中高速生活用纸机制浆过程控制系统研究

摘要

近年来，随着人们生活水平的不断提高，生活用纸的需求量逐年增长，进而也带动了生活用纸产业的蓬勃发展。同时，在大力倡导绿色环保、节能降耗、低碳经济的时代背景下，高自动化水平、高产能、低能耗的中高速生活用纸机已是行业潮流。然而，生活用纸机的车速越高，对成浆质量的要求就越高，则良好的自动化控制技术就成为保证成浆质量的必要手段。因此，围绕生活用纸制浆过程展开控制技术应用研究是一个重要课题，对提高生活用纸品质及生活用纸企业的产业升级转型均具有重要意义。本文在陕西省科技统筹创新工程计划项目（项目编号：2016KTCQ01-35）的资助下，以广东某生活用纸厂中高速生活用纸机制浆线DCS项目为依托，围绕碎浆与打浆过程控制展开应用技术研究，其主要研究内容可分述如下： （1）碎浆机时序循环控制策略及碎后浆塔浆水分层解决方案研究 针对碎浆机传统间歇式控制存在自动化程度低、操作员工作量大、耗费劳动力及碎浆质量不稳定等问题，设计了 D 型水力碎浆机时序循环控制策略；针对碎后浆塔浆水分层问题，将机械装置设计与自动控制相结合，提出了浆塔系统自稀释方案，并设计了双塔组连锁逻辑控制策略。 （2）串联打浆子过程多目标优化控制策略研究 以打浆品质、产量及成本为目标提出多目标优化方案；以打浆流量、浓度及盘磨电流（功率）为决策变量，结合比刀缘负荷（SEL）打浆机理与模型辨识法建立多机串联打浆过程打浆度与湿重软测量模型，用其实现优化中品质目标的快速评价及生产中在线估测；并构建打浆品质最优、产量最高及成本最低的多目标优化模型；对模拟退火全局优化算法（SAA）进行改进研究，并应用改进的SAA进行多目标优化求解，以实现串联打浆优质、高产及低成本之间的折中优化，进而获得决策变量最优控制设定点。 （3）串联打浆子过程控制逻辑研究与设计 在对奥地利Andritz公司专有控制逻辑进行消化的基础上，针对国产三盘磨及实际控制要求，重新设计盘磨本体及外围连锁保护控制逻辑。其中盘磨本体控制包括主电机启动、急停、组准备逻辑以及调节电机正反转、快慢速与停止逻辑；外围连锁控制包括顺序启动、停止与冲洗逻辑；使其有效保护盘磨及外围设备，降低操控复杂性，提高打浆质量与自动化水平。 （4）基于PCS7及S7-400PLC的制浆过程控制系统设计与实现 基于系统总体布局与实施架构，分别以西门子S7-400PLC、PCS7为控制硬件及软件平台，根据制浆过程控制要求及文中相关策略，完成DCS控制系统下位机硬件设计、上位机软件组态及高级优化算法实现方案设计等工作，并将所设计的控制系统应用于制浆过程生产实践。 本文所设计的DCS控制系统已于2017年10月在广东某厂正式运行，其中碎浆机时序循环控制策略使原单机需2～3名操作员减至1名，单槽碎浆时间缩短至原来的1/2且碎浆质量更均衡稳定；据用户初步统计和反馈，制浆段成浆质量稳定，产量提升约 15.7%，吨浆成本下降约 2.6%，抄纸段成纸次品率下降约3%；各项主控参数运行曲线平稳，自动化水平较高，获得用户好评。

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摘 要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 课题研究现状及发展方向

1.2.1 打浆子过程控制与优化研究现状

1.2.2 SAA理论及其应用研究现状

1.2.3 中高速生活用纸机制浆过程及其控制发展方向

1.3 本文主要内容及章节安排

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 章节安排

2 中高速生活用纸机制浆过程工艺

2.1 中高速生活用纸机制浆过程工艺概述

2.2 碎浆子过程测控工艺

2.3 打浆子过程测控工艺

2.4 本章小结

3 碎浆子过程关键设备控制策略

3.1 碎浆机连续时序循环控制策略

3.1.1 水力碎浆机简介

3.1.2 控制任务与要求

3.1.3 碎浆机时序循环控制策略

3.2 浆塔浆水分层及其解决方案

3.2.1 浆塔浆水分层

3.2.2 浆水分层的危害及影响

3.2.3 浆水分层解决方案

3.2.4 双塔连锁逻辑控制策略

3.3 本章小结

4 基于改进SAA算法的串联打浆子过程优化控制策略

4.1 串联打浆子过程多目标优化方案

4.2 基于最小二乘辨识的打浆度与湿重软测量模型建立

4.2.1 相关理想假设条件

4.2.2 串联打浆过程打浆度与湿重软测量模型

4.2.3 最小二乘法模型辨识原理

4.2.4 打浆度与湿重模型辨识结果

4.2.5 模型预测检验

4.3 串联打浆子过程多目标优化模型建立

4.4 模拟退火算法及其改进研究

4.4.1 基本模拟退火算法简介

4.4.2 动态自适应模拟退火算法

4.4.3 基准测试仿真验证

4.5 基于改进SAA的打浆子过程优化仿真

4.5.1 打浆子过程优化仿真模型求解计算

4.5.2 多目标优化仿真结果

4.6 本章小结

5 串联打浆子过程控制逻辑研究与设计

5.1 Andritz标准逻辑介绍与研究分析

5.2 打浆子过程盘磨本体控制逻辑设计

5.2.1 主电机启停与急停联锁逻辑

5.2.2 调节电机正反转逻辑

5.2.3 调节电机快慢速逻辑

5.2.4 调节电机停止逻辑

5.3 盘磨外围连锁控制逻辑设计

5.3.1 顺序启动控制

5.3.2 顺序停止控制

5.3.3 盘磨冲洗逻辑

5.4 本章小结

6 基于PCS7的制浆过程控制系统设计与实现

6.1 SIMATIC PCS7系统平台简介

6.2 控制系统总体设计方案

6.3 制浆过程DCS系统设计与实现

6.3.1 控制系统下位机设计

6.3.2 控制系统上位机设计

6.3.3 控制系统通讯网络结构

6.4 基于MATLAB-OPC-DCS的优化控制策略实现方案

6.4.1 基于OPC技术的高级优化算法实现方案

6.4.2 系统实际试运行结果

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 未来工作展望

致 谢

参考文献

附录A：打浆品质软测量模型参数辨识MATLAB代码

附录B：最小二乘法模型辨识现场样本数据

附录C：模型预测检验MATLAB代码

附录D：基于DASAA打浆过程优化求解部分MATLAB程序

攻读学位期间发表的学术论文及专利

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明