基于PLC的造纸机热力控制系统设计研究.pdf

第4 3 卷第1期2024年1月造纸科学与技术Paper Science and TechnologyVol.43No.1Jan.2024基于PLC的造纸机热力控制系统设计研究李俊雨（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安，7 10 3 0 0)摘要：以基于PLC的造纸机热力控制系统为研究对象，致力于提高造纸工业的生产效率和质量。通过造纸热力系统及自动化控制优势、系统控制策略、系统建模参数体系以及基于PLC造纸机热力控制系统模块设计介绍，能够提高造纸机的稳定性和可控性、降低操作人员的工作负担,减少人为错误的发生。然而，研究仍然面临一些挑战，如系统的扩展性和适应性，以满足不同规模和类型的造纸机需求。未来的研究可以继续改进系统性能，加强系统与大数据分析和物联网技术的集成，以实现更高级别的自动化和优化，满足造纸领域不断变化李俊雨先生的市场需求。关键词：造纸机；热力控制系统；控制策略；参数建模中图分类号：TS736+.4D0I:10.19696/j.issn1671-4571.2024.1.022引文格式：李俊雨.基于PLC的造纸机热力控制系统设计研究J.造纸科学与技术，2 0 2 4，4 3（1）：10 2-10 4+110.PLC-Based Paper Machine Thermal Control System Design StudyAbstract:In this paper,the thermal control system of paper machine based on PLC is the research object,and is committed toimproving the production efficiency and quality of paper industry.Through the paper thermal system and automatic control advantages,system control strategy,system modeling parameter system and the design of thermal control system module based on PLC papermachine,it can improve the stability and controllability of paper machine,reduce the work burden of operators,and reduce the humanerror.However,the research still faces some challenges,such as the scalability and adaptability of the system to meet the needs ofdifferent sizes and types of paper machines.Future research can continue to improve system performance and enhance the integration ofthe system with big data analytics and iot technologies to achieve higher levels of automation and optimization to meet the changingmarket demands in the paper industry.Key words:paper machine;thermal control system;control strategy;parametric modeling0引言造纸工业在现代社会中扮演着重要的角色，其产品广泛应用于书籍、报纸、包装材料等各个领域。随着技术的不断发展和市场需求的增长，对造纸机的性能和效率要求日益提高。热力控制是造纸机关键的控制系统之一，,它在维持纸浆、水和其他工艺参数的温度稳定性方面发挥着至关重要的作用。在传文献标识码：ALI Junyu(Shaanxi Institute of Technology,Xian 710300,China)统的纸张生产过程中，控制系统通常依赖于手动干预和操作员经验，这种方式可能导致生产中的不稳定性和浪费。基于PLC的热力控制系统能够实现更高程度的自动化，通过实时监测和调整温度、湿度和其他参数，提高了生产效率和产品质量。这不仅有助于减少资源浪费，还能降低生产成本。设计一个可靠且高效的基于PLC 的造纸机热力控制系统能够应对不断变化的生产要求，以实现对生产环境的实文章编号：16 7 1-4 57 1(2 0 2 4)0 1-0 10 2-4作者简介：李俊雨，生于19 9 1年，讲师，硕士研究生，主要从事机电一体化技术的研究。E-mail：l j y 2 156 16 3.c o m。基金项目：陕西省教育厅科技处项目（2 1JK0508）；陕西国防工业职业技术学院（Gfy23-03）产领域带来更大的益处5-6 第1期时监测。通过PLC 的编程和逻辑控制,系统将能够自动调整加热和冷却系统，以维持所需的工艺温度。这将有助于最大程度地提高造纸机的稳定性和生产效率。1造纸热力系统及自动化控制优势1.1造纸机热力系统造纸机热力系统是制造纸张的关键部分，它主要用于处理纸浆、干燥纸张、控制湿度以及其他与纸张生产过程相关的热力工作。造纸机热力系统通常包括蒸汽产生设备、干燥部分、加热设备、循环系统、控制系统以及废热回收装置1-2 。如图1所示。热湿空气余热回收发生器温升水或蒸汽中温423低温空气10和冷凝水81一低温冷凝水；2 一中温冷凝水；3 一低温空气和冷凝水；4 一湿热空气；5一浓溴化锂溶液；6 一稀溴化锂溶液；7-饱和蒸汽；8 一饱和冷凝水；9 一饱和冷凝水；10 一过热蒸汽图1造纸机热力工作流程图造纸机组件共同协调工作，确保纸浆在生产线上进行适当的加工和干燥。系统通过蒸汽或热油等热能传递介质，将热能传递到纸浆或纸张上，以实现干燥、加热和湿度控制。纸浆在经过湿部处理后,进人干燥部分，通过热风或其他热源将水分蒸发，使纸张逐渐干燥并达到所需的湿度水平。现代造纸机热力系统通常配备先进的自动化控制系统，以确保温度、湿度、压力等参数得到精确控制。这有助于提高生产效率、降低能耗和确保产品质量的一致性。1.2热力系统自动化控制优势造纸热力系统自动化可控制具有显著优势。首先，它提高了生产效率。自动化系统能够实时监测和调整温度、湿度和其他关键参数，以确保最佳生产条件，减少了操作员的干预，提高了生产速度和一致性。其次，自动化系统降低了能耗和资源浪费。通过精确控制加热、冷却和循环过程，系统可以最大程度地减少能源消耗，降低了生产成本，减少了环境影响。第三，自动化系统提高了产品质量和一致性3-4 。它可以精确控制纸张的厚度、质量和湿度，李俊雨：基于PLC的造纸机热力控制系统设计研究6吸收器M8换热器冷凝器5103确保每批产品都具有相同的规格和质量标准，减少了次品率，提高了客户满意度。此外，自动化系统增强了安全性。它可以监测和响应潜在的危险情况，如过热或压力异常，以防止事故发生，保护了员工和设备。最后，自动化系统提供了远程监控和数据分析的能力。操作员可以随时随地监测系统性能，及时识别问题并采取措施，从而提高了生产的可维护性和可靠性。2造纸机热力系统控制策略2.1系统测控工艺流程新型热力工艺流程设计适配控制系统同工作以确保整个系统的协调运行。首先，工艺流程图的设计是控制系统设计的起点。新型热力工艺流程的成蒸发/吸收器功实施需要仔细设计和适配的控制系统。通过间接控制策略和Matlab仿真,关键步骤的有机结合，新型热力工艺流程才能够充分发挥其潜力，为工业和生散热蒸发器8槽个8低温水12.2系统控制难点分析（1）发生器、冷凝器和蒸发器的压力控制发生器的良好运行状态直接影响着热泵系统的性能。通过维护发生器内的适当压力，可以确保介质循环速度的稳定性，从而提高系统的能效。控制逻辑在这里发挥关键作用，确保发生器内的工作压力在可接受的范围内。精确的压力控制可以有效降低外界能源换热速度,最大程度地减小系统的能量损失。在冷凝器中,通过维持适当的压力水平,系统可以实现高效的热能释放，将热量传递给外部环境。冷凝器的良好运行状态直接影响着余热回收效率，因为它关系到热泵系统如何将余热有效地利用。在蒸发器中，适当的压力控制有助于提高蒸发的效率，从而增加系统的制冷性能7-8 。（2）循环介质流量控制流量控制为随动控制，确保造纸机热力系统性能系数稳定。随动控制是一种智能的反应器流量控制方法，这种方法确保反应器系统中的循环介质始终保持适当的流量，以应对外部环境和内部变化。通过监测和响应压力的波动，系统可以自动调整循环介质的供应，以维持反应器在最佳工作条件下。此外，在反应器系统中实施随动控制，可以确保余热回收系统能够有效地捕获和利用废热，从而提高性能系数9-10 1043造纸机热力控制系统建模参数体系3.1热热力传递模型(1)热传导斯蒂芬一波尔兹曼定律用于描述导热过程：Q=-kAdT/dx其中：Q是热流量（瓦特，W）;k 是材料的热导率（瓦特每米-开尔文，W/mK）;A 是传热面积（平方米,m）;d T/d x 是温度梯度（开尔文每米,K/m）。(2)对流传热牛顿冷却定律用于描述流体内的对流传热：Q=hA/T其中：Q是热流量（瓦特，W）;h 是对流传热系数（瓦特每平方米开尔文,W/m.K);A是传热面积（平方米,m）;T 是温度差异（开尔文,K）。(3)辐射传导斯特凡一玻尔兹曼定律用于描述辐射传热：Q=80A(T14-T24)其中：Q是辐射热流量（瓦特，W）；8 是表面的辐射率,介于0 和1之间;是斯特凡玻尔兹曼常数(5.6 7 x10-8瓦特每平方米开尔文的四次方/（开尔文的四次方平方米），W/mK);A是辐射面积（平方米,m）;T 和T分别是两个表面的绝对温度(开尔文,K)。3.2控制阀模型(1)控制阀流量方程控制阀的流量可以根据以下流量方程来描述：Q=CuVAP其中：Q是流量（加仑每分钟或立方米每小时）；Cu是控制阀流量系数；P是阀前后的压力差（帕斯卡,Pa)。(2)控制阀特性曲线线性特性:Q=Cu 0等百分比特性：Q=CuQ?其中,是阀门的开度,通常介于0 和1之间。4基于PLC造纸机热力控制系统模块设计4.1压力监测模块选择适用于造纸机工作环境的压力传感器，确保其覆盖所需的压力范围，且具有所需的精度。常见选择包括压力传感器、差压传感器或绝对压力传感器。将传感器输出的原始信号连接到信号调理电路,以放大和滤波信号,提高精度和可靠性。合适的放大倍数和截止频率应根据实际需求选择-12 造纸科学与技术连接信号处理电路与PLC或控制系统,将处理后的压力数据传输到系统中。将压力监测数据与控制算法集成,实现实时的压力控制。根据监测数据自动调整控制参数，以维持所需的压力水平。设置警报值,以便在压力超出预定范围时触发警报。警报可以通过声音、光或通信接口向操作人员通知问题。记录压力数据，以进行后续分析和报告。数据记录可用于系统性能评估、故障诊断和质量控制13-14 。4.2PLC装置设计配置PLC的输人和输出模块，包括数字输人（D I）、数字输出（DO）、模拟输人（AI）和模拟输出(AO)模块,以满足系统需求。确保正确的模块数量和类型。开发PLC控制程序，用于实现热力控制系统的各种功能，如温度控制、压力监测、电机控制等。编程应使用标准PLC编程语言，如Ladder Logic或Structured Text。配置PLC的通信接口，以便与其他系统组件（如HMI、传感器和执行器）进行数据交换。使用通信协议如Modbus、Et h e r n e t/IP等实现数据传输。在PLC中实现数据处理和控制算法，以便根据传感器数据和用户输入来控制热力系统的各个方面15-16 1 4.3人机显示模块设计（1）主界面：主界面提供系统状态的总览，显示当前温度、压力和其他关键参数。显示造纸机的运行状态，如启动、停机或故障。提供导航菜单，使用户可以轻松访问其他功能和页面。（2）参数显示：温度、压力、流量等实时数据以大字体和清晰颜色显示，易于阅读。提供趋势图或图表,展示历史数据，帮助用户了解性能趋势。(3警报和通知：显示当前警报和故障信息，使用醒目的标志和颜色，引起用户的注意。提供详细的警报信息，包括问题的描述、级别和建议的操作。（4）控制元素：提供控制按钮和滑块，允许用户手动调整系统参数，如设定温度或目标压力。使用图标和标签,清晰标识每个控制元素的功能17-18 。（5）数据记录和报表：提供历史数据记录和报表功能,让用户查看系统性能的变化。允许用户导出或打印报表，以供日常运营和质量控制使用。5结语本文探讨了在造纸企业高速化和自动化趋势下，如何推动造纸热力系统自动化控制的实现。通过采用这一系统，能够显著提升纸张的质量,降低断(下转第110 页）第4 3 卷110时长大幅增加,这对其性能提出了更高的要求。对于造纸机械来说，其电力传动点较多，致使电力传动控制难度较大，故提出基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计研究。实验结果表明设计系统有效地提升了电力传动点速度与张力控制精度，为造纸机械的稳定运行提供助力。参考文献1 祝建荣.基于59 1全数字直流调速装置实现造纸机的张力控制J.中国造纸,2 0 2 2,4 1(1):7 5-7 7.2王彦诚.基于PLC的造纸机电气传动系统设计J.造纸科学与技术,2 0 2 3,4 2(2):6 2-6 4.3宋永昌.造纸机电气传动全数字自动化控制系统研究J.湖南造纸,2 0 2 2,51(1):7-9.4李超，雷海龙，徐凯，等.造纸机水针控制系统参数测试与优化J.中国造纸,2 0 2 3，4 2(2):119-12 3.5卢恒光，温步瀛，李天扬.基于模糊神经网络的水轮机调速器PID控制J.电网与清洁能源，2 0 2 1，3 7（5）：12 8-13 3.6单士睿，王保成,赵嘉.拖拉机电机矢量控制技术的研究一一基于模糊神经网络+ADRCJ.农机化研究，2 0 2 2，4 4（1）：253-258.7朱幌秋,顾志伟.基于模糊神经网络逆系统的五自由度无轴承永磁同步电机自抗扰控制J.电机与控制学报，2 0 2 1，2 5(2):72-81.造纸科学与技术8高高阳，张晓晖，高玉儿，等.基于神经网络和模糊补偿的水下机械臂控制J.计算机工程与应用，2 0 2 2，58（15）：3 17-3 2 3.9范子彦，李立君，李宇航，等.油茶果采摘机阀控液压马达模糊神经网络PID控制J.液压与气动，2 0 2 1，4 5（11）：7 6-8 5.10余余晓兰，万云，陈靖照.基于改进BP神经网络的食品分栋机器人视觉伺服控制方法J.食品与机械，2 0 2 1（8）：12 6-13 1.11 马良玉，郑佳奕.基于动态模糊神经网络的超临界机组协调控制J.华北电力大学学报：自然科学版，2 0 2 1，4 8（2）：9 6-10 3.12 王伟，王勇，周晨光，等.基于模糊神经网络PID的无人艇航向控制器研究J.合肥工业大学学报：自然科学版，2 0 2 3，4 6(4):458 462.13张皓，高瑜翔,唐军,等.基于Sugeno型模糊神经网络的双模控制器设计J.中国测试，2 0 2 1，4 7（10）：12 9-13 6.14 彭斌，王文奎.基于模糊系数修正BP神经网络PID的BLDCM控制系统仿真研究J.电机与控制应用，2 0 2 1，4 8（6）：17-23.15 王敏，尹崇鑫，程金兰，等.层次分析模糊综合评价法在制浆造纸水污染控制技术评估中的应用J.林业科技开发，2 0 2 1，6(4):107-113.16刘军，张艳霞，潘洁宗，等.端曲面齿轮传动系统的非线性动态特性J.机械传动，2 0 2 3,4 7（3）：3 3-3 8.17李建兴，崔胜民.整车传动系统参数优化的自适应蝗虫优化算法J.噪声与振动控制，2 0 2 3,4 3（1)：18 5-19 0.18宋东方，武照云，李丽.混合动力传动系统匹配优化与控制策略研究J.机械设计与制造，2 0 2 2（8）：2 4 7-2 51，2 57.第4 3 卷(上接第10 4 页)纸故障的发生频率,从而有效地提高了生产产量，同时减少了维修时间的需求。这些技术创新有望在当前竞争激烈的造纸行业中取得竞争优势，为企业在市场上取得成功创造更多机会。参考文献1汤伟，张诚，冯波等.造纸工业高级控制技术和先进控制系统综述J.中国造纸,2 0 2 0,3 9（8)：14-2 5.2侯少红.造纸机热力控制系统设计及控制策略研究J.造纸科学与技术,2 0 2 1,4 0(2):2 9-3 2.3魏斌.热力系统中的自动化控制系统设计J.集成电路应用，2023,40(8):172-173.4祝建荣.PCC可编程计算机控制器在造纸机变频传动控制系统中的应用J.中华纸业，2 0 2 3,4 4（10）：51-56.5方小明.基于PID的造纸机双闭环电机调速系统设计J.造纸科学与技术,2 0 2 3,4 2(2）:3 7-4 1.6祝建荣.基于PLC的造纸机分部传动数字式速度链的设计和应用J.电工技术,2 0 2 2(14):5-8.7贾歆玮,田龙,唐艳军.智能PID控制技术在制浆造纸过程中的应用进展J.纸和造纸,2 0 2 0,3 9（2）：6-10.8秦洪浪.基于PLC自动控制的制浆造纸工业黑液预处理系统J.造纸科学与技术,2 0 2 0,3 9（4）：4 7-50.9哈达.热力系统自动化控制系统的设计J.南方农机，2 0 2 0,51(2):133.10邹晶晶.造纸机电气传控系统的张力控制方案设计J.造纸科学与技术,2 0 2 3,4 2（4）：3 9-4 1+9 3.11朱万浩，章盼梅，孔令棚.基于工业物联网的造纸废水控制系统升级改造J.仪表技术与传感器,2 0 2 2（3）：6 3-6 7+7 3.12 陈帮贵，雷睿.高速造纸机电气传动自动化控制系统的设计与实现J.造纸科学与技术,2 0 2 2,4 1（6）：58-6 1.13 秦洪浪.基于的S7-300 PLC 的造纸能耗控制系统设计J.造纸科学与技术,2 0 2 2,4 1（1）:6 3-6 6.14宋永昌.造纸机电气传动全数字自动化控制系统研究J.造纸装备及材料,2 0 2 2,51(1):7-9.15姜红梅.基于工业物联网的造纸废水控制系统升级改造J.轻工科技,2 0 2 3(4):117-119.16孙永芳.基于PLC的造纸自动控制系统设计与实现J造纸科学与技术,2 0 2 1,4 0（5）：4 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