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造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 摘要 随着人们对纸张需求的不断增长，造纸工业得到了迅速发展。造纸装备 的规模化、大型化、集成化、连续化在这一过程中发挥了关键的作用，造纸 生产流程越来越多地依赖自动控制系统进行操作和管理。大量自动化系统的 出现一方面使得造纸工业控制系统可更有效的实现监控功能，也使系统的复 杂度大大提高，故障的出现不可避免。为了避免故障造成的各种损失，对生 产流程控制系统稳定性的要求日益提高。因此，故障诊断技术成为控制系统 研究的重要组成部分，是过程控制领域的一个研究热点。 流浆箱作为造纸工业中非常重要的环节，衔接浆料流送部与纸机的成形 部，对纸张质量起决定性作用。其控制系统同时接受造纸机完成部q c s 信 息反馈，需要与d c s 、q c s 、m c s 协同作用。这一系统的稳定性非常重要， 一旦发生故障，需要迅速确定故障的类型、位置，采取排除措施，尽快恢复 正常。 本文围绕流浆箱控制系统故障诊断方法及实现问题，做了如下研究工 作： 1 ) 以水力气垫结合式稀释水流浆箱控制系统为对象，分析了它的总压 液位控制、稀释水回路、边流控制与其它影响环节，重点讨论了稀释水阀控 制，包括稀释水阀的作用原理与组成结构、控制参数、阀门的校准与冲洗流 程等，列举了流浆箱控制系统的硬件组成，分析了系统可能出现的故障。 2 ) 探讨了控制系统故障诊断的基本原理与诊断方法，对各种故障诊断 的方法，尤其是专家系统进行了重点讨论，并利用故障树分析法建立流浆箱 控制系统的故障树。 3 ) 对实现故障诊断的各项技术作了详细的分析，包括当前集散控制系 统d c s 与p l c 系统的故障类型，提出在s i m a t i cp c s 7 系统中，利用c f c 、 f a c e p l a t e 工具与功能块对控制回路进行的故障监测与诊断方法，利用s t e p7 调用错误处理组织块实现故障诊断，在相应子程序中编程实现对外部设备的 故障诊断。分别对控制诊断层与现场层的通讯方式、远端诊断层与控制诊断 层的通讯方式进行了研究。 4 ) 将纸机流浆箱控制系统故障诊断划分为现场层、控制诊断层和远端 诊断层。解决了层与层之间的通讯建立问题，实现了数据库的建立与更新与 远程诊断，并利用w i n c c 监控系统实现了诊断结果的归档与打印。 关键词：造纸机，流浆箱，控制系统，故障诊断，故障树分析，专家系统 f a u l td i a g n o s i sf o r h e a d b o x c o n t r o ls y s t e mo fp a p e rm a c h 矾e a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h ep a p e ri n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yt o m e e tt h e p e o p l e s f a s t e x p a n d i n gd e m a n df o rp a p e rp r o d u c t a tt h es a m et i m e p a p e r - m a k i n ge q u i p m e n ts h o w st h ec h a r a c t e r sa n dt r e n d so fl a r g e - s c a l e 。 i n t e g r a t e d ，a n dc o n 血u o u s t h e s ei m p r o v e m e n t sp r o m o t ea n dp l a yak e yr o l ei n t h i sg r o w i n gp r o c e s s p a p e rm a k i n gp r o c e s si sm o r ea n dm o r ed e p e n d e n to nt h e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt om a k eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t i nt h i sc a s e t h e a p p l i c a t i o no fa u t o m a t i o ns y s t e mm a k e st h ep a p e l i n d u s t r yc a nb em o r ee f f e c t i v e c o n t r o l l i n ga n dm o n i t o r i n g ，b u ti ta l s og r e a t l yi n c r e a s e sc o m p l e x i t yo ft h ew h o l e s y s t e m i no r d e rt oa v o i ds y s t e mf a u l tc a u s e dv a r i e t yl o s s e s ，p a p e ri n d u s t ay l a r g e l yi n c r e a s e ds t a b i l i t yr e q u i r e m e n t sf o rt h ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e f a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g yh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tp a r to fc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h a n da ni n d i s p e n s a b l ep a r to fi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 a sav e r yi m p o r t a n te q u i p m e n to ft h ep a p e ri n d u s t r y , h e a d b o xc o n n e c tt h e s h o r tc i r c u l a t i o ns y s t e ma n df o r ms e c t i o no f p a p e rm a c h i n e i th a sm a n yf a c t o r s t oi n f l u e n c et h e q u a l i t yo ft h ep a p e rq u a l i t y h e a d b o xc o n t r o ls y s t e m m u s ta c c e p t t h em e a s u r e do rc o m m a n ds i g n a lf r o mq c sa te n dp a p e rt om a k ea c c o r d i n g l y c o n t r o l 。i tn e e d st h ec o o p e r a t i o no f d c s ，q c sa n dm c sa tt h es a m et i m e i ft h e f a i l u r eh a p p e n e d ，s y s t e mn e e dt oq u i c k l yi d e n t i f yt h ef a u l tt y p e ，l o c a t i o na n d t a k ee f f e c t i v em e a s u r e sr e t u r n e dt on o r m a la ss o o na sp o s s i b l e n l i sp a p e rf o c u s e so nt h eh e a d b o xc o n t r o ls y s t e mf a u l t d i a g n o s i sa n d i m p l e m e n t a t i o ni s s u e s t h em a i nw o r ki sf o l l o w i n g f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i ca i r - c u s h i o n e d h e a d b o xw i t hd i l u t i o nw a t e r , i n c l u d i n gi t st o t a lp r e s s u r el e v e lc o n t r o l ，d i l u t i o n w a t e rc i r c u l a t i o n ，e d g ef l o wc o n t r o la n d t h ed i l u t i o nw a t e rv a l v ea c t u a t o rc o n t r o l ， i i i o t h e rf a c t o r s e s p e c i a l l y , i tf o c u s e do n i n c l u d i n gt h en m n i n gp r i n c i p l e ，c o n t r o l p a r a m e t e r s ，c a l i b r a t i o na n dc l e a np r o c e s s t h e n ，i tl i s t e dt h eh e a d b o xc o n t r o l s y s t e mh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n dt h es y s t e mf a u l t s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e d t h eb a s i c p r i n c i p l e s a n d d i a g n o s i sm e t h o d s ， e s p e c i a l l yf o c u s e do ne x p e r ts y s t e m s i tu s e df a u l tt r e ea n a l y s i st ob u i l dh e a d b o x c o n t r o ls y s t e mf a u l tt r e e t h i r d l y , t h ep a p e rg a v ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e f a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o g y i ta n a l y s i s e df a u l tt y p eo fd c sa n dp l cs y s t e m s ，a n dp r o p o s e dc f c ， f a c e p l a t et o o l sa n df u n c t i o nb l o c k sf o r c o n t r o ll o o pf a i l u r e m o n r o r i n ga n d d i a g n o s t i cm e t h o d si nt h es i m a t i cp c s 7s y s t e m ；u s e do fs t e p7c a l le r r o r h a n d l i n go b f o rf a u l td i a g n o s i s ；p r o g r a m e di nt h ec o r r e s p o n d i n gs u b p r o g r a mf o r e x t e r n a ld e v i c ef a u l td i a g n o s i s f i n a l l y , i nt h er e a l i z a t i o no ft h ep a p e rm a c h i n eh e a d b o xc o n t r o ls y s t e mf a u l t d i a g n o s i s ，t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h ef i e l dl e v e l ，c o n t r o ld i a g n o s t i c l a y e ra n dr e m o t ed i a g n o s t i cl a y e r i ts o l v e dt h ep r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h el a y e r s ，a n da c h i e y e df a u l t r e c o g n i t i o ns o f t w a r e ，d a t a b a s ec r e a t i o n a n du p g r a d e ，r e m o t ed i a g n o s t i c sa n da r c h i v i n ga n dp r i n t i n go fd i a g n o s t i cr e s u l t s u s i n gw i n c cm o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p a p e rm a k i n gm a c h i n e ，h e a d b o x ，c o n t r o ls y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ， f a u l tt r e ea n a l y s i s ，e x p e r ts y s t e m i v 造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 1 绪论 1 1 课题概述 造纸工业己成为国民经济的重要组成部分。近二十年来，我国造纸工业取得跨越式 发展。据中国造纸协会调查，2 0 1 0 年全国纸及纸板生产量9 2 7 0 万吨。先进造纸工业生 产的规模化、大型化、集成化、连续化在这一过程中发挥了关键的作用，它具备了复杂 工业流程的所有特点，越来越多地依赖自动控制系统及其信息化进行操作和管理。随着 现代控制系统的越来越复杂，对其各部件的可靠性、准确性的要求也越来越高，这使得 控制系统出现故障的可能性增大【1 1 。为了避免故障造成各种损失，对生产流程控制系统 稳定性的要求日益苛刻。同时，故障诊断技术自上世纪6 0 年代产生并得到实践应用以来， 逐渐由国防军事、航空航天领域的应用转到民用工业领域，各种诊断理论与方法得到了 进一步的完善，控制系统，尤其是复杂控制系统在设计之初就需要考虑故障诊断的需求。 另一方面，工业控制领域工业网络、智能设备与工业处理器等技术、产品的发展，尤其 是信息技术在工业领域的大量应用，为控制系统的故障监测与诊断提供了必要的技术支 持。 当前，造纸机车速的提高、幅宽的增加以及连续性操作仍是国内不少企业追求的目 标，对控制系统可靠性和易于维护的要求是日益苛刻。造纸机流浆箱是整个造纸流程中 极为关键的一部分，其控制系统也是整个纸机控制系统中最复杂的部分之一。首先，它 包含或涉及的对象多，需要考虑短循环、成形部与完成部等流程，需要考虑纸机的开 停机、纸种切换、断纸等状况，且需要快速、准确的实现控制要求；第二，系统与管理 层和现场仪表级的数据交换日益增加，需要d c s 、m c s 与q c s 的协同作用，每个系统 都对应若干各类传感器与执行机构，控制网络内的信息种类与数量多，交换速度快；第 三，企业有升级改造或替换原有流浆箱的可能，需要考虑控制系统的可扩展性，与其它 系统的兼容性，尽可能延长控制系统的生命周期。 多数情况下，控制系统闭环内或由于环境因素会引起一系列的故障。环境的干扰、 材料的老化等各种时效损坏因素的存在使控制系统传感器、执行机构等各个元件、线路、 通讯接口不可避免的会出现功能退化的状况，故障出现的频率也会相应增加。一旦发生 了系统故障，会引起许多不可预测的损失。对于流浆箱控制系统，首先会造成纸张定量、 匀度等质量下降，严重时造成停机。流浆箱所造成的质量缺陷在纸机的后续环节中很难 弥补，高车速、大幅宽纸机单位时间产量很高，次品造成的损失更是不能小视。 目前，对控制系统的故障诊断所使用的工具信息化程度不高，不能有效利用分散控 制系统( d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 所采集的系统数据，复杂系统的故障 陕西科技大学硕士学位论文 回路不易寻找。由此造成故障诊断需要企业在资金、人力与技术上有相当的投入，对于 技术能力不足的企业通常要寻找异地的专家，成本更高。因此，造纸机流浆箱控制系统 需要具备及早发现系统故障，准确判断故障类型与位置，最大限度的提高控制系统稳定 性与可靠性的能力。 本课题基于故障诊断技术，提出“造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 ，目的在于实 现流浆箱控制系统的故障监测与诊断，提高控制系统的稳定性、可靠性与故障诊断效率， 避免事故的出现。这一课题的研究可大大提高流浆箱的品质，适应高速纸机的发展需要， 降低企业的维护成本与额外损失，促进纸机发挥最大产能，减少次品率，对造纸机的正 常生产具有重要意义。同时，本课题的研究也有助于整个造纸机控制系统故障诊断系统 的建立。 1 2 国内外研究的现状 故障诊断技术的研究在国外已经有长久的历史。上世纪6 0 年代为发展高性能的飞机 和保证航天系统的可靠性而发展起来1 2 ) ，7 0 年代首先在美国发展起以软件冗余为主导的 故障检测与诊断技术，它采用解析冗余代替硬件冗余，通过系统自组织使系统闭环稳定， 通过比较观测器的输出得到系统故障信息，标志着这门技术的开端 3 1 。以后逐渐推广到 核能设备、动力设备和其它一些大型成套设备中。文献 4 基于启发式信息、参数估计、 状态估计与奇偶校验方程等，利用测量信号的外部属性，使用过程与信号模型等，进行 针对现场故障监测与诊断。文献 5 进行两层控制系统非线性过程执行器的故障诊断。文 献【6 】介绍了对传感器失真具有鲁棒性的执行器故障诊断方法。文献【7 】将具有透明内部结 构的非线性模糊模型用于故障征兆的产生，实现闭环电气阀门的非线性过程的故障监测 与诊断。文献 8 】使用模糊c 平均值算法计算模型参数，应用于含有非线性执行器控制回 路故障监测方法。文献【9 】给出了过程故障诊断( p f d ) 涉及工厂给定传感器读取的当前 状态与过程知识，简要提出了p f d 领域的各种挑战，简要分析了现存的解决办法。 在我国，故障诊断技术的研究起步较晚，从上世纪8 0 年代才开始系统研究。最早由 周东华于1 9 9 4 年出版了控制系统故障检测与诊断技术，系统介绍了工程可靠性的概 念，提高控制系统可靠性的主要的方法，线性系统与非线性系统故障检测与诊断方法【3 】。 实际应用领域，我国在控制系统硬件故障诊断的研究相当普遍，涉及到控制系统控制器、 传感器与系统通讯等各环节，形式多样。 李天智等人设计三峡左岸电站机组状态监测故障诊断系统由就地数据采集箱软件、 状态数据服务器数据库和数据管理软件、上位机软件和w e b 化软件组成，结合计算机 监控系统获得的工况参数和专家知识，为运行人员提供在线监测、报警预警、状态分析、 性能评价、故障诊断、现场试验等一系列工具和手段，为状态检修提供辅助决策，并实 现与其他系统的信息共享 i 0 1 。杜浩利用故障树技术，建立了铁路信号设备故障诊断专家 2 造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 系统1 1 l 】。洪伟利用信号分析处理和故障诊断专家系统等技术，应用w e b 技术和一般 w m d o w s 应用程序的编程，建立了信息服务子系统、信息管理子系统、信号分析与诊断 子系统和监测呼叫子系统四个部分，将远程故障诊断技术应用于机床诊断旧。杨瑞、姚 斌等人提出了一种基于生产数据管理的油井远程监控系统，利用计算机信息网络资源， 实现生产数据实时采集、产量自动计量、油井远程监控、故障诊断、生产动态分析、报 表自动生成等功静埘。 在造纸装备控制系统故障诊断方面，国内也有不少研究。文献【1 4 】中，姚鹏提出利用 神经网络来改进专家系统的方法，解决专家系统推理知识获取的“瓶颈 问题，避免了 知识难以维护、推理能力弱等缺点，同时神经网络可以较好地解决专家系统中的知识表 示、获取和并行推理等问题。汤伟、王孟效等人以五叠网气垫式流浆箱控制系统为例， 给出了远程故障诊断的概念及实施的必要性，论述了远程故障诊断硬件实现( 包括下位 远程数据传输与上位远程状态监控两种诊断方式) ，设计了一种低成本的基于西门子 s 7 - _ 3 0 0p l c 的远程故障诊断系统嗍。文献 1 6 中，唐霖采用基于w e b 的数据处理与传 输系统，针对当前国内造纸设备集成性差，开发商采用不同通信标准给数据交换和集成 带来的困难，利用o p c 数据访问方法和c o m 接口，设计了远程访问客户端。文献 1 7 】 中，马巧红提出一种基于故障树的专家系统故障诊断方法，并将o p c 技术应用于远程监 控，使领域专家能够通过网络对现场数据进行实时监控，加快控制系统故障源的诊断过 程。 当前，面对更加残酷的市场竞争与环保压力，造纸企业需要灵活调整生产规模与工 艺，进行节能降耗等工作。企业的自动化方案需要具备更好的可扩展性与兼容性，从而 获得更长的生命周期，并要以合理的费用实现这些目标。国际上，造纸装备制造巨头在 控制系统故障诊断领域的研究应用更为成熟，范围更广，并已有了市场化的产品。m e t s o 公司在长期的制浆造纸、能源与采矿等领域的自动控制服务过程中，发展出新一代自动 化和信息系统平台m e t s o d n a c r 。这一系统具有用户互动功能、自动工艺控制功能和安 全的生命周期，实现了设备状态监测分析系统、驱动器控制、过程控制及质量控制在同 一平台下的集成。针对造纸机控制系统，首先，它实现了复杂工业流程的控制。在流浆 箱，装配的i q d i l u t i o n p r o 克重断面仪有上百个执行器。在成形部，通过i q w e t e n d m d 多 变量预测控制器( m u l t i p l ep u r p o s ec o n t r o l ，简称m p c ) ，建立了稳定的成形过程，集成了 湿部控制与绝干部快速响应的反馈控制，使纸张质量在流程混乱或断纸时也保持稳定。 利用k a j a a n i r m 3 与k a j a a n i w e m 分析器测量白水与流浆箱上浆浓度、白水阳离子电荷需 求与其它湿部电化学测量。整个系统实现了快速、准确与稳定的控制，纸张的2 - s i g m a 值可达0 1 9 m 2 左右。其次，在故障监测方面，数据共享与界面共享提供了即时和可见 的问题检测和方案解决信息，使得操作人员可以在各个操作层面实现对现场的监测，并 陕西科技大学硕士学位论文 及时响应故障报警。s e n s o d e c6 s 运转情况与机械状态分析系统，由大约4 0 0 个测量点组 成，监测泵、筛、纸机织物、辊子、电机、轴承与齿轮等机械的振动与脉冲情况。它可 获得设备在线状态信息以诊断设备的振动问题，在超过警戒值时发出报警( 例如监测辊 子的润滑油流量，当流量不足时发出警告) ，以及时有针对性的安排维护工作，消除早期 或不可预测的失效问题。 v o i t ha u t o m a t i o n 在早期提出的控制与信息系统方案m i l l e n n i u m t m ，采用开放通信 技术，允许不同目的的系统相互集成，如缺陷监测、远程诊断系统等，同时保证了系统 的灵活性。现阶段，其产品划分为o n c 、o n q 、o n v 与o n s ，分别实现纸机的d c s 与 m c s 、q c s ，监测诊断和现场服务等功能。在纸机控制系统的监测与诊断方面，o n v i e w 系统使整个控制系统得以涵盖从生产设备到纸张质量参数的范畴，可以时刻了解纸机的 运行情况。o n v i e w 作为中央通信平台把硬件和软件结合在了一起，它包含一个高性能 的数据库系统，把数据和过程控制系统及企业内联网整合在了一起，在其信息系统内为 所有产品奠定了基础，使操作人员总能准确地知道从浆料制备一直到最终产品的生产过 程中正在发生的情况。o n vf l o c s p o t t e r 实现了对成形部成形效果的早期监测，o n v f e l t v i e w 实现了对压榨毛毯的在线湿度监测，o n vc o n d i t i o n m o n i t o r i n g 实现压光机运行 性能的在线监测，o n vm o n i t o r i n gs y s t e m s 与o n vm a c h i n e r ym o n i t o r i n g 综合利用超过 2 0 0 0 个传感器信息，用于整个造纸机辊子、轴承的监测与故障诊断。 先进的造纸机流浆箱己达到了很高的水平，并继续在节能降耗、提高稳定性等方面 进行机械结构优化等工作【i 町。其控制系统跟随整个控制领域的发展方向，传感器更为智 能、灵活，稀释水阀结构更为紧凑，效果更为精确，维护更为方便。其整体的控制也实 现了网络化，操作人员利用浏览器可以准确查询设备的运行趋势，存储生产、报警与诊 断信息。大大提高纸机的运行时间，减少了维护周期。v o i 也公司m a s t e r j e t 、v a l f l oc o m p a c t 与m e t s o 公司v a l f l o 、s y m f l o 、o p f i f l o 流浆箱代表了纸机流浆箱发展的最高水平，p m p 公司i n t e l l i - j e th e a d b o x 以及g l & v 公司b t f t mh y d r a u l i ch e a d b o x 也在某些技术上体现 了这些特点。 1 3 问题与趋势 经过四十多年的发展，故障诊断技术已经取得了相当大的成就，取得了诸多应用成 果。在这一过程中，随着新技术的不断涌现，尤其是信息技术与工业控制网络的发展成 熟，现代工业控制系统已经有了更多进行故障诊断的需求与手段，也面临实际应用中出 现的新问题。主要表现在以下方面： 1 ) 故障诊断技术己取得了一定的应用效果，但绝大多数方法都是针对特定的故障与 设备来研究，故障诊断理论体系与实践方法在今后的一段时期内仍需不断完善。 2 ) 故障诊断技术尚不能广泛应用，在部分项目的应用结果仍缺少完善的评价体系。 4 造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 许多故障诊断技术只注重故障的诊断而没有考虑设备故障的修复，为修复工作带来不便。 搭建的故障诊断操作平台繁琐，可操作性差，在实际生产中不便操作、管理，加上企业 对故障诊断认识不足，使成熟的诊断技术也难于应用于生产实际。 3 ) 国内纸机控制系统的信息化、网络化水平及设计能力与国外同行相比仍有较大差 距，控制系统不能充分利用d c s 系统获取的生产信息进行故障诊断。虽然因特网、浏览 器技术、w e b 技术日趋成熟，但其在工业控制领域的应用远远不足，导致故障诊断系统 在操作、报表生成等方面的技术手段非常有限。研发部门在深层次软件设计，程序测试 等方面的手段与工具仍需进一步提高，例如采用图形编程与面向对象的编程工具，降低 复杂系统的编程工作量与错误率，使软件的质量得到进一步保障。 4 1 国内现有的文献中，对流浆箱控制系统的数理建模分析仍然不足，作为涉及环节 较多的复杂系统，仍没有对其涉及的所有子系统建立明确的结构与边界，尤其是关于水 力式流浆箱系统整体与稀释水部分、湿部化学控制等关键环节的分析很少，这不利于基 于数据驱动、信号分析、模型等故障诊断方法的应用。 5 ) 控制系统容错控制( f a u l tt o l e r a n tc o n t r o l ，简称f t c ) 与故障预测在相关文献中 仍涉及不多。有效的进行故障监测与诊断可以及时的发现故障且可进行定位，但在某些 时候，因为备品备件、排除方法、及时性等原因，发现的故障也不能及时排除，这就要 求设备在控制系统有限故障时仍要运行，即对f t c 提出了要求。与此同时，为了使按顺 序排列的工业流程实现协同控制，也需要发展f t c ，即当某个环节己确诊有故障，探讨 如何重组其后的运行环节，以使最终产品所受影响最小是非常重要的。故障预测也是潜 在的研究领域。当故障被预测后，就可以更早的采取f t c 动作以阻止其发生。 6 1 与国外同类系统相比，各个系统通常由不同的公司开发，控制系统的集成度并不 高，系统复杂度降低的同时，产品的品质无法提升。同时，不同公司采用不同通信标准， 给数据交换、硬件集成和系统升级带来了问题，产品生命周期短。对流浆箱控制系统， 限于浓度、灰分传感器国内尚未完全国产化，性能不稳定，进口产品价格高等原因，考 虑短循环、湿部留着率与纸张灰分控制的流浆箱控制系统在国内仍应用不多。这虽然降 低了系统复杂度对控制系统稳定性的挑战，但带来的问题是无法全面的控制纸张的质量， 不适应高速纸机的控制系统的控制需求。 与此同时，故障诊断领域将有以下发展趋势。首先，故障诊断理论将进一步得到完 善。诊断效果的评价标准将更为明确，在解决复杂系统的诊断问题时，各种方法将得到 进一步的融合，以发挥各自的优势，提高整个诊断系统实际应用的综合性能。其次，在 控制系统的研究应用中将更为重视故障诊断技术。系统复杂度的增加使得故障出现的机 率不可避免的增加，严重影响控制效果。再次，故障诊断技术将与其它技术广泛结合。 控制系统的信息化水平将大幅提高，并与其它信息技术，如传感器技术，网络技术等。 陕西科技大学硕士学位论文 最后，复杂系统的故障诊断将得到更充分的研究。 1 4 论文内容 本文的主要工作是对造纸机流浆箱控制系统故障诊断的实现进行研究。在系统复杂 度日益提高，工业自动化过程控制系统对系统可靠性的要求日益苛刻，需要利用故障监 测与诊断技术，减少故障给正常生产造成的干扰与损失。 本文以水力气垫结合式稀释水流浆箱为对象，分析了它的控制系统组成，重点是稀 释水阀控制，包括稀释水阀的作用原理与组成结构、控制参数与冲洗流程等，列举了流 浆箱控制系统的控制原理与硬件组成。其后，分析了状态监测与故障诊断的基本原理与 诊断方法，包括故障诊断的定义等，对各种故障诊断的方法作了深入的研究，尤其是对 专家系统进行了重点讨论，包括专家系统的结构，知识库建立与推理流程。随后利用故 障树分析法建立流浆箱控制系统的故障树。 文中对实现故障诊断的各项技术作了详细的分析。列举了当前集散控制系统d c s 与 p l c 系统的故障类型，提出在s i m a t i cp c s 7 系统中，利用c f c 、f a c e p l a t e 工具与功能 块对控制回路进行的故障监测与诊断方法，利用s t e p7 调用错误处理组织块实现故障 诊断，在相应子程序中编程实现对外部设备的故障诊断。分别对控制诊断层与现场层的 通讯方式、远端诊断层与控制诊断层的通讯方式进行了研究。最后进行纸机流浆箱控制 系统故障诊断的实现过程，提出了这一系统的应有功能与组成部分，解决了各层之间的 网络建立问题，给出了各控制层的诊断方法，并以造纸机流浆箱控制系统为例介绍了故 障诊断的工作过程。 6 造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 2 造纸机流浆箱控制系统与故障分析 流浆箱是造纸机纸浆上网的装置，位于纸机的最前端，对纸张的定量与匀度起决定 性作用。它是连接“备浆流送”和“纸页成形”两部分的关键枢纽，被称为造纸机的“心 脏。市场需求与技术进步共同促进了纸机车速的提高与幅宽的增加，流浆箱也经历了开 启式、气垫式与水力式三个发展过程，现阶段仍在进行结构优化，提高设备的节能效果 的研究应用- 1 叼。在此过程中，紧密围绕其控制需求，建立了流浆箱的控制模型，有针对 性的利用了p l c 、工业以太网与现场总现通讯技术，并开发了稀释水阀智能执行机构等 相关硬件，与m c s 、q c s 相结合，逐步形成了当前流浆箱的控制系统。 稀释水型水力式流浆箱是流浆箱现阶段最高水平的代表，在国内市场有很大的需 求，但尚未实现完全国产化，是今后一段时期研究关注的重点，其形式多样【- 9 1 ，适用于 不同纸种的生产。图2 - 1 为m e t s o 公司s y m f l oa d 流浆箱结构示意图。其内部的工作流 程如下：浆料由锥管进入流浆箱，之后进入分水盘，与稀释水装置加入的稀释水进行混 合后，经阶梯管束均匀分布进入平衡稳浆室。在箱体上方装有喷雾管，堰池配置了溢流 装置，可按上网浆量以一定比例控制溢流量。其后经湍流发生器进入唇口流道，增压提 速。之后进入成形部。本文以水力气垫结合式稀释水流浆箱控制系统为例，介绍其控制 原理与系统组成，分析其常见故障与解决方法。 图2 一lm e t s os y m f i o a d 流浆箱结构示意图 f i 9 2 一lm e t s os y m f l oa dh e a d b o xs t r u c t u r e l 一锥管入口2 一管束3 一平衡稳浆室4 一衰减室5 一湍流发生器6 一唇口流道7 一上唇板 8 一裙板9 一上唇板垂直调节机构l o 一上唇板水平调整机构l l 一小唇缘微调机构1 2 一小唇缘 1 4 一稀释水装置1 5 一稀释水锥管1 6 一锥管打开支撑机构 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 系统组成 流浆箱的控制系统要保证流浆箱沿纸机的横幅全宽在需要的速度下，以均匀一致、 稳定的浓度分布纸浆，并按工艺要求保证浆速与网速的协调关系，保证喷射浆流的着网 点与着网角度。水力气垫结合式稀释水流浆箱控制系统的组成与主要硬件如表2 - 1 所示， 需要调整与测量的变量如表2 2 所示。本文将按总压与液位控制、稀释水回路控制、边 流制与本体控制进行说明。鉴于稀释水阀执行机构控制部分在国内研究不多，其余控制 环节的相关文献较多，实际应用也取得了很大成功，本文只重点分析稀释水阀执行机构 的相关内容。 袁2 - l 水力气垫结合式稀释水流浆箱控制系统组成 t a b 2 1a l lt h ep a r t so f h y d r a u l i cd i l u t i o nh e a d b o xc o n t r o ls y s t e m 横幅定量稀释水阀步进电机及其执行器 总压头 液位 稀释水压力 边流 唇板开度 其它硬件 控制技术 差压变送器、冲浆泵变频器 液位变送器、浓度变送器 差压式压力变送器，稀释水泵变频器 电磁流量计，气动v 型调节球阀 位移传感器、现场控制箱、数码显示仪 p l c 模块、备用电源、控制柜、上位机、输出设备等 p l c ，d c s ，q c s ，线场总线等 表2 - 2 流浆箱变量描述 t a b 2 - 2d e s c r i p t i o no ft h ev a r i a b l e si nt h eh e a d b o x 2 1 1 总压与液位控制 流浆箱需要根据网速与设定的浆网速比，使输出的浆流达到一定的速度，这一速度 由总压决定。其稳定与否对纸张纵向定量有较大的影响，一般通过浆料供应即改变变频 器信号，调节冲浆泵的转速实现。总压设定值可由操作者设定，也可由设定的浆网速差 与网速计算得到。利用安装在流浆箱侧墙板上的智能法兰压力式变送器检测总压实际值。 可在箱体另一侧安装备用传感器。控制器根据总压的设定值、测量值，经过相应的控制 处理后，给出4 - - 一2 0m a 变频器控制信号。其控制流程如图2 - 2 所示，回路的控制信号 如表2 3 所示。 造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 图2 - 2 流浆箱总压与浆网速比控制 f i 9 2 2h e a d b o xp r e s s u r ea n dj 侧s p e e dr a t i oc o n t r o l 表2 3 总压回路控制信号表 t a b 2 3s i g n a l so ft o t a lp r e s s u r ec o n t r o ll o o p 液位控制上浆系统的压力脉冲将直接影响喷浆速度，箱体内的气垫层可有效消除这 种压力波动。液位变送器位于平衡稳浆室，液位信号传送给控制器，控制衰减室的气体 排出。其控制流程如图2 3 所示，回路的控制信号如表2 - 4 所示。液位调节系统是一个 定值调节系统，根据液位变送器传送过来的液位信号，与液位的设定值进行比较，通过 控制压缩空气的进入量，从而达到稳定液位的目的。 表2 _ 4 液位回路控制信号表 t a b 2 - 4s i g n a l so fl e v e lc o n t r o ll o o p 陕西科技大学硕士学位论文 缩空气 4 - 图2 3 流浆箱液位控制 f i 9 2 - 3h e a d b o xl e v e lc o n t r o ll o o p 总压与液位存在耦合关系，控制系统需要进行解耦运算，所得信号送给各自的单回 路控制器，分别控制总压和液位对应的变频器，如图2 4 。对于总压控制环，外环控制 器e c 表达式为t p 印= t p o w ，v w o ) 2 。其中，t p 即为总压调节器的外给定值，t p 0 为总 压静态值，v w o 、v w 分别表示成形网速的静态值和动态值【。国内对于流浆箱总压液 位控制已有了不少研究，文献【2 0 】， 2 1 与 2 2 1 马h 有更为详尽的数理分析。 总雎给 液位输出 髓遮输出 总压输出 图2 - 4 总压液位解耦控制图 f i 9 2 - 4h e a d b o xd e c o u p l i n gc o n t r o lo fp r e s s u r ea n dl e v e l 2 1 2 稀释水回路 稀释水系统是流浆箱横向定量控制的组成部分。如图2 5 所示，稀释水来自于网下 白水槽的中部，稀释水泵将其泵送至除气罐除，并在内部形成稳定的液位。其后泵送至 稀释水压力筛，进入流浆箱稀释水锥管。分别检测稀释水进水总管和浆料锥管压力，由 稀释水泵2 变频器来控制稀释水泵的转速，使稀释水锥管内部与浆料锥管内部具有不低 于2 5 k p a 的稳定压力差，并在横向分布均匀。整个流程的控制信号如表2 5 所示。 造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 稀释水泵l 白水格 圈2 5 稀释水回路 f i 9 2 5d i l u t i o nw a t e rr e c i r c u l a t i o n 1 妊，一 - 、j 潦浆筒 袁2 5 稀释水回路控制信号表 t a b 2 - 5s i g n a l so fd i l u f i o nw a t e rr c c i r c u l a t i o nc o n t r o ll o o p 信号 a id ia od o 1 差压变送器压力信号 2 稀释水泵1 变频器控制信号 1 j 3 稀释水泵1 变频器启动信号 4 稀释水泵l 变频器运行信号 、 5 稀释水泵1 变频器故障信号 、 6 稀释水泵2 变频器控制信号 7稀释水泵2 变频器启动信号 、 8 稀释水泵2 变频器运行信号 、 9 稀释水泵2 变频器故障信号 、 2 1 3 边流控制 为了减少唇口浆料喷出时的扩散程度，需设置边流控制。边流控制包括操作侧和传 动侧边流控制两个控制回路。通过电磁流量计检测边流流量。通过气动v 型调节球阀控 制边流流量。回路的控制信号如表2 - 6 所示。 表2 - 6 边流控制回路信号袁 t a b 2 6s i g n a l so fe d g ef l o wc o n t r o ll o o p 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 4 本体控制 流浆箱的本体控制主要是为保证喷射浆流的着网点与着网角度，同时也要考虑清洗 的需要，主要包括上唇板垂直与水平位置调节、箱体位置与角度调节等，这一控制对于 新月形纸机与夹网纸机更为重要。 上唇板垂直调节机构用于调节唇口整体开度，采用磁致伸缩线性测量传感器，测量 值可显示于本地控制箱和侧面的机械指示牌上。整幅调节一般由横向轴将蜗轮蜗杆与电 机连接起，电机有两个速度，慢速用调节整幅唇口开度，快速用于调整到维护清洗位置。 上唇板水平调节机构主要用于改变唇口喷射浆流的方向，测量的距离是小唇缘的底边到 裙板外缘。调节螺旋通过装配于铰链的蜗轮蜗杆移动，横向轴将蜗轮蜗杆与电机彼此连 接起来。水平移动只有一个移动速度，所有移动都需要进行限位。图2 - 6 与图2 - 7 为设 备现场，回路的控制信号如表2 7 所示。 居口开度测量限位开笑 角度测量编码器 ：唇板磁致仲缩传感器 图2 - 6 流浆箱本体控制传感器 f i 9 2 - 6t r a n s m i t sf o rh c a d b o xm a c h i n ec o n t r o l ；r 晗。；! 。 。；毒；曩 ： 卜，。i 、。乙i o 上膊板位置电动控制上唇板梁调节 唇板移动机构 图2 7 流浆箱本体控制执行机构 f i 9 2 7a c t u a t o rf o rh c a d b o xm a c h i n ec o n t r o l 造纸机流浆箱控制系统的故障诊断 表2 7 本体控制信号袁 t a b 2 - 7s i g n a l so f m a c h i n ec o n t r o ll o o p 2 2 其它影响环节 流浆箱的运行效果除了以上部分，与流送系统、纸张留着率及灰分控制也有很大关 系。 2 2 1 流送系统及其控制变量 流送系统( 图2 8 ) 是贮浆塔与流浆箱之间的部分，将来自网部白水槽的低浓白水 与高浓浆料混合，使稀释后的纸浆纤维悬着液达到流浆箱需要的浓度，并在锥形除渣器、 压力筛与除气器中去除浆料中的杂质与气体，稀释、净化