纸浆浓度控制系统设计

纸浆浓度控制系统设计

纸浆浓度测量

在制浆造纸生产过程中，纸浆浓度是最重要的物理量之一，稳定地调节纸浆浓度是实现工艺目标，达到质量标准的重要环节，也是较难解决的问题之一。纸浆浓度在线检测与控制一直是造纸行业自动化仪表应用的一项重要内容, 也是比较难以解决的问题之一。

常见的在线浓度测量方式主要有以下四种：外旋式浓度传感器、内旋式浓度传感器、静刀式浓度传感器、动刀式浓度传感器。

外旋转式浓度变送器将旋转锥体形敏感元件置于取样管的出口处，锥体表面与出口处的纸浆相对运动，当纸浆的浓度不同时，敏感元件上的剪应力发生变化，从而使锥体的旋转速度发生变化，由此变送器送出的电信号也随之变化，从而间接测量出纸浆的浓度。这种测量方式需要外加旁通管路，容易堵浆，当敏感元件与纸浆的接触面积发生变化时（这种情况是经常发生的），测量结果将发生偏差。

内旋转式浓度变送器为一微机化力矩平衡数字随动系统，浓度的变化反映在测量轴上的扭矩变化，扭矩增量克服测量轴和驱动轴之间的支撑摩擦力矩和连接橡胶圈的弹性力矩，使两轴在转动的同时产生相对角位移，光电传感器将它转变成电信号输给微机，微机反馈控制使两轴保持原有的相对位置，反馈控制的电流信号跟随浓度的变化而变化，因此输出的电流信号便可反映浓度。内旋式浓度变送器有高的灵敏度和好的稳定性，克服了外旋式的缺点，但内旋式的结构复杂，造价较昂贵。

静刀式浓度变送器由刀形敏感元件、主杠杆、矢量机构等组成。刀形敏感元件置于浆管中，当纸浆浓度不同时，流动的浆流使刀片两侧产生的剪应力随之变

化，这一变化由力平衡系统检出并转变成电信号。这种变送器零点经常会发生漂移，受流速的影响很大

动刀式浓度变送器由敏感元件、测量轴、驱动部件（力发生器）和电路单元组成。可动部件在驱动力和运动阻力的共同作用下以支承轴为支点作摆动，构成一个单自由度机械可动系统。如图1－7所示。

由于动刀式浓度变送器有着很高的性价比，在国内外造纸行业有着广泛的应用前景。用它替代外旋式浓度变送器和静刀式浓度变送器，可以提高在线测量的精度与稳定性，从而稳定上网纸浆浓度，提高成品纸的质量，提高纸厂的经济效益。因此，我们采用动式浓度变送器作为纸浆浓度测量元件。

纸浆浓度自动控制系统由纸浆浓度传感头、控制器和调节阀组。以下图2-1为纸浆浓度控制系统工艺流程图

控制方案

纸浆浓度控制系统包括：检测变送器，控制器，执行器。

控制方框图如图

我们采用动刀式纸浆浓度变送器在线检测出纸浆浓度，将标准的4~20mA信号并联一个500欧姆的电阻，把信号转化成电压信号，直接送至西门子PLC S7-200 224 XP CN的模拟量输入端，经与给定值比较后，经过一定算法直接从模拟量输出端输出一个4~20mA的信号到电动执行器，通过电动执行器来控制与之相连的阀门的开度，从而来控制白水的进水量，继而控制纸浆的浓度。

系统硬件设计：

控制算法：

对象参数模型：纸浆的浓度调节，其原理就是通过在纸浆原浆中加入白水稀释从而得到需要的浓度值，常用的浓度控制回路由纸浆浓度变送器、调节阀和浓度控制器三部分组成。

纸浆浓度自动控制系统的阀门动态特性、稀释水与纸浆的混合过程和纸浆浓度传感器的动态特性均为惯性环节。因此，纸浆浓度控制系统的传递函数为:

Y(s) U(s)=

K

Ts+1

e−τs

其中，K为对象增益即纸浆浓度测量值变化与阀门开度变化的比值；T为惯性时间，e−τs为由阀门到纸浆浓度传感器之间的管道起的时间延迟

滤波器的选择：

控制算法

根据以上给出的系统特点，即模型简单但干扰和参数变化范围大的特点，控制器选用自整定PID。选用自整定PID是基于下面几点考虑：

原理简单，使用方便

适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油、以及造纸等行业；

鲁棒性强：控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。

PID 控制，P 、I 、D 各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID 值，就可以获得较高的控制质量。

在纸浆浓度控制系统中由于具有滞后性，故选用比例积分微分（PID ）调节规律。

其数学表达式如下：

⎥

⎦

⎤⎢⎣⎡++

=⎰t

d i P dt t d

e T dt t e T t e K t u 0)()(1

)()( （式4-1）

上式中, )(t u ——PID 回路的输出; Kp ——比例系数P; i

T ——积分系数I;

d

T ——微分系数D;

PID 调节器的传输函数为：

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡++==

S T S T K S E S U S D d i P 1

1)()()( （式4-2）

软件设计：

流程图：

算法实现：