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水力式流浆箱控制系统的研究及实现 摘要 本文是在西安市科技计划项目( 创新支撑计划) “工业领域智能控制系 统及仪器的开发研究新型水力式流浆箱控制系统的研发”( 编号：c x y 0 8 0 1 2 ) 的资助下完成的。针对国内传统流浆箱适应车速低、匀浆效果差等 问题，剖析了目前较为先进的水力式流浆箱的结构及作用机理，提出了一套 全面、高效的系统控制方案，并给出了控制系统的p l c 实现。这一方案不 但具有重要的理论意义，而且对水力式流浆箱的控制及实现都具有较大的指 导作用。本文的主要贡献是： ( 1 ) 水力式流浆箱的结构研究与控制方案设计 剖析了水力式流浆箱的结构，对布浆器、稀释水调节技术、整流及喷浆 上网等工艺与技术作了概括。在分析了影响水力式流浆箱稳定运行的各种干 扰因素的基础上，提出了一套较为完整的控制方案：采用脉冲衰减器消除脉 冲压力的波动，建立起温度补偿控制系统来控制温度，并采用变频调节技术 来控制总压和液位，从而控制纸张纵向定量，并获得适当的纸浆流域；而对 横向定量的控制，采用稀释水调节技术，并借助零差压控制，保证纸机横向 布浆均匀。此外，对唇板位置进行控制，直接影响喷浆的角度和落浆点。 ( 2 ) i m c p i d 控制器的设计 在研究常规p i d 、内模控制器各自特点的基础上，提出了一种基于内模 控制思想的p i d 参数整定方法。它仅有一个整定参数，且参数调整与系统 动态品质和鲁棒性的关系比较明确。将所设计的控制器应用到水力式流浆箱 总压控制中，借助m a t l a b 工具箱进行仿真研究，并对仿真进行了分析， 结果表明该控制器具有常规p i d 的优点，对于大纯滞后系统能够较好地工 作，证明了所给算法的有效性。 ( 3 ) 控制系统实现 根据本文提出的控制方案，对本控制系统的硬件，包括液位、压力、温 度变送器，变频器与执行机构等进行了选型，并对硬件特性作了简要说明。 根据工艺要求，结合项目实施需要与控制方案的设计，利用西门子组态软件 w i n c c6 0 和程序设计软件s t e p 7v 5 4 ，进行了基于s 7 3 0 0 系列p l c 的软 硬件组态，设计了一个完整的d c s 控制系统，给出了硬件配置清单和部分 程序清单，来实现在工业过程中对水力式流浆箱的控制。 关键词：水力式流浆箱，脉冲衰减，温度补偿，总压控制，液位控制，横向 定量 n t h es t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no f h y d r a u l i ch e a d b o xc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h i sp a p e ri s s u p p o s e db yx i a ns c i e n c e & t e c h n o l o g yp l a na r o j e c t ( i n n o v a t i o ns u p p o r r tp l a n ) “d e v e l o p m e n t o fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m & i n s t r u m e n ti ni n d u s t r yf i e l d - - r e s e a r c h & d e v e l o p m e n to fn e wh y d r a u l i c h e a d b o xc o n t r o ls y s t e m ”( n o ：c x y 0 8 012 ) a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fl o w e r s p e e d ，w o r s ed i s t r i b u t i o ne f f e c t si nd o m e s t i ct r a d i t i o n a lp a p e rm a c h i n e ，t h e s t r u c t u r ea n df u n c t i o nm e c h a n i s mo fa d v a n c e dh y d r a u l i ch e a d b o xi s a n a l y s e d a n dag e n e r a l ，e f f e c t i v ec o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e d t h es c h e m ei sn o to n l yo f i m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oo fg u i d i n ge f f e c to nt h ec o n t r o la n d r e a l i z a t i o no fp r a c t i c a l h y d r a u l i c h e a d b o x t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r eo fh y d r a u l i ch e a d b o xa n dc o n t r o ls c h e m e d e s i g n t h es t r u c t u r eo f h y d r a u l i ch e a d b o x i sa n a l y s e da n dd i s t r i b u t o r , d i l u t e dw a t e r t e c h n o l o g y , r e c t i f i e ra n dg u n i t i n gp r o c e s s i ss u m m a r i z e d a f t e rk i n d so f i n t e r f e r e n c ef a c t o r st oi t ss t a b l er u n n i n ga r ea n a l y s e d ，c o r r e s p o n d i n gw a y si s p r o p o s e dt os o l v et h e s ep r o b l e m s ：p u l s ea r e n u a t i o ni su s e dt oe l i m i n a t et h e e f f e c t ；t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc o n t r o ls y s t e m i sc o n s t r u c t e dt os t a b i l i z e t e m p e r a t u r e ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o ni su s e dt oc o n t r o lp r e s s u r ea n dl e v e l ，s oa st o a f f e c tt h eq u a l i t yi nm da n dg e tp r o p e rp u l pb a s i n ；d i l u t e dw a t e ra d j u s t m e n t t e c h n o l o g yi se m p l o y e dt od i s t r i b u t i n g c o n t r o li nc dq u a n t i t y , a n dz e r o d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e c o n t r o li s a d o p t e d t oe n s u r et h eu n i f o r m i t yi nc d d i s t r i b u t i o n a d d i t i o n ，t h ea n g l ea n dg u n i t i n gs p o tw i l lb ec h a n g e dd i r e c t l yb yl i p p o s i t i o nc o n t r 0 1 ( 2 ) d e s i g no fl m c p i dc o n t r o l l e r b a s e do nt h ea n a l y s i so fn o r m a lp i d & i m c c o n t r o l l e r , ak i n do fm e t h o do n p i dp a r a m e t e rt u m i n gi sp r o p o s e df r o mt h ei m cs t r u c t u r e t h e r ei so n l yo n e i i i d e c i d e dp a r a m e t e re x a c t l y ；t h ep a r a m e t e ri sa d j u s t e dw i t ht h ed y n a m i cq u a l i t y a n dr o b u s t n e s so ft h es y s t e mm o r ec l e a r l y t h ei m c p i dc o n t r o l l e ri su s e di nt h e p r e s s u r ec o n t r o lo fh y d r a u l i ch e a d b o x ，w i t ht h eh e l po fm a t i ，a bt o o l s ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ec o n t r o l l e rp o s s e s s e sm e r i t so fn o r m a lp i d c o n t r o l l e ra n dw o r k sw e l li nt i m ed e l a ys y s t e m a l s ot h es i m u l a t i o ni sa n a l y z e d a n di ts h o w st h ee f f e c t i v i t yo ft h ea l g o r i t h m s ( 3 ) i m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls c h e m e ，l e v e l ，p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r et r a n s m i t t e r s ， i n v e r t e ra n di m p l e m e n t i n ga g e n c i e sa r ef i x e d t h eh a r d w a r ec h a r a c t e ri sa l s o b r i e f l yi n t r o d u c e d ，s u c ha sl e v e lt r a n s m i t t e r ，p r e s s u r et r a n s m i t t e r ，t e m p e r a t u r e t r a n s m i t t e ra n d i ti s g i v e nh a r d w a r e l i s t a c c o r d i n gt o t h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t sa n dt h en e e do fp r o je c te x e c u t i o nw i t hc o n t r o ls c h e m e ，s o f t w a r e a n dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nb a s e do ns 7 30 0p l ci sp r o p o s e dw i t ht h eh e l po f w i n c c6 0a n ds t e p 7v 5 4 ac o m p l e t ed c sc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n d h a r d w a r el i s t s ，p a r t i a lp r o g r a ml i s ti sa l s op r o v i d e dt of i n i s ht h ei m p l e m e n t a t i o n o fh y d r a u l i ch e a d b o xc o n t r o li ni n d u s t r yp r o c e s s k e y w o r d s ：h y d r a u l i ch e a d b o x ，p u l s ea t t e n u a t i o n ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ， p r e s s u r ec o n t r o l ，l e v e lc o n t r o l ，c r o s s m a c h i n ed i r e c t i o nq u a n t i t y i v 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：瀚 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到( 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：遂导师签名：趔期： 水力式流浆箱控制系统的研究及实现 1 绪论 1 1 课题研究的目的及意义 作为造纸机“流送 与“成形 的结合部，两部分的关键枢纽【l l ，流浆箱应用最为 普遍，是对产品质量及性能影响最大的设备，同时也是技术含量最高、造纸机械领域最 大的技术难点所在的设备，被称为“造纸机的心脏 。流浆箱的功能是把合乎要求的纸 浆，按照造纸机成形部分的要求送到成形网上去，为纸张的良好成形提供必要的前提。 因而流浆箱必须做到：将浆料均匀地布向纸机方向；喷出的浆料要有一个均匀的速度剖 面、均匀的浓度剖面和均匀的湍流剖面；保证压力均布、速度均布、流量均布、浓度均 布以及纤维定向的可控性和均匀性；有效地分散纸浆纤维，防止纤维絮聚；并按工艺的 要求，提供和保持稳定的上浆压头和浆网速比删。 由于市场对宽幅、高速纸机的需求不断增加以及企业间的竞争，这就要求提高纸张 质量，降低生产成本，增加产量【s 】，而传统的敞开式等低速流浆箱等已很难满足这一要 求，所以流浆箱这部分就要进行相应的技术革新，应用较为先进的设备。在这一形式下， 伴随着高速夹网纸机的发展而出现的高速水力式流浆箱的研究和开发，无疑更有其必要 性和现实意义，水力式流浆箱具有所生产的纸张匀度好，横幅定量差小，可适应6 0 0 m m i n 以上的高车速等特点。 本文是在西安市科技计划项目( 创新支撑计划) “工业领域智能控制系统及仪器的 开发研究新型水力式流浆箱控制系统的研发 ( 编号：c x y 0 8 0 1 2 ) 的资助下完成 的。将水力式流浆箱较好地应用到国内纸机上，必将大大提高国内纸机的整体质量，提 高纸张产量，增加人均拥有量，同时满足高产低耗的生产要求。 而在流浆箱机械结构一定的条件下，自动控制系统的优劣直接影响抄纸车间整条生 产线的质量水平，此时流浆箱控制系统的投入与控制水平的高低，都具有极其重要的意 义。成功应用并控制水力式流浆箱，将产生巨大的经济效益，为国家节约大量资源，并 可为其它产业提供大量价格合理、性能优良的纸类产品，提高纸张质量档次，加大纸张 产量，促进造纸工业的发展。 1 2 流浆箱技术现状及发展趋势 1 2 1 流浆箱发展及控制综述 流浆箱是纸机发展最快的部件之一，在制浆造纸技术的长期发展过程中，尽管出现 了多种结构形式的流浆箱，但其主要功能基本不变，即布浆、匀浆和喷浆悖。而车速不 断提高是流浆箱发展的直接动力，为了满足高速宽幅的要求，国外主要从机械结构方面 陕西科技大学硕士学位论文 着手，从初期的敞开式流浆箱，到后期的双匀浆辊气垫式流浆箱，再发展到先进的水力 式流浆箱，经历了一系列的发展，来改进流浆箱的性能。随着浆流的微湍动流型理论的 提出，为一大批新型流浆箱的设计提供了一定的理论基础，为解决浆料流送中的稳定性 和纤维的絮聚性这一对矛盾，指出了一种可能的途径。同时辅以具体功能部件的改良， 如浆流匀整元件的设计、堰板口的形式、成形器的形状等等一些机械结构上的不断改进， 简化了流浆箱的控制难度，提高了控制精度，产生了较大的经济效益。 ( 1 ) 翻浆闸板敞开式流浆箱 这是最早使用的流浆箱，产生于1 8 0 4 年f o u r d r i n i e r 兄弟发明长网纸机之前。它结构和 形式比较简单，技术要求不高，只能适用于低速纸机，且匀浆效果差，已经被淘汰。 ( 2 ) 双匀浆辊敞开式流浆箱 早期的流浆箱都是敞开式的，适用于低速纸机。它一般以转动的孔辊作为匀浆元件， 匀浆机理是：浆流进出孔辊的孔眼，受到收缩和扩散，使浆流产生湍动，浆料得以分散。 上网浆速仅由箱体内纸浆的浆位高度决定，可以仅通过控制流浆箱的浆位高度达到控制 浆速的目的。敞开式流浆箱常采用匀浆辊作为浆料的匀整器件，箱体内部通常通过溢流 槽把浆料上面的气泡和浮浆等杂质排掉，并能对箱体内的液位有一定的调节作用。 优点：结构简单，价格低廉。 缺点：即使在相当低的车速下，流浆箱的浆位也已经比较高，往往造成箱体内浆流 的流动性差；适应的车速范围较小，一般是1 2 0 - 一1 8 0 m m i n ，若车速过低，浆面盖不住 匀浆辊，容易混入气泡( 最佳浆位大约是高出匀浆辊5 1 0 c m ) ；若车速过高，浆面太 高，匀浆效果显著变差i l o j 。所以对车速的变化范围有较为严格的限制，不能太低，不能 过高。 ( 3 ) 气垫式流浆箱 气垫式流浆箱约产生于2 0 世纪4 0 年代，是为了适应较高速度及较大的速度变化范围 而发展起来的。敞开式流浆箱只能应用于低速纸机。当车速提高时( 大于2 5 0 m m i n 时) ， 一般就不能采用敞开式流浆箱，因为要达到适应车速的上网浆速就必须提高液位，导致 增加设备高度，这样流浆箱的质量和尺寸都很大，结构不合理。所以采用气垫式流浆箱 或其他类型的设备成为解决此问题的唯一方法。 在气垫式流浆箱中，p = p + h ，其中，p 为总压头，尸为气垫压力，h 为浆位。 通过改变尸来稳定h ，总压头控制着流浆箱的喷浆速度，它由上浆泵的转速来调节，总 压头的稳定与否对纸张纵向定量有较大的影响，所以必须保证总压控制回路工作在最佳 状态。 由于可以分别控制浆位和总压，所以在气挚式流浆箱箱体内可获得最优的浆流条件 而且不受速度限制，应用范围比较大，特别是在高定量的板纸和瓦楞纸生产线上应用较 2 水力式流浆箱控制系统的研究及实现 多，但是气垫式流浆箱需要控制的变量比敞开式的多了一个气垫压力，在这个双入双出 的系统中存在着严重的耦合问题。另外，气垫式流浆箱有自由表面，堰池内的浆流速度 一般小于0 4 6 m s ，匀整元件的开孔面积要求较大( 一般为4 0 - 5 0 ) ，只能用匀浆辊 做匀整元件，仅能形成低湍动的浆流，纤维分散能力有限。因此，气垫式流浆箱通常用 于长网纸机，借助于长网网案脱水元件所形成的搅动或摇动作用，来控制成形过程，消 除纵向条流。成形的质量取决于箱体内浆料的浓度及在成形器上的搅动程度。 图1 - 1 气垫式流浆箱控制原理图 f i g l - 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f a i r - c u s h i n o e dh e a d b o x c o n t r o l 3 陕西科技大学硕士学位论文 液 图l - 2 半水力式流浆箱控制原理图 f i g1 - 2p r i n c i p l ed i a g r a mo f s e m i - h y d r a u l i ch e a d b o xc o n t r o l ( 4 ) 半水力式流浆箱 w k 系列半水力式流浆箱的结构与气垫式流浆箱有些相似，是对气垫式流浆箱进行 了一些改动，结构如图1 2 所示。 同气垫式流浆箱不同的是，在半水力式流浆箱流浆箱的传动侧有一个溢流罐，溢流 罐上部的气垫与流浆箱箱体连通，保持两者内部压力相等。在两侧的溢流管道上安装了 小孔溢流控制器，第二个手柄的高度和角度可调，第一个手柄固定在溢流管道上，两个 手柄上开的小孔一样，两个小孔相对中心的角度都为1 2 0 。 在流浆箱内浆料经溢流溢出，在溢流管内保持一定液位，控制器通过手柄可调节带 小孔的管子上、下移动，一般情况下小孔的下半部分埋在溢流浆料内，上部与气垫连通， 是气垫室的压缩空气的排放口。在稳定时其浆气界面即是溢流管内浆的液位。如因某种 原因，使溢流浆位升高堵住整个小孔，使其不能排气，箱内气垫压力骤然上升( 达到最 大气垫压力) ，马上会把液面压下去，一旦液面低于d , ：f l ，小孔会全开放( 达到最小气垫 压力) ，气挚压力瞬时降低，由上浆泵来的增加浆料又会使液面升高，直到达到平衡状态。 除开始放料或刚停机供料，气垫有较大幅度波动外，正常生产时液位的小幅度波动是总 压调节系统进行工作时的正常表现。 ( 5 ) 水力式流浆箱 大约在2 0 世纪6 0 年代，高速夹网纸机的发展导致了水力式流浆箱的产生1 。它根据 4 水力式流浆箱控制系统的研究及实现 流体力学原理，采用固定元件匀整装置( 如孔板、飘片等) 来匀整浆流，在高速( 约1 5 m s ) 条件下产生湍动，以水压剪切力达到分散纤维、均幅布浆的要求，因夹网成形器的成形 区短，所以浆料一经喷射上网，成形基本“固定 。成形质量等特性取决于浆料从流浆 箱喷出时的纤维分布情况，它受湍动强度、湍动尺寸以及流浆箱内浆流浓度的控制。在 车速高于6 0 0 m m i n 的纸机上得到了广泛应用。 由于水力式流浆箱消除了“自由表面 ，允许在更高流速下应用使浆流均一并产生 湍动的固定元件，有利于改善抗絮聚问题，并且使喷出浆流更为稳定。所以采用水力式 流浆箱必将是将来纸机发展的趋势，适用于更高车速和生产更优质的产品等。 ( 6 ) 稀释水流浆箱 稀释水流浆箱( 又称浓度调节流浆箱) 的出现，创造性地提出浓度调节的新概念【1 2 1 。 这是流浆箱发展史上一次比较大的飞跃，突破了传统的通过调节唇口弯曲变形来调节纸 机横幅定量偏差的方法。它以一种全新的概念实现了良好的纸机横幅定量调节，消除了 传统调节方法的缺点。传统流浆箱以设在上唇板的多组局部开度调节装置来调节纸页横 幅定量，存在着调节精度差、灵敏度和分辨率较低的缺点。另外，当上唇板变形后，由 此产生的局部横流和偏流又会导致纤维定向分布的不一致，破坏了纤维结构的均匀性。 稀释水流浆箱在其阶梯扩散器管束之间，沿横向方向按适当的间隔排布浓度微调器。浓 度微调器一般安装在第一阶梯管的始端，起浓度调节作用，稀释水( 一般采用造纸车间 的白水) 经微调器在此注入流道。在稀释水流浆箱中，进入布浆总管的浆流浓度和流量 是恒定的，即不加稀释水时进入各个阶梯扩散器的浆流浓度和流量也是均匀一致的。当 纸页横幅上某处的定量偏离标准定量时，向对应于该处的阶梯扩散管的上游增加或减少 稀释水的注入，调节该处的浆流量与白水量的比率，即调节该处的浆料浓度，从而保持 纸页全幅横向定量的均匀一致。稀释水的加入量是通过稀释水阀控制的，阀门的开度是 根据调节点的定量标准偏差来确定。当唇口开度沿纸机横幅设定后，就不再需要调节， 消除了因唇口变形引起的横流和偏流问题，也分离了横幅定量波动与纤维定向偏离的连 带关系 t 3 1 。目前，稀释水流浆箱在新闻纸、书写纸、轻量涂布纸、高级纸、超压纸、薄 页纸、瓦楞芯纸、多层纸板、挂面纸板等多种产品中都获得了成功应用。 综观整个流浆箱的发展史，以及对现代新型高速纸机流浆箱的特征了解，可以看出， 高速纸机流浆箱一般都具有以下几个特点： ( 1 ) 采用高效水力布浆整流元件。通过对水力布浆整流元件进行不同的结构和尺寸 设计，调节和控制不同的浆流情况，以适应不同的工艺条件要求； ( 2 ) 配置机外脉冲衰减装置。满流式流浆箱的一个弱点，是对压力脉动非常敏感。 因此除对流浆箱本身进行改进外，有效的方法是在机外加设自动脉冲衰减器【1 4 1 ； ( 3 ) 重视稳浆室的作用。稳浆室能起到消除、衰减能量波动，稳定浆流的作用，对 5 陕西科技大学硕十学位论文 于满流气垫结合式流浆箱，稳浆室又是产生气垫和消除气泡的场所； ( 4 ) 采用狭长流道，产生可控的微细湍流。在流浆箱的出口段利用狭长的流道，可 以控制出口浆流的湍流程度，以产生微细规模的湍流，这一点在飘片流浆箱中体现得比 较突出。 1 2 2 流浆箱发展趋势 由于纸张市场的巨大潜力，流浆箱的研究、开发与控制都将呈现多样性，随着对速 度与质量的要求，流浆箱会向着以下几个方向发展： ( 1 ) 流浆箱的种类将呈现多样化，以适应各种纸页成形器、多样性的变化； ( 2 ) 采用稀释水浓度控制技术。通过调节纸浆浓度来控制横幅定量，从而取代局部 唇板调节带来的偏流和横流等问题，更有效地控制纸机横向定量的波动； ( 3 ) 向一次布浆整流的趋势发展。大多数的新型流浆箱均为二次布浆整流，但如能 很好地分布浆流，一次布浆将成为一个发展趋势； ( 4 ) 为节约用水，节省设备投资，高浓成形流浆箱和多层成形流浆箱将受到更多关 注，应用会逐渐增多。 1 3 本文主要工作及内容安排 本文针对传统流浆箱应车速低、匀浆效果差等问题，对水力式流浆箱进行深入剖析， 设计出一套完整的控制方案，将i m c 控制与常规p i d 控制相结合，设计出一套结构简单 且控制效果良好的i m c p i d 控制系统，并以s 7 3 0 0 作为控制单元，构建出水力式流浆 箱控制系统，为其在工程上实现提供了依据。 本文主要内容如下： 第一章是绪论部分，简要概述了本课题研究的目的和意义，相关领域国内外技术现 状及发展趋势等。纵观流浆箱的发展历史，总结了不同时期、，不同形式的流浆箱的优缺 点，分析了流浆箱的控制措施及其意义。 第二章是水力式流浆箱的结构和作用机理分析，包括布浆，稀释水的加入，整流， 喷浆上网等基本内容。 第三章在第二章研究分析的基础上，对系统提出了具体的控制方案，包括脉冲衰减， 和对温度、总压、浆网速比、液位、横幅定量进行控制，零差压控制以及对唇板位置的 控制。 第四章是控制算法的研究，对p i d 、i m c 作一简单介绍后，结合两者优点，从i m c 结构出发，设计了i m c p i d 控制器，并给出了详细的设计过程，通过m a t l a b 进行仿 真，表明此算法在总压控制上的有效性。 第五章是水力式流浆箱控制系统在工业上的实现，这是借助西门子s 7 3 0 0 系列p l c 6 水力式流浆箱控制系统的研究及实现 硬件和编程软件s t e p 7 以及组态软件w i n c c ，实现水力式流浆箱的控制和实时监控， 将理论与实际应用相结合。 第六章是对全文工作的总结，并对未来工作进行了展望。 7 陕西科技大学硕十学位论文 2 水力式流浆箱的结构及作用机理 作为纸机中最关键的部件，流浆箱扮演着决定纸张质量的重要角色，其结构大致如 图2 1 所示。一般水力式流浆箱配有单侧进浆总管，在总管上方有一出口通过孔板，浆 料通过孔板后进入稳流室，稳流室后是孔板和方形蜂窝孔，每一个方孔错开一半排列， 匀整区是满流式的，接下来是一个长的喷嘴。 图2 1 水力式流浆箱示意图 f i g2 1h y d r a u l i ch e a d b o xd i a g r a m 由于夹网成型器的成形区很短，也就是说纸幅成形时间很短，所以成形质量以及其 它方面的特性取决于浆料从流浆箱喷出时的纤维分布情况，它是由湍动强度、湍动尺寸 以及流浆箱内浆流浓度来控制的。浆流一经喷射上网，成形基本“固定”，因此要求浆流 在流浆箱内必须均匀分布，而水力式流浆箱浆流充满箱体，没有自由表面。为了适应这 一具有特殊特性要求的流浆箱，布浆方式采用高效紧凑、横向布浆均匀的单侧进浆的锥 形总管和固定的匀浆装置，通过固定元件截面的变化或几何尺寸的改变，以及利用壁板 的剪切作用，使浆流产生适当强度的微湍动，从而达到均匀分散悬浮浆料的目的。因为 没有转动的匀浆元件，箱内浆流纵向稳定，没有横流，浆流全幅均匀，不像匀浆辊流浆 箱那样容易产生纵向条流，所以可通过调节布浆孔管的浆料浓度，采用稀释水调节技术， 在布浆器的入口处加入稀释白水控制单元，实现局部调节横向定量控制，取得比微调杆 局部改变唇口几何尺寸来调节横向定量更佳的效果【- 6 】，且喷浆速度可由变速冲浆泵的动 8 水力式流浆箱控制系统的研究及实现 压头控制，从而可以适应很高的车速。 水力式流浆箱的技术关键是稀释水加入要稳定、可靠、调节灵敏，湍流发生器使纤 维分散均匀，流态稳定，横幅定量差要小l l 刀。这样可以保证生产出来的纸张成形匀度好， 质量好。纸张横幅方向的定量分布均匀，误差小，这几乎完全决定于流浆箱的制造技术 和控制技术的应用。 为了便于讨论流浆箱的设计，一般将流浆箱分成三个部分，即布浆器，匀整区以及 唇板区。对于水力式流浆箱的设计，再有就是稀释水的加入。布浆器，是把浆流从一根 管子分配到纸机全幅的最初分布，配合稀释水的加入来调整上网浓度，实现横幅定量； 匀整区是接受从布浆器来的浆流并把浆流稳定成受控制的、小尺寸湍动的均一浆流，唇 板区是用于最后加速浆流使其速度接近网速，并且控制唇板的开启度以及落浆点。 2 1 布浆 布浆是从流浆箱到网部成形的第一步，对后面的流程起着重要的作用，因为纸张的 均匀度是建立在流浆箱进浆总管将浆流沿纸机横向分布的基础上o s l 。为了使纸浆达到湍 流状态，要用比较高的流速。由于流浆箱的入口是截面较大的锥形总管，根据浓度的高 低在总管一般为1 5 3 m s 的流速。在通过布浆元件时，相对于总管流速必须两倍以上的 加速比。为了使纸浆沿纸机横向均匀分布，横向排列的布浆元件进口处的纸浆静压头必 须大小一样，即把布浆器前的总管设计成等压管，才能使横向均匀分布。 布浆器是流浆箱的重要部件，是浆料的流送和分布装置，它的作用是将纸机前净化 后的浆料沿网宽进行均匀分布和流送到流浆箱内的装置。现代流浆箱的布浆器，可使浆 流产生适当强度的微细湍动，同时，还具有稀释水装置，进行横向定量调节，以取代传 统的用上唇板调节横向定量的控制方式。性能优良的流浆箱，必须配置设计合理、制造 精良、具有高布浆效率的布浆器，使浆料一进入纸机就能获得均匀的分布【1 9 1 。 随着纸机速度和宽度的不断增加，以及要求获得更为均匀、稳定的横幅定量分布， 半个世纪以来，布浆器进浆总管形式的设计，一直是个关键问题，到现在已经发展了各 种型式的布浆器。但目前几乎所有流浆箱均采用了从单侧进浆的锥形总管布浆，这是由 j a s p e rm a r d e n 和他的a n g l oc a n a d i a n d x 组研发而成的，今天所有的流装箱制造厂商所设计 的流浆箱，都是以这个原理为基础的，只是外在形式不同罢了。 在2 0 世纪末，绝大部分流浆箱的布浆器，就已经都采用了方形锥管，把进浆总管设 计成锥形管，图2 2 为典型的单侧进浆锥管布浆器。浆料从一侧进入，然后垂直地进入纸 机纵向。锥管的截面形状可设计成圆形或矩形。浆料从总管大端进入，通常末端有回流， 这可保证浆流能沿锥管全长以相同的压力转9 0 度后进入纸机方向，然后通过管或孔使浆 料均匀分布在纸机横幅宽度上。如果设计得当，可以保证有同样的浆料通过每一根管子 9 “ 陕西科技大学硕十学位论文 或孔。这就完成了将从一根管子来的浆流均匀地分配到纸机全宽的初分布。这种分布不 受纸机宽度和车速的限制。布浆后的桨料在通过匀整区和唇板区后均匀而稳定地喷到成 形器上。 图2 - 2 单侧进浆锥管布浆器 f i g2 - 1s i n g l es i d es t e pt a p e r e dd i s t r i b u t o r 1 从上浆泵来的浆料2 直管段3 变径管4 锥形管5 流向流浆箱6 回流端 方锥管布浆器具有等压管的特点，能使纸料沿机宽获得均匀分布，出小孔后流速均 一，浆料在锥管中的流速是微湍流状态，用以防止纤维絮团或浆料的沉降、附着，可保 证自总管始端至末端进人各支管的浆流压力一致，实现均匀布浆的目的。为了保证进入 锥形总管的浆流稳定，宜选用一个细长的弯头。弯头与总管的直管距离推荐采用6 8 倍 管径( 图2 3 ) 。 图2 - 3 进浆方锥总管接管示意图 f i g2 - 3s t e pt a p e r e df l o wp i p ed i a g r a m 2 2 稀释水调节 与气垫式流浆箱不同的是，水力式流浆箱采用稀释水调节技术，可更精准的调节横 1 0 水力式流浆箱控制系统的研究及实现 幅定量。对采用等压管布浆的流浆箱，基本上都在布浆管入口部位，加入方法一般有两 种：一是环流式，即浆料在中间，稀释水从周围进入；二是对切向流式，即稀释水从切 向进入浆流。而对于集散式布浆流浆箱，稀释水是在布浆器的分配头处加入，稀释水在 巾问，浆料在周围，这点有所不同。 白水稀释系统是由带执行器的稀释水控制阀、阀控制系统、稀释水进料阀等组成， 稀释白水混合部在进浆总管和管束布浆器之间。浆料与稀释白水的混合平稳地与方锥总 管进浆混合，稀释水量为总进浆量的7 8 ，稀释白水混合部结构如图2 - 4 所示。 稀释水 节 进浆+ 簟 - 、 一卜f 图24 稀释水与进浆混合示意图 f i g2 2 , m i x t u r e d i a g r a mo f d i l u t e d w a t e r w i t h p u l p 图2 _ 4 所示的是环流式稀释水混合加入单元，稀释白水从总管分送到各白水支管中 根据调节横幅定量的需要或调节阀门的开度，以一定流量的稀释水注入浆流支管上游。 为使稀释白水与浆流混合均匀稀释白水注入浆流支管后，需经过一个喉管，其中稀释 白水的计量阀门是专门设计的。在管柬中问以一定的问距增设稀释水支管，并转向1 8 0 度将白水计量注入相邻的浆流支管上游。通过控制阀门增加或减少注入白水流量，局部 调节浆流浓度，实现控制全幅横向定量的均匀一致刚。 向水经稀释水阎在管束与浆流混合，当需要稀释率变化时，只需改变稀释水量即可。 提高横向上某区的稀释水，就降低了该区浓度。但若自水浓度超过一定范围，横向定量 控制水平也就降低。某区稀释率的变化，在定量控制曲线上就有像高斯型形态的曲线分 布的变化，其响应的宽度比唇板调节的响应宽度窄得多，因此浓度的分布控制比唇扳调 节具有更好的控制性能m ，。 陕两科技大学硕士学位论文 2 3 整流 在布浆系统和唇板区之间是匀整和湍动发生区，其主要作用是用来匀整从布浆器来 的浆流并使其成为均一、稳定的浆流。在浆流中不存在大的旋涡和横流，并且浆流通过 湍动发生区后能保持纤维的分散。在所有的现代布浆系统中，从布浆器来的浆料被送到 稳流室( 混合室) 中，各股小支流必须在稳流室中降低速度并混合成均一的浆流，不存 在任何横向的分流或大的旋涡。其他类型的布浆器如扩展流道布浆器、错流布浆器，需 要配上某种元件使浆流在到达唇板区之前形成一种均一、稳定的浆流。好的布浆器将相 对比较容易获得均一、稳定的浆流。 水力式流浆箱是利用固定元件来衰减高速浆流中的动能，以形成一种稳定、均一的 浆流，并通过固定元件所产生的适当的浆流湍动来分散纤维，这些元件可结合在一起同 时起匀整浆流和形成浆流湍动的作用。通常用于匀整和稳定浆流的元件也往往就是用来 分散纤维的元件，也即是产生湍动的元件。水力式流浆箱内充满纤维悬浮体，因此浆流 能以比较高的速度通过箱体并可利用减速、横截面积成台阶变化等方式来改变浆流方向 以及利用壁板的剪切作用产生湍动。 浆流从布浆器出来以后，进入流浆箱的箱体内。浆流在流浆箱体内，必须具有适中 的速度，既要防止浆流中的纤维的重新絮聚和沉积，又要避免不适当的横流、偏流、交 错流，消除产生大湍动旋涡的根源，还要防止浆流的湍动强度过分地降低。因此，流浆 箱体内就必须设置有适当的匀整元件以达到这些要求。匀整元件的形式较多，有多孔板、 匀浆辊、渐扩型湍流器、阶梯扩散器和管束等多种型式。不同形式的的匀整元件，却有 着相同的目的：都是为了使纸浆处于微湍流状态，以达到整流的效果。 而匀整元件在国内与国外用的情况不太一样，国内纸机车速相对较低，所以用得较 多的是多管和多孔板。多孔板整流元件跟孔板式布浆器的结构相似，原理一致，适用于 较低流速的纸机。转动的匀浆辊作为匀浆元件，其作用机理是浆流进出孔辊的孔眼，受 到收缩和扩散。使浆流产生湍动，浆料得以均匀分散，虽然这种湍动尺寸比较大，能量 比较低，定向条纹问题难以完全消除，但与长网部的脱水元件产生的搅动匹配，成形效 果还不错，主要应用与敞开式和气垫式流浆箱等中低速纸机m ，；而国外多用阶梯扩散器 和管束匀整元件，多用于高速纸机的流浆箱中，在水力式流浆箱中，一般用阶梯扩散器 和管束等匀整元件。 阶梯扩散器是一种分级扩大装置，也是一种高效的布浆整流元件，能产生可控的高 强度微湍流，有效地破坏纤维网络，防止絮聚 2 3 1 。它具有以下向个显著的特点： ( 1 ) 可产生可控的高强度微湍流，有效地破坏纤维网络，防止絮聚，使纸页成形均 匀，纵横定量波动小。方锥等压管的采用，使浆料沿纸机横向布浆均匀，纸页横幅定量 差小，纸页的匀度，纵横向拉力比等物理指标有明显改善。 1 2 水力式流浆箱控制系统的研究及实现 ( 2 ) 浆料的行程短，不设如匀浆辊等匀浆元件，消除了二次流、横流，减少了错流， 沿纸机横向流速稳定，分布均匀。 ( 3 ) 上网浓度高，流量调节范围大，纤维长度的适应范围较广，可适应较低浆料的 打浆度，节水节能。 ( 4 ) 适应性强，使用范围广，结构紧凑，操作维护简便。一台设计参数选择得当， 制造精良的阶扩器，出第三阶扩散管浆料流速剖面均匀一致成矩形，但因隔板厚度的影 响，使速度剖面成波浪形，这样的浆流直接上网显然是不理想的，必须对其匀整，消除 速度梯度，使之形成速度均匀分布的浆流，为纸页成形创造有利条件。 图2 5 和图2 6 分别为圆网阶扩示意图和长网阶扩流浆箱示意图。 图2 - 5 圆网阶扩示意图 f i 9 2 - 5c y l i n d e rs t e pd i f f u s e rd i a g r a m 1 方锥管2 阶扩器3 整流区4 唇板5 9 白水槽1 0 胸辊 图2 - 6 长网流浆箱阶扩示意图 f i 9 2 - 6f o u r d d n i e rs t e pd i f f u s e rd i a g r a m 调节装置6 钢网7 伏辊8 圆网 整流区的长度( 即从阶扩器的出口至上网点的距离) 与出第三阶管的出口速度和整流 区的形状有关。出口速度越大，整流区的距离越长。整流区的形状以收敛形为最普遍。 楔形区具有消能、增速、防止湍动迅速衰减的作用。整流区的长度和形状，严格地说应 通过试验确定，通常圆网选用2 5 0 3 0 0 m m ，长网为3 0 0 - 3 5 0 m m 之间。 浆料在阶梯扩散器内分级扩大，靠管壁的浆流开始沿主流的方向流动，在每一级之 后因断面突然扩大，出现一个低压区，使浆流改变流向，产生回流，形成一个封闭的强 烈的涡流，由于阶梯扩散管尺寸小，所产生的涡流将是小涡流，小涡流与主流之间，有 很大的速度差，从而产生强烈的剪切力，使主流和小涡流进行轴向和径向的强烈混合， 浆料质点相互碰撞摩擦进行能量交换，在速度头恢复为静压头时，动能逐步转换成静压 能，同时产生湍动，这种湍动具有很高的湍动强度和很小的湍动度，这正是所期望的“高 强微端动。随后流道内的浆流迅速趋于均匀，纸料通过阶梯扩散器后，各股浆流又迅速 汇合起来，逐步消除边界层效应的影响，待浆流稳定后即可喷浆上网。在每一级之后通 过发生可控制的涡流产生高强度的微湍动，并从速度头中恢复静压头。 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 阶梯扩散器是一种比较理想的进浆分布装置。阶梯扩散是分级扩大的，而不是渐扩 形，级与级之间存在一定的阶。阶的存在可产生高强度而小规模的湍动，认为阶的大小 即为湍动规模的大小，而湍动的强度则与浆料的流速和通过阶梯时的压力降有关，压力 降越大，湍动强度也越大。因此阶梯的结构尺寸和浆料通过阶梯时的速度就决定了均匀 元件性能和分散纤维的效果。 图2 7 阶梯扩散器结果示意图 f i 9 2 - 7s t e pd i f f u s e rd i a g r a m 2 4 唇板区 唇板区是流浆箱的收敛部分，唇板区的作用是用来加速浆流，它对浆料的加速及纤 维的均匀分散是在收敛流道中完成的，并输送一种稳定的、纤维分散良好的浆流，通过 一个尺寸稳定的长方形唇口喷到成形器上。唇口设计成能调节其大小，唇口形状应不受 温度、压力以及总的唇板开