工段 监控系统，通过通讯网络全部集中在厂调度中心。碱回收控制系统主要具有以下 特点： ( 1 ) 各生产工艺段相对独立，单体设备多。 ( 2 ) 采集的数据量大，整个系统共有数字量输入输出超过1 0 0 路，模拟量输入 3 l 输出超过l0 0 路，且工艺参数种类多，包牺流景、温度、差城、液似、电流等。 f 3 1 自来碱回收具有连续性、不可替代性和不l 铷断性。 f 4 1 各工艺段距离远，设备分散组网相对复杂。 凼此必须设定可靠的系统m 络结构，柬完成控制要求。 控制系统的通信网络是将上位机监控系统和下位机p l c 控制系统联系起柬 的介质，通信网络的可靠性、快速性直接关系到整个系统的运行状况和控制功能 所以劂络的选择和建立对碱回收控制系统的l f 常高教运行相当关键。根据工艺特 点和管理的需要，为r 满足全厂监控联网需求，系统采用了m 般层式控制网络，如 图4 l 所示( 1 ”。 _i _ 一= i 1 一。 穗璺露丽辑商屏t _ ii 蒸发工段监控站 燃烧工段监控站苛化l 段监控站 围4 1 控制系统结构图 符瑾衄 m 场缎 第一层管理级网络为以太网，实现调度中心与工程师站之间的通讯。调度中 心使用t c p i p 协议通过以太刚访问t 程师站，主要用于全厂范围控制系统的数 据汇集和监控，特点是数据量大而实时性要求不高，传输速度为1 0 0 m b p s 。各工 程师站和操作员站都是挂在以太网上，通过以太网与调度中心进行通信，根据造 纸厂信息系统的相关规定和要求，配置嘲络设备的i p 地址和子网。i p 地址必须 保持不冲突，以防在同一网段使网络不能正常工作”“。 第二层现场级网络为p r o f i b u s d p ，是一个令牌网络，一个网络中有若干 个被动节点( 从站) ，而它的逻辑令牌含有一个主动节点( 丰站) ，这样的网络为纯毛 从系统。p r o f i b u s d p 用于传感器及驱动器级的高速数据传送。在这一级，控 硕f j 学伊沦文 制器如p l c 通过高速串行线同分散的外设交换数据。同这些分散的外设的数据交 换是周期性的。中央控制器( 主站) 读取设备的输入信息并发回输出信息。 现场控制站与智能i o 模块之问的通讯和对现场信号的控制，连接分散的从 站。现场控制从站通过e t 2 0 0 m 通讯模块接入p r o f i b u s d p 总线，用来实现过 程模块与现场控制站主控单元的通信，完成实时输入、输出数据的传送。用p l c 采集温度、压力、液位、流量等模拟量信号和电磁阀的反馈信号，并输出对温度、 压力、液位、流量等控制信号。从站主要采集电机电流，转子电流等模拟量信号 和电磁阀的故障、状态等数字量信号，并输出对电磁阀启停等控制信号。 所有控制画面及各种参数都可在相应的工程师站和操作员站显示，每台工程 师站和操作员站可根据设定权限对单元设备进行控制。主站与分布式i o 及 e t 2 0 0 m 从站之间采用标准的p r o f i b u s d p 网络通讯，其通讯速率为1 5 m b p s ， 可传输最大距离为1 2 0 0 m 2 1 】【2 2 1 。 通过上位机与主控设备，实现对工业现场的实时监视和控制，并使整个控制 系统的通信网络兼具了p r o f i b u s d p 高速数据传送和e t h e r n e t 向企业管理层拓 扑便利的优点。采用这样的网络结构，保证了信号传输安全高速，节约硬件和安 装费用还充分利用了局域网的资源，实现了厂区范围内生产状况的实时监视【34 1 。 4 2 2 系统硬件设计 可编程控制器是集微机技术，自动化技术，通讯技术于一体的通用工业控制 装置。随着微处理技术的发展，可编程控制器也得到了迅速发展，不但以其良好 的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体， 使其更加完备。作为传统主流控制器的p l c ，拥有稳定性好、可靠性高、逻辑顺序 控制能力强等优点，在自动化控制领域具有不可替代的优势。因此，考虑到碱回 收现场的恶劣环境，选择了西门子公司s 7 系列的可编程序控制器，该型号的可编 程序控制器具有如下的特点： ( 1 ) 内容丰富，指令集功能强的，指令处理时间极短，可确保程序的快速运行； ( 2 ) 软件参数化，无须硬件开关跳线； ( 3 ) 无风扇运行，集中式和分部式信号模块热插拔； ( 4 ) 具有强大的通讯能力：通过集成通讯接口或者扩展的通讯模块，可以建立 复杂的自动化网络；集中式配置可达1 0 2 4 个i o ，分布式配置可达1 6 3 8 4 个i o ； ( 5 ) 所有项目数据，包括程序原代码和用户专用数据存储在c p u 中； ( 6 ) 集成模块诊断功能，选用有源背板总线实现热插拔功能； ( 7 ) 通过网络和点到点连接进行通讯； 3 3 颅删拧制仃碱川收? 嘿段t 段中的m 川硎了e ( 8 ) 多种c p u 型号满足不同的性能要求j 。 据碱回收控制系统的工艺流程，蒸发工段的输入和输出点数统计如下： 数字量输入6 4 ，数字量输出4 8 ，模拟量输入7 5 ，模拟量输出5 l ，热电阻2 8 ， 其中包含了2 0 的余量。 本项目中为保证系统可靠性，整个d c s 系统的核心单元选用s 7 3 0 0p l c ， 它是整个控制系统的控制中心，主要用于实现现场设备运行状况监测、数据采集 及处理、阀门控制、通讯控制、电气设备开关控制及参数调整等。s 7 3 0 0 是全集 成的自动化控制系统，通过集成的数据管理、集成的通讯和集成的编程组态三项 核心技术，为用户提供优化、集成的产品和方案，使用户拥有简单便捷的操作和 维护环境。无论是系统模块，还是网络通讯模块都能满足碱回收控制系统的操作 和功能的要求【1 2 1 。 模块功能简介如下： ( 1 ) 电源模块( p s 3 0 7 ) ：用于提供2 4 v ，5 a 直流电源，分别给c p u 和i o 模块 供电，使其j 下常工作。 ( 2 ) 中央处理单元( c p u ) ：c p u3 1 5 2p n d p 具有很广泛的使用基础，程序容 量属大中规模，对二进制和浮点数有较高的处理性能。运行时需要m m c 卡( f l a s h e p r o m 微存储卡) ，用来扩展c p u 的存储容量和断电时保护程序及数据。具有 m p i ，p r o f i b u s d p 主从接口，可以用于建立分布式i o 结构和大规模i o 配 置，并且可以通过c p 通信模块来扩展其d p 接口。以及一个以太网p r o f i b u s 接口，用以连接以太网，实现上位机和下位机的通讯【l9 1 。 ( 3 ) 信号模块( s m ) ：连接p l c 和外部设备的接口模块，这个模块主要是对输 入或输出信号进行相应的转换、处理，数据传输到c p u 模块进行处理。 数字量输入输出模块：在控制系统中，数字输入信号用于采集电机、控制阀 及其它执行元件的开、关反馈信号；数字输出信号用于驱动电磁阀，电机及其它 控制元件和负载【3 5 】。 模拟量输入模块：模拟输入模块用来连接外部的变送器或智能仪表，如液位 计、流量计、p h 计等，它用于将模拟量信号转换为c p u 内部处理用的数字信号。 在本设计中，模拟量输入信号都选用4 - 2 0 m a 标准信号。所选模块有四个量 程标记( 每个标记控制两个输入通道) ，都设置到d 位置，组态时需要对每一通道 类型进行设置。精度采用默认值1 2 位，采样频率设为5 0 h z ，当改变信号量类型 时，可另进行设置。量程卡的标记定义如图4 2 所示。 硕十一：伊论文 量程卡位置测量方法量程类别 a 电压+ 1 0 0 m v 4 b 电压 + 1 0 v4 c2 线式电流4 2 0 m a5 d 4 线式电流 4 2 0 m al 图4 2 量程卡标记说明 模拟量输出模块：模拟量输出模块用于将c p u 送给它的数字信号转换为成比 例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制；模拟量输出有电压和电 流两种形式，并有多种标准量程可供选择。 ( 4 ) 通讯处理器：网络通讯模块( c p 3 4 3 7 ) ，可将p l c 系统连接到工业以太网； 远程i o 接口模块( i m l 5 3 ) ，可将e t 2 0 0 m 远程i o 机架通过p r o f i b u s d p 现场 总线连接到c p u 的d p 口。 此外，简单介绍下使用的仪表。本黑液浓度软测量技术是在测量各效蒸发器 中黑液沸点t 和二次蒸汽压力p 的基础来预测黑液浓度的，因此黑液浓度是主变 量，黑液沸点t 和二次蒸汽压力p 是二次变量，用于i 效蒸发器的铂热电阻的型 号为w z p 2 31 ，p t ：1o o ，l ：4 5 0 * 3 0 0 ，用于其余各效蒸发器的型号为w z p 2 31 ， p t 1 0 0 ，l ：2 5 0 1 0 0 ，各铂热电阻配有温度变送模块，接线均为两线制，向下位 机p l c 输送4 2 0 m a 标准电流信号。 i 、i i 、i i i 效蒸发器所用的变送器为压力变送器，i 效所用压力变送器型号 为w t l l 5 l g p 6 s 2 2 m 3 8 3 o 0 6 m p a ，i i 效型号为w t l l 51g p 6 s 2 2 m 3 8 3 0 0 2 m p a ， i i i 效型号为w t l l 5 t g p 5 s 2 2 m 3 8 3 o 0 1 m p a ，i v 、v 效蒸发器所用的变送器为差 压变送器，效所用型号为w t l l5 1d p 5 s 2 2 m 3 8 3 5 0 5 0 k p a ，v 效所用型号为 w t l l 5 1 d p 5 s 2 2 m 3 8 3 1 0 0 5 0 k p a ，这些变送器均由上海威尔泰工业自动化股份有 限公司生产，接线均为两线制，向下位机p l c 输送4 - 2 0 m a 标准电流信号。 4 3 控制系统软件设计 在碱回收控制系统中，实现对黑液浓度、黑液温度、蒸汽压差、黑液流量等 参数的实时监控，对于提高碱回收控制系统的效率来说是非常重要的，因此需要 对其采用合理、高效的控制程序。 3 5 预测拧制仃碱川收燕发t 段巾的j 、j 明f 究 4 3 1 编程软件s t e p 7 软件介绍 s t e p 7 是s i m a t i c 控制器中使用最为广泛的产品之一，它己成功地用于自 动亿领域。s t e p 7 的重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的 自动化平台。即s t e p7 是用于集中式和分布式结构的良好解决方案。s t e p7 能 够完成高效率的组态和编程，从而大幅度地降低正程成本。此外，集成的高性能 系统诊断功能可保证控制器的高效可用，显著提升生产率。为了减少停机时间， 增加产量，提供可组念的过程诊断，以用于分析和排除过程故障。s t e p7 是一种 低成本、高效率的p l c 编程软件，结合s 7 3 0 0 就可以完成独立的工业应用。总 的来说，s t e p 7 编程软件具有下列特点： ( 1 ) 一个独立的编程工具，用于过程控制站程序组态； ( 2 ) c p u 状态查询及诊断功能； ( 3 ) 图形化的网络系统组态方式； ( 4 ) 变量符合表示； ( 5 ) 图形化的编程界面，支持下列编程语言：功能块图表f b d 、语句表s t l 、 梯形逻辑图l a d 、其他编程语言作为可选软件包提供； ( 6 ) 采用项目树结构管理程序； ( 7 ) 变量与标签名可以很方便在编程器中查询，同时具有交叉参考帮助功能： ( 8 ) 一个集成在线帮助功能； ( 9 ) 可将程序文件备份至操作员站。 过程控制功能组态有以下三种： ( 1 ) 功能块图编辑。f b d 是一种图形化的编程语言，用于回路与逻辑控制。 ( 2 ) 指令表组态。所有的s t e p 7 控制功能均可以使用指令列表进行编辑。指令 表可以使用转移指令和回路子程序编程操作指令和数据进行输入。 ( 3 ) 梯形图组态。与f b d 类似，梯形图也是图形语言的一种。梯形图语言遵 循传统的结点和继电器逻辑控制，电流线用于连接逻辑电路，一系列的元件在梯 形图中支持。本课题的预测控制程序代码采用s t e p 7 的梯形图指令表来组态实现 的。这三种功能组态均可在一个项目中同时使用，切换十分方便。 4 3 2 硬件组态 打开s t e p7 软件，创建一个工程项目，名称为：i i a n h u i s h o u ，接下来进行硬件 组态。 s t e p7 组态过程分为硬件组态和生成程序。一般在创建项目后，先组态硬件， 然后生成程序。在s t e p 7 的硬件组态中选择c p u 型号和搭建网络，然后在相应的机 架上选入所用模块类型并设置信号类型。例如，先选择导轨( u r ) ，依次配置电 源模块，c p u 模块，信号模块等。根据上一章节所确定的各模块型号，在硬件网 3 6 络中选择相应的模块，如图43 所示。 井殴置好通信地址。最后保存并组态 然后选择好通信方式，这罩是p r o f i b u s 查询是古合理。 骶黑曙粤爨警翳嘉2 2 “ 兰兰兰! 旦旦二皇苎旦兰l 眶 | | 蕤露藿 一鐾 k 一” 图43p l c 构成框图 程序生成叮以与w i n c c 组态同步，最终将程序传送到c p u 进行调试，s t e p 7 还可以独立调试，即用其内部的变量表进行变量监控。 4 3 3 系统程序设计 针对碱回收工艺流程的特点，为每个工段编