集散控制系统在制浆造纸洗涤工段的运用毕业设计论文

摘要

集散控制系统在造纸工业中得到广泛的运用，本文主要研究了集散控制系统在制浆造纸洗涤工段的运用。

洗涤工段是制浆造纸中一个重要的工段，洗涤的目的有两个：一个是把纸浆中的黑液洗涤干净以利于后序工序的顺利进行；二是尽可能获得高浓度的黑液，一边蒸发回收。

论文重点论证了洗涤工段工艺对自动控制提出的要求，控制方案的设计，集散控制系统的选择和硬件的配置。为了有效的控制生产过程、保证生产安全、保证产品质量和提高生产效率，必须及时检测出生产过程的有关量。所以文章介绍了控制仪表的选择原则和要求。文章中同时也讲述了DCS控制室的设计及其对环境、采光条件、建筑等提出的要求。

在本论文的设计过程中还运用到了CAD画图软件，绘制了管道仪表流程图已经仪表回路接线图等。

关键词：集散控系统 洗涤工段 控制方案 仪表 SUPCON JX-300X

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Abstract

Distributed Control System in the paper industry are widely used, this paper studies the distributed control system in the Pulp and Paper Section of the use of washing.

Wash section in is an important pulp and paper steps, washing two purposes: one is to wash the pulp black liquor in order to facilitate the smooth progress of the order process; second possible access to high concentration of black liquor, side of the evaporation recovery.

Paper demonstrates the focus of washing process on Automatic Control Section of the request, control program design, distributed control system selection and hardware configuration. In order to effectively control the production process to ensure safety, ensure product quality and increase production efficiency, the need for timely detection of the amount of the production process. Therefore, the article introduces the instrument of choice control principles and requirements. Article also describes the design of DCS control room and on the environment, lighting conditions, construction and other requests.

In this paper the design process is also applied to the CAD drawing software, draw a flow chart has been meter circuit pipe instrument wiring diagram and so on.

Keywords : Distributed Control System Wash section in Controling Meter SUPCON JX-300X

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目录

第1章 绪论 .......................................................................................................... 4

1.1中国纸浆造纸过程自动化现状 ............................................................... 4 1.2浆纸过程自动化的意义 ........................................................................... 4 1.3自动化系统在中国制浆造纸行业中的应用 ........................................... 4 第2章 洗涤工段生产流程 .................................................................................. 6

2.1洗涤目的 ................................................................................................... 6 2.2洗涤原理 ................................................................................................... 6 2.3洗涤的方法和设备 ................................................................................... 7 第3章 洗涤工段控制方案 ................................................................................ 10

3.1洗涤工艺对自动控制提出的要求 ......................................................... 10 3.2控制方案 ................................................................................................. 10 3.3洗涤工段涉及的控制系统 ..................................................................... 12

3.3.1单回路控制系统 ........................................................................... 12 3.3.2串级控制系统 ............................................................................... 13 3.3.3比值控制系统 ............................................................................... 15

第4章 仪表的选型 ............................................................................................ 19

4.1 控制装置的选择 .................................................................................... 19 4.2检测仪表元件的选型 ............................................................................. 20

4.2.1温度测量仪表的选型 ................................................................... 20 4.2.2流量测量仪表的选型 ................................................................... 22 4.2.3物位检测仪表选型 ....................................................................... 25 4.2.4纸浆浓度测量仪表选型 ............................................................... 27

第5章 集散控制系统（DCS） ........................................................................ 30

5.1集散控制系统的发展历程及其机构体系 ............................................. 30 5.2浙大中控集散控制系统SUPCON JX-300X ........................................ 33

5.2.1 SUPCON JX-300X的总体结构 .................................................. 33 5.2.2SUPCON JX-300X的硬件 ........................................................... 34 5.2.3 CON JX-300X DCS 在纸浆造纸洗涤工段的应用 .................... 37

第六章 集散控制系统控制室设计 .................................................................... 38

6.1控制室的位置、布局和面积的选择 ..................................................... 38 6.2环境条件 ................................................................................................. 39 6.3建筑要求 ................................................................................................. 40 6.4采光和照明 ............................................................................................. 41 第7章 仪表连接 ................................................................................................ 42 全文总结 .............................................................................................................. 44 参考文献 .............................................................................................................. 45 致谢 ...................................................................................................................... 46

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第1章 绪论

1.1中国纸浆造纸过程自动化现状

造纸工业是与国民经济发展和社会文明建设信息相关的产业，在现代经济中的作用越来越受到人们的重视。发达国家都把它视为重要的制造业，在美国、加拿大、日本、芬兰、瑞典等国，造纸工业是国民经济的十大支柱产业之一。在中国，纸和纸板消费量和产量的增长速度与国内生产总值同步发展。自1980年到2000年，中国GDP增长2.2倍纸与纸板消费量增长4.9倍，产量长4.6倍。“十五”期间，中国GDP增长率约每年约在7%-8%，纸和纸板消费量亦将同步增长，将为中国造纸工业带来快速发展的机遇。

1.2浆纸过程自动化的意义

在现代过程工业中，造纸工业在投资、能耗、原料消耗和水耗等方面往往超过重工业。例如每生产一吨纸血药消耗一百八十吨水，生产一吨纸所需要的能量多于生产一吨钢。此外，造纸所需要的原材料消耗也非常大，实现纸浆造纸过程的计算机控制，不但可以改善工人的劳动条件，提高产品产量和质量，还能大幅度减少能源和原材料的消耗。实现制浆造纸过程自动化的经济显著，多年来一直受到世界各主要工业国家的重视。

随着浆纸工业的快速发展，制浆、造纸的规模不断扩大，技术水平不断提高。1886年，第一台纸浆浓度控制器的诞生；20世纪（30-40）年代，机械式和气动式控制仪表应用于造纸行业：50年代后，气动和电动单元组合仪表出现在制浆造纸生产线上；1961年美国首次成功地采用计算机对制浆造纸进行控制。此后随着计算机的更新换代，新的控制系统便层出不穷，目前，PLC、DCS、FCS等最新系统在造纸行业都得到广泛应用。此外，应用于制浆过程的控制理论也得到了广泛而深入的研究和发展，前馈控制、解耦控制、串级控制、预测控制、自适应控制、最优控制和智能控制等都不断在本行业得到实际应用。

1.3自动化系统在中国制浆造纸行业中的应用

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无论是新上的浆纸生产线，还是对老生产线进行改造，都需要配置高质量的自控仪表。这种势态对制纸行业自动化起到了很到的促进作用，并形成了一个巨大的市场空间。国外公司，如Siemens、ABB、Honeywell、Measurex、Metso等公司的DCS、QCS供应商争先恐后的参与竞争；国内一些原来从事非浆纸行业的控制公司，如北京和利时、浙大双元、海天、高达等测控公司，形成了一股激烈竞争的热浪。在这种市场是刺激先，中国的制浆造纸自动化水边迅速缩短了与国际的差距，目前，中国的制浆造纸过程自动化控制系统不但能满足国内浆纸行业的需求，而且还开始想俄罗斯、越南、缅甸等周边国家出口自动化产品。

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第2章 洗涤工段生产流程

2.1洗涤目的

纸浆的洗涤是制浆过程的一个重要环节，基本上是使浆料与黑液分离的过程，洗涤的目的在于充分洗净纸浆的同时，还要提取具有较高的浓度和温度的黑夜，以供碱回收生产。如果纸浆洗涤不干净，不仅造成化学药品的直接损失，影响提取率；并且由于过量残碱的存在，筛洗时易于引起泡沫，导致筛选与漂泊操作的困难，如在漂泊是增加氯耗，又会降低纸浆的白度和提高纸浆的灰分含量。为此，纸浆的洗涤应根据原料品种和生产要求尽量设法控制，以必要的最低耗水量保证洗净浆料，并且得到黑液浓度也高。一般要求木浆黑液浓度应达到10-12。波美，而草浆黑液浓度也要到达8-10。 波美左右。

2.2洗涤原理

黑液的分布主要在于纤维与纤维之间，其含量约占总液量的70-80%。 其次，在细胞腔内孔道里的黑液约占15-20%，在纤维细胞壁内的黑夜约占5%左右。为此，根据这种情况，若要分离出纸浆中的黑液而达到洗净的目的，必须采用挤压和扩散的方法进行洗涤。在纤维与纤维之间的黑液一般可以依靠挤压作用可以洗净，但其他部分的黑液则大多依靠扩散原理才能洗出。挤压作用实际上是借助于外表压力迫使纸浆的黑液通过一层过滤介质而排出，即所谓过滤过程；扩散是某种物质克服了阻力而转移到其他介质中的过程，而且推动物质扩散的因素主要是浓度差。这样纸浆的洗涤实质上也是一个稀释扩散过滤的过程，并且影响过滤速度和扩散数的的因素也是洗涤过程中的主要影响因素。

洗涤过程的影响因素很多的，一般包括如下几个方面：

温度：在洗涤过程中提高温度相应地降低了过滤液的粘度，从而增加过滤速度和扩散速度。这样利用热水洗涤可以加速洗涤过程，所以目前采用高温洗涤方法，如连续蒸煮则在器内利用高温高压进行洗涤，其温度有达到100℃以上。喷放后洗涤温度一般较低一些，约80℃左右。

压力：在洗涤过程中增加压力差，可以提高过滤速度，从而加速洗涤并

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得到浓度较高的黑液。但是，过分增加压力则又看可能压紧浆层，使毛细管直径变小，过滤阻力增加，反而降低洗涤的速度。

浆层阻力：浆层阻力取决于纸浆的性质和浆层厚度。浆层厚度有直接与过滤和扩散的速度有关。显然，增加浆层厚度会提高过滤和扩散的阻力，势必延长洗涤时间或降低洗涤质量，亦即残留在浆料中的黑液含量或残碱量会增加。

纸浆硬度：在洗涤过程中纸浆硬度愈大，一般有利于过滤但却不利于扩散。因此要将硬浆洗净比较困难，这是由于细胞腔内和细胞壁间的黑液扩散出来遇到的阻力较大，洗涤速度下降，所以增加洗涤时间。

2.3洗涤的方法和设备

目前多采用多段逆流洗涤方便，以控制加入洗涤水量，这样既可以洗净纸浆，又可以提取较浓黑液。多段逆流洗涤一般多采用三段或者四段逆流洗涤流程，如图2-1所示，通常是以多台设备串联使用。纸浆顺次进入各段设备，洗涤热水则从最后一段设备加入，而出稀黑液逆转至前一段设备作为洗液之用。这样逆流的黑液逐渐增浓，自第一段设备滤出浓黑液可送至碱回收工序，加以回收综合利用。

图2-1

普通国产四段真空洗浆机采用逆流原，工艺流程如图2-2所示。来自蒸煮车间的粗浆在喷放锅内经稀释后由上浆泵打出，经加黑液稀释后进入第一段真空洗浆机，由第二段黑液桶来是黑液进行喷淋洗涤。产生的黑液进入一段黑液桶，洗后浆有压料辊送入二段真空洗浆机。由三段黑液桶来的黑液进行喷淋洗涤。如此进行下去。当浆进入四段真空洗浆机时，用清水或浆料浓缩段黑液进行喷淋洗涤，然后黑液进入本段黑液桶，洗后浆被送到洗后浆塔，等待筛选工段筛选。在整个过程中，浆与洗涤液的流向都是反向的。浆有一

段进入四段，残碱越来越小；洗涤液由四段逆流到一段，波美度越来越高。

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图2-2

洗涤的设备最主要是真空洗涤机，洗涤池。洗涤池它是长方形敞口槽，池底用长方木分成若干格，上盖条板并铺设棕毯或铁丝网，构成过滤面的假底，其过滤面积应能保持浆层厚度不超过0.8-1.5m为宜，每吨浆所需过滤面积约为15-18m2。真空洗涤机是由一个圆筒转鼓在浆槽中回转而构成的。转鼓表面是具有孔径为8-10mm的多孔不锈钢过滤板，外再覆盖80-100目的不锈钢网或者40目的塑料网，并用铅丝缠紧。转鼓内部分为若干互不相通的隔室，而与洗鼓两端轴颈相应分格连通。在洗鼓轴颈两端均有固定于轴颈的多孔分配圈，随轴颈旋转。分配圈则与固定的分配头紧密接触，而分配头又与真空系统相连，并通过分配头的分配阀分为五个区域起不同的作用。在转鼓旋转时，与轴颈分配圈相连的各个隔室则仙湖轮流与分配阀五个区域接通。真空洗涤机的特点是占地面积小，生产效率高，但操作复杂而投资大。对于处理滤水性较好的浆料较为成熟，对于滤水性较差的浆料尚存在一定的困难，较易糊网，生产能力也低。真空洗浆机的技术特征如下表2-1所示：

表2-1 真空机技术特征

项目 号 型 ZNK-11 ZNK-12 10 2600×1300 8

ZNK-13 15 2600×2000 过滤面积 5 （m2） 洗鼓规格1750×1020 （mm）

洗鼓型式 洗鼓转速（转/分） 单吸、袋式、20单吸、袋式、24双吸、袋式、格 1.5~4.5 格 0.8~2.4 0.8~1.5 12~16 24格 0.27~2.7 0.8~1.5 12~14 JZT41-4,4千瓦 进浆浓度0.8~1.5 （%） 出浆浓度10~13 （%） 配用电机 JO241-6,3千瓦 JO251-8,4千瓦 JCH562,2.6千瓦 JO3112M-8,3千瓦 JO251-8，4千JO3112M-6,4千瓦 瓦 JO3132M-6,7.5千JO261-8，7.5瓦 千瓦 PD3型 无几变速机 A-3型 PD3型

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第3章 洗涤工段控制方案

3.1洗涤工艺对自动控制提出的要求

洗涤的目的有两个：一个是把纸浆中的黑液洗涤干净以利于后续序的顺利进行；第二个是尽可能获得高浓度的黑液，以利于蒸发。这两个要求是相互矛盾的。从影响洗涤效果的因素可知，为了达到稳定纸浆的洗净度，又稳定黑液浓度和提前滤，需要对串联真空洗浆过程进行下列参数进行检测或者调节。（1）喷放锅纸浆浆位的检测；（2）从喷放锅送往真空洗浆机的纸浆浓度和流量的自动调节；（3）用于洗浆的热水的流量和温度自动调节；（4）洗浆机浆槽中浆位的自动调节；（5）送碱回收的黑液浓度的自动调节和流量的检测；（6）各段黑液槽液位的自动调节和温度的自动检测。

3.2控制方案

纸浆洗涤主要是将纸浆中的可溶有机物和无机物洗净，同时能获得高浓度黑液。附件的管道仪表流程图为国内常用的洗涤工段控制流程示意图，相应的测控点见下表3-1。国外对制浆洗涤过程的控制已经有20余年的历史，积累了丰富的经验，并产生了几种经典的控制方案。国内在这方面的研究起步比较晚，控制水平与国外还存在一定的距离。 表3-1 洗涤过程检测控点一览表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

工位号 LIA-201 LIC-202 LIC-203 LIC-204 LIC-205 LIC-206 LIC-207 LIC-208 LIC-209 LIA-210 用途 浆池液位指示、报警 1号黑液槽液位控制 2号黑液槽液位控制 3号黑液槽液位控制 4号黑液槽液位控制 1号洗浆机液位控制 2号洗浆机液位控制 3号洗浆机液位控制 4号洗浆机液位控制 贮浆塔液位指示、报警 10

测量范围 5m 6m 6m 6m 6m 2.5m 2.5m 2.5m 2.5m 13m

11 12 13 14 15 16 17 18 19 FICQ-201 FIC-202 FIC-203 FIQ-204 FFIC-205 DIC-201 DIC-202 AIC-201 TI-201 进入混合箱浆流量控制、计算 洗浆机冲网用热水流量控制 4号洗浆机喷淋的水流量控制 贮浆塔出口流量控制 进混合箱黑液流量比例控制 进混合箱浆浓度控制 贮浆塔出口浆浓度控制 黑液波美控制 1号黑液槽温度指示 300m3/h 60 m3/h 80 m3/h 200 m3/h 300 m3/h 2%~3% 3.0% 6~10°Be 60~80℃ 从附件的管道仪表流程图可知，来自蒸煮段的浆料被送入浆池LIA-201是浆池的液位检测报警点。用浆泵将浆打入混合箱，并用FICQ-201来控制浆量，而DIC-201则是控制其浓度。同时被送入混合箱的还有由1号黑液槽泵出的黑液，其流量由FFIQ-205控制，并与FICQ-201成比例控制，以保证进入洗浆机的浆浓度保持一定。1号真空洗浆机的液位控制LIC-206与FICQ-201组成液位流量串级控制系统。供洗涤用的白水和热清水的加入量分别由FIC-203、FIC-202来加以控制。4号真空洗浆机流出的黑液流入4号黑液槽，并利用“水腿”效应产生真空。4号黑液槽的黑液有黑液泵泵至3号真空洗浆机，根据不用途不同，分成两路：一路至3号洗浆机的喷淋头部，对鼓上的浆进行冲洗；另一路被送至浆槽，对鼓上剥离下来的浆块进行离解、漂洗。在这里设立了两个控制点：LIC-205是通过控制喷淋黑液流量的大小来维持黑液槽的液位稳定；LIC-209是通过控制进入将槽的黑液流量来维持浆槽的液位稳定。在其余的几个真空洗浆机上，同样的理由设置了LIC-204、LIC-208及LIC-203、LIC-207。1号黑液槽中，存放了最终的将被送往蒸发工段的黑液，除了小部分被送往“混合箱”及浆池出浆浓度控制用液外，其余部分被送往蒸发工段。1号黑液槽的液位控制LIC-202与泵出黑液流量控制FIC-206组成液位流量串级控制系统。AIC-201是送出黑液的波美度检测、控制，其手段是通过控制进入洗浆系统的白水流量来调节黑液的波美度。贮浆塔液位检测点为LIA-210,在出口处，还设置有浆浓度控制DIC-202及流量检测、累计FIQ-204。

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3.3洗涤工段涉及的控制系统

3.3.1单回路控制系统

在洗涤工段自动控制设计中，最主要运用到了三种控制系统。一是简单的控制系统，也就是单回路控制系统；二是串级控制系统；三是比值控制系统。

简单控制系统，是由一个测量元件及变送器、一个控制（调节）器、一个调节阀和一个被控过程（调节对象）组成，并只对一个被控参数进行控制的单闭环反馈控制系统。其系统方框图如下图3-1所示：

图3-1

简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。下图3-2就是一个简单的控制回路。控制的对象是洗浆机冲网热水流量，检测元件是流量计，当水流量发生变化时，检测变送装置把检测结果送到控制器，控制器经过计算得出一个输出值去控制执行器即阀门。通过这样调节就可以保持热水流量的稳定。

单回路控制系统被控参数的选择一般有以下几条原则：

(1)选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的，可直接测量的工艺参数为被控参数。

(2)当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。

(3)被控参数必须具有足够大的灵敏度。

(4)被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。

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根据过程特性选择控制参数的一般原则:

(1)控制通道参数选择：选择过程控制通道的放大系数Ko要适当大一些，时间常数To要适当小一些。纯时延τ0愈小愈好，在有纯时延τ0的情况下，τ0与To之比应小—些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。

(2)扰动通道参数选择：选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小。时间常数Tf要大。扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀）。容量时延τc愈大则有利于控制。

(3)时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。

(4)注意工艺操作的合理性、经济性。

图3-2

3.3.2串级控制系统

串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。其系统框图如下图3-2所示。

通过以上框图我们可以分析出，在串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除。由于主、副回路相互配

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合、互相补充，使控制质量显著提高。串级控制系统主要运用于

图3-3

对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。下图3-4就是其中的一个液位-流量串级控制系统，副回路被控参数是流量，主回路被控参数是液位。选择流量作为被控参数主要副回路包含了主要的干扰，也就是流量的变化。当流量有变化是副回路能够很好的克服。

图3-4

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串级控制系统主参数的选择原则与单回路控制系统被控参数的选择原则是一致的。其副回路是选择也就是确定副回路的被控参数一般应遵循以下几个原则：

（1）主、副参数有对应关系。在串级系统中，一如副参数是为了提高主参数的控制质量，副参数与主参数之间应具有一定的对应关系，即通过调整副参数能有效影响主参数。在主参数确定以后所选定的副参数应与主参数一定的内在联系，副参数的变化应反映主参数是变化趋势、并在很大程度上影响主参数；其次，选择的副参数必须是物理上可测的；另外，由副参数所构成的副回路，调节的通道尽可能短调节过程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反应速度，改善系统控制品质。

（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰为了充分发挥串级控制系统对进入副回路的干扰有较强克服能力的特点，在选择副参数时一定要把住干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中。但也不是福回路包含的干扰越多越好，因为副回路包含的干扰越多，其控制通道的时间常数必然增大，响应速度变慢，副回路快速克服干扰的能力将受到影响。

（3）副参数的选择应考虑到主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防止“共振”的发生，在串级控制系统中，主、副回路中控制过程的时间常数不能太近。一方面是为了保证副回路具有较快的反应能力；另一方面是由于在串级系统中，主、副回路的密切相关。副参数的变化会影响到主参数，而主参数的变化通过反馈回路有会影响到副参数。如果主、副回路的时间常数比较接近，系统一旦受到干扰，就有可能产生“共振”，使控制质量下降，甚至是系统因振荡而无法工作。

（4）应注意工艺上合理性和经济性。控制系统是为了生产服务的，所设计的系统首先要考虑生产工艺的合理性。如果系统方案在控制原理上是合理的，但工艺不合理，则应重新考虑控制方案。

3.3.3比值控制系统

实现两个或者两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值

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