摘 要：本文介紹了一種基于西門子PLC的熱泵供汽控制系統(tǒng)。對(duì)紙機(jī)供熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用一種新型的供汽系統(tǒng)——-熱泵供汽系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)三段供汽。該系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的控制方案，軟硬件緊密結(jié)合，使系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高，特別適用于I/O點(diǎn)較多的大型紙廠。此系統(tǒng)已在浙江一紙廠應(yīng)用，具有一定的推廣價(jià)值。 關(guān)鍵詞：熱泵;三段供汽;DCS 引言 　　目前，在紙機(jī)干燥部普遍采用傳統(tǒng)三段供汽方法，這種供汽方式能耗大，效率低，嚴(yán)重制約著造紙技術(shù)的向前發(fā)展。隨著造紙技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的供汽方法——熱泵供汽，這種供汽方法能夠很好的解決傳統(tǒng)三段供汽烘缸冷凝水排放不暢、能耗大、效率低的缺點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)串聯(lián)式三段供熱上下段之間相互影響的矛盾，各組烘缸的溫度曲線調(diào)節(jié)十分方便。 1 熱泵供汽性能分析 　　如圖1，利用熱泵替代閥門節(jié)流減壓執(zhí)行器所需品位和數(shù)量的蒸汽，利用蒸汽減壓前后的能量差使其工作蒸汽冷凝水系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽，提高能級(jí)后再供生產(chǎn)使用。特別是在蒸汽噴射式熱泵工作過程中，在閃蒸罐中將蒸汽冷凝水產(chǎn)生的二次蒸發(fā)汽增壓后供給紙機(jī)烘缸加熱，同時(shí)降低了閃蒸罐的工作壓力，增大了烘缸排出蒸汽冷凝水的壓差，有利于蒸汽冷凝水通暢排出。冷凝水經(jīng)過多級(jí)閃蒸后熱能得到充分利用。在熱泵供汽系統(tǒng)中，各段紙機(jī)烘缸排出的蒸汽冷凝水經(jīng)過多級(jí)閃蒸，依次產(chǎn)生不同品位的二次蒸汽，蒸汽冷凝水降低溫度后，再排出冷凝水罐。如I段烘缸排出的蒸汽冷凝水進(jìn)入一級(jí)冷凝水閃蒸罐，產(chǎn)生二次蒸發(fā)汽經(jīng)熱泵增壓后供一段烘缸加熱用，由一級(jí)閃蒸罐排出的蒸汽冷凝水進(jìn)入二級(jí)閃蒸罐進(jìn)行多級(jí)閃蒸，熱能得到了充分利用。 [align=center] 圖1 三級(jí)閃蒸熱泵供熱系統(tǒng)工藝流程 1.分汽缸 2.一級(jí)閃蒸罐 3.二級(jí)閃蒸罐 4.三級(jí)閃蒸罐 5.冷凝水貯水罐 6.冷凝水水泵 7-9.熱泵 10-16.差壓排水器 17.分離器 18.真空泵 19.水封槽[/align] 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù) 　　紙幅在造紙機(jī)的網(wǎng)部成形并在壓榨部脫水以后，大約尚有60%～80%的水分，然后在造紙機(jī)的干燥部用加熱蒸發(fā)擴(kuò)散的方法進(jìn)一步脫去，使紙幅達(dá)到成品所需的94%左右的干度。濕紙頁(yè)進(jìn)入干燥部與烘缸接觸干燥，要求干燥溫度按一定的規(guī)律變化，稱為干燥曲線。 　　要在生產(chǎn)過程中得到合適的干燥曲線（圖2），首先要選擇好烘缸的分組和各組的烘缸個(gè)數(shù)，其次是用自動(dòng)化儀表去調(diào)節(jié)和穩(wěn)定干燥曲線。為了便于排除烘缸內(nèi)的冷凝水，還必須保持烘缸內(nèi)汽壓和冷凝水箱汽壓之差，即跨過吸管的壓力之差的穩(wěn)定。 [align=center] 圖2 各種紙張烘缸溫度曲線 1-瓦楞紙2-新聞紙3-1號(hào)書寫紙4-2號(hào)書寫紙[/align] 　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　2.2.1 系統(tǒng)組成 　　圖3為DCS系統(tǒng)控制圖，本系統(tǒng)中，各控制分部于上位機(jī)（操作員站）通過WinCC監(jiān)控軟件的OPC接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。OPC接口是OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的一套標(biāo)準(zhǔn)的COM接口，其基于OPC規(guī)范。OPC規(guī)范基于微軟的COM技術(shù)，規(guī)范了過程控制和生產(chǎn)自動(dòng)化軟件與用OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的硬件驅(qū)動(dòng)程序之間的接口，并且提供基于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。只要工業(yè)自動(dòng)化軟件符合OPC規(guī)范，它不需要做任何修改就能一致地訪問所有OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的硬件驅(qū)動(dòng)程序。 [align=center] 圖3 DCS系統(tǒng)控制圖[/align] 　　2.2.2 CPU模塊 　　本次設(shè)計(jì)應(yīng)用西門子S7-400可編程序控制器構(gòu)成熱泵供汽DCS子系統(tǒng)。S7系列PLC是在S5系列基礎(chǔ)上研制出來的。它由微型S7-200、中小型S7-300、中大型S7-400組成。其中結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉的S7-200使用小型的自動(dòng)化控制系統(tǒng);緊湊型、模塊化的S7-300是用于極其快速的過程處理或?qū)?shù)字處理能力有特別要求的中小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)。功能極強(qiáng)的S7-400適于大、中型自動(dòng)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中使用的CPU為CPU414-2 ，型號(hào)6ES7414-2XG03-0AB0。 　　2.2.3 信號(hào)輸入輸出模塊 　　本次控制I/0點(diǎn)分別為：部分流送：AI=20，AO=9，DI=80，DO=40;干部：AI=22，AO=19，DI=10，DO=5; 　　DI是將外部過程的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成可編程控制器CPU模塊所需要信號(hào)，并傳送給系統(tǒng)總線上。DI模塊選擇直流32點(diǎn)輸入模塊6ES7 321-1BL00-0AA0，其額定負(fù)載電壓為24VDC。輸入電壓“1”范圍13～30V，“0”范圍-3～5V。共計(jì)4塊。 　　DO是將CPU模塊處理的內(nèi)部數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成外部過程所需的信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)外部過程的執(zhí)行機(jī)﹑顯示燈等負(fù)載。DO選擇32點(diǎn)晶體管輸出模塊6ES7 322-1BL00-0AA0，輸出點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，額定電壓24VDC。最大輸出電流：“1”信號(hào)0.5A，“0”信號(hào)0.5mA,最小輸出電流：“1”信號(hào)5mA。共計(jì)2塊。 　　AI是將外部生產(chǎn)過程緩慢變化的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為可編程序控制器內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)。設(shè)計(jì)選擇SM331，8＊12位。共計(jì)7塊。 　　AO是將PLC內(nèi)部的數(shù)字結(jié)果轉(zhuǎn)換成外部生產(chǎn)過程的模擬量信號(hào)。設(shè)計(jì)選擇SM332 ，4＊12位模塊6ES7。共計(jì)6塊。 　　2.2.4 控制功能及策略： 　　本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下幾種控制功能 　　1）低選與分層調(diào)節(jié)的組合功能 本系統(tǒng)每組烘缸具有低選與分層調(diào)節(jié)的組合功能，其主要目的是解決紙機(jī)烘干部出現(xiàn)斷紙時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的去調(diào)節(jié)每組烘缸的排水能力，會(huì)自動(dòng)的降低每組烘缸進(jìn)汽壓力，保證每個(gè)烘缸組在斷紙時(shí)排水性能仍處于最佳狀態(tài)。 　　2）高選功能 本系統(tǒng)第一組烘缸具有高選功能，第一組烘缸共有三個(gè)控制回路，第一個(gè)控制回路控制1#烘缸的進(jìn)汽壓力，第二個(gè)控制回路控制2#烘缸的進(jìn)汽壓力，第三個(gè)控制回路控制3#﹑4#烘缸的進(jìn)汽壓力，第一烘缸組首先利用其它四個(gè)熱泵系統(tǒng)所吹泄出的少量蒸汽，當(dāng)任何一個(gè)烘缸進(jìn)汽壓力不夠時(shí)，通過高選功能自動(dòng)打開補(bǔ)充新鮮蒸汽閥門進(jìn)行補(bǔ)充，其目的主要是充分利用其它四個(gè)烘缸組尾汽和閃蒸蒸汽。 　　3）串級(jí)控制功能 PIC-101與紙張水分信號(hào)進(jìn)行串級(jí)控制，即紙張水分信號(hào)作為PIC-101控制回路的外給定，PIC-101在外給定工作狀態(tài)時(shí)PIC-101的壓力大小由紙張水分來控制。 　　4）比值控制功能 PIC-102，PIC-103，與PIC-101實(shí)現(xiàn)了比值控制，即在PIC-102，PIC-103在外給定工作狀態(tài)時(shí)，PIC-102，PIC-103只要設(shè)定好比例系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)比值控制。在比值控制狀態(tài)下，只要改變PIC-101壓力設(shè)定值，其它所有烘缸組的壓力設(shè)定值就按比例系數(shù)自動(dòng)得到改變。如果系統(tǒng)在串級(jí)控制狀態(tài)下所有烘缸組的壓力就會(huì)隨著紙張水分大小自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，無需人工干預(yù)，因此，紙機(jī)烘干部可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。 　　5）斷紙連鎖功能 當(dāng)烘干部斷紙時(shí)，每5分鐘PIC-101壓力設(shè)定值下降50Kpa，直至PIC-101壓力值降至50Kpa為止，紙機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)斷紙結(jié)束紙張全部經(jīng)過烘干部時(shí)PIC-101的設(shè)定值自動(dòng)恢復(fù)斷紙前的壓力設(shè)定值，并由紙張的水分大小來自動(dòng)改變PIC-101的壓力設(shè)定值，因此紙機(jī)很快就進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。 　　2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　本次程序設(shè)計(jì)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制要求，使用結(jié)構(gòu)化編程，程序結(jié)構(gòu)層次清晰，部分程序通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，易于修改、簡(jiǎn)化程序的調(diào)試。如圖4所示，F(xiàn)C100是讀模擬量輸入程序，該程序用指針作為地址變量，且地址變量具有通用性。FC98是對(duì)讀入的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行十次濾波。程序測(cè)試穩(wěn)定，運(yùn)行良好。 [align=center] 圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖[/align] 　　2.4系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計(jì) 　　根據(jù)工藝要求與控制，該系統(tǒng)有熱泵供汽示意圖﹑網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)圖﹑報(bào)警指示圖等。 　　該控制系統(tǒng)取消了常規(guī)儀表的記錄與顯示功能，將所有的壓力﹑流量﹑液位﹑濃度等信號(hào)在計(jì)算機(jī)上以動(dòng)態(tài)圖形顯示。系統(tǒng)的各種控制參數(shù)﹑工藝參數(shù)及生成的數(shù)據(jù)庫(kù)均可自動(dòng)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)查詢，同時(shí)定時(shí)進(jìn)行報(bào)表打印。 　　當(dāng)有異常發(fā)生時(shí)，可立即以色變﹑閃爍等各種形式向操作人員報(bào)警。 　　操作員站鍵盤具有專用功能鍵，可直接調(diào)出畫面，用戶可根據(jù)需要任意指定目標(biāo)畫面。各個(gè)畫面的展開鍵和滾動(dòng)鍵使畫面窗口的信息可以任意調(diào)出，滾動(dòng)檢索，提高了工作效率。 3 結(jié)論 　　該系統(tǒng)已應(yīng)用于浙江一紙廠紙機(jī)干燥部，經(jīng)過前期調(diào)試本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定﹑抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)：一方面提高了系統(tǒng)的傳熱效率，另一方面提高了紙機(jī)烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)平衡度，提高了車速，降低了能耗，并有利于烘缸中冷凝水的排出。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用一種新型的供汽系統(tǒng)——-熱泵供汽系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)三段供汽。該系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的控制方案，軟硬件緊密結(jié)合，使系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高，特別適用于I/O點(diǎn)較多的大型紙廠。實(shí)踐證明：采用這種控制方案后，有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和傳熱效率。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 隆言泉. 造紙?jiān)砼c工程。北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1994 　　[2] 趙閃. 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