基于S7-400PLC的置换蒸煮控制系统的应用研究

摘要

造纸工业是我国的重要基础原料产业，但它的发展一直被高能耗、大污染和不合理的原料结构等问题所困扰。制浆是造纸工业的重要组成部分，当前仍沿用常规间歇式蒸煮工艺，能耗高、得率低，且后续漂白工段只能采用三段漂或四段漂，对环境的污染较大。而置换蒸煮技术，通过在蒸煮锅之外设置温黑液、热黑液、热白液等槽罐，将蒸煮工艺分为多个步骤进行，从而实现黑液里面的热能和化学品的回收再利用，后续浆料也可以采用新近研发出来的无元素氯漂或全无氯漂等先进漂白工艺，是一项节能环保的新型间歇式制浆技术，在美国、加拿大等造纸技术发达的国家已经被研发成熟并得以广泛应用。虽然我国已经成功引进了置换蒸煮技术，但是由于其蒸煮机理复杂、蒸煮流程繁冗且内部联锁复杂，因此国内目前仍没有一套功能完善且拥有自主知识产权的置换蒸煮全集成控制系统，所采用的置换蒸煮控制系统都是由 ABB、Honeywell、SIEMENS等国外公司提供，成本昂贵，只有实力比较雄厚的大浆厂才有能力采购，因此实现置换蒸煮控制系统的国产化有利于置换蒸煮技术在我国的推广应用。
　　基于上述原因，本硕士论文在科技部国家国际合作项目“节能环保型置换蒸煮关键技术与设备的合作研究”的资助下，以广西马山和发强纸业有限公司置换蒸煮DCS项目为依托，结合国合项目引进的技术资料对置换蒸煮生产溶解浆和化学浆的控制过程进行详细剖析，并从控制难点的研究与解决策略、控制方案设计、上位机程序设计与实现三个方面展开应用技术研究，具体研究内容如下：
　　（1）控制难点的研究与解决策略
　　以国合项目引进的 GL&V技术资料为依据，对置换蒸煮工艺过程控制进行详细剖析，在此基础之上解决置换蒸煮系统应用过程中的三个难点问题。其中针对蒸煮锅温差问题，设计了神经网络串级解耦 PID控制算法，解决了温差控制的时滞性、时变性和非线性等难点；针对偏流问题，通过分析设计了通道的检测和破坏方案，保证蒸煮过程中药液以近活塞流的方式流动；针对卸料泵汽蚀问题，通过控制卸料浓度并结合变速卸料、补偿有效汽蚀余量的方法，保证在整个卸料过程中NPSHa大于NPSHr。
　　（2）置换蒸煮控制方案的设计研究
　　针对置换蒸煮工艺过程，提出了主顺序和子顺序相结合的控制方案，实现工艺过程的自动化；通过建模分析得到了基于物料平衡的槽区液位控制策略，使槽区液位始终保持在10％~90%之间，满足了置换蒸煮系统正常生产的要求；设计了冗余、联锁、诊断等方案，保证控制系统安全有效地运行，并通过OPC接口技术使MATLAB和PLC相结合，便于高级控制算法在置换蒸煮系统中的应用。
　　（3）基于S7-400 PLC的控制系统的设计与实现
　　以西门子S7-400 PLC为主体控制硬件，PCS7为软件开发工具，根据所提出的难点问题解决策略以及各控制方案，进行了DCS控制系统硬件、软件设计，使得所提出的解决策略和控制方案可应用于实际生产。
　　本硕士论文剖析了 GL&V公司的置换蒸煮工艺，在此基础之上对置换蒸煮系统应用过程中的三个难点问题进行了分析和解决，并设计出了工艺自动化等控制方案，根据所提出的各难点解决策略及工艺自动化等控制方案，完成了DCS硬件、软件设计，在广西马山和发强纸业有限公司的实际应用结果表明，本硕士论文所研究设计的控制系统，可以很好地满足工业生产的实际需求。

目录

1 绪论

1.1 研究的目的及意义

1.2 置换蒸煮国内外研究现状

1.3 论文主要内容及章节安排

2 置换蒸煮工艺过程控制介绍

2.1 置换蒸煮工艺概述

2.2 置换蒸煮过程控制

2.3 本章小结

3 置换蒸煮控制难点的研究与解决策略

3.1 蒸煮锅上下温差问题的研究与解决策略

3.2 置换蒸煮偏流问题的研究与解决策略

3.3 卸料泵汽蚀问题的研究及解决策略

3.4 本章小结

4 置换蒸煮系统控制方案的设计

4.1 顺序控制方案

4.2 槽区物料平衡控制方案

4.3 安全控制方案

4.4 基于OPC技术的高级控制算法实现方案

4.5 本章小结

5 置换蒸煮控制系统的设计及应用

5.1 SIMATIC S7-400 PLC介绍

5.2 控制系统设计

5.3 控制系统实际应用效果

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利

攻读硕士学位期间参与的项目

声明