第1章 制浆造纸过程自动测量与控制

1、制浆造纸过程控制系统制浆造纸过程控制系统刘鸿斌刘鸿斌南京林业大学南京林业大学2016-5-112016-5-11联系方式：联系方式：办公室：化工楼办公室：化工楼23212321室室QQQQ：3015354830153548手机：手机我介绍自我介绍l2015/3 - 至今，南京林业大学，轻工科学与工程学院，自动化系，副教授l2015/6 - 2015/8（暑假），韩国庆熙大学访问学者、研究教授l2013/10 2014/12，瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University），信息与技术学院，博士后l导师：Bengt Carlssonl研究项目：“污水处理系统的监

2、测和控制”2自我介绍自我介绍l2009/9 - 2013/8，韩国庆熙大学（Kyung Hee University），环境科学与工程，博士l导师：ChangKyoo Yool博士论文题目：“首尔地铁系统室内空气质量的建模、监测和控制”（庆熙大学最佳博士论文奖）l2006/9 - 2009/6，华南理工大学，制浆造纸，硕士l导师：沈文浩l硕士论文题目：“木素结构和热解机理的量子化学研究”3自我介绍自我介绍l2004/7-2006/9，广州造纸集团有限公司，工艺员l2000/9 - 2004/7，四川理工学院，轻化工程，学士452009.9SCUTKHU2013.9.20韩国庆熙大学（博士大学）

3、韩国庆熙大学（博士大学）6首尔校区行政大楼Kyung Hee University: a comprehensive, research universityFounded in 1949 首尔校区和水原校区教职工: 2,976; 学生: 31,453 (2011)Ranked 7th in Korea (2011); 41st in Asia (2012); 270th in the world (2012)/wiki/Kyung_Hee_University博士课题组博士课题组l博士导师：(1969 - ) / Yoo ChangKyoo 教授l

4、中文名字：刘昌奎，喜欢中国文化，去过上海和三亚l1999-2002，浦项工大，博士l2002-2004，比利时根特大学，博士后l2005-2006，浦项工大，研究教授l2006-至今，庆熙大学，教授l至今发表SCI论文200多篇（引用次数2824次）l专长：基于数据驱动的过程监测算法研究和应用lkernel principal component analysis（引用424次）lindependent component analysis（引用355次）ldynamic independent component analysis（引用169）2010201120127瑞典乌普萨拉大学（博后

5、大学）瑞典乌普萨拉大学（博后大学）8l北欧最古老的大学；瑞典顶级大学；世界排名北欧最古老的大学；瑞典顶级大学；世界排名100左右左右v博后导师：Bengt Carlsson 教授 研究方向：废水过程的仿真和控制 废水处理领域 IWA 院士 最早提出开发废水仿真软件BSM1 喜欢音乐和旅游（福特野马跑车福特野马跑车）系统与控制系系统与控制系9l教授、副教授 9人；博士生16人；博后3人 （2014）l瑞典皇家工程科学院院士：lTorsten Soderstrom（系统辨识）lPetre Stoica（信号处理）乌普萨拉大学历史名人乌普萨拉大学历史名人Jacob UlvssonCarl von L

6、innOlof Rudbeck Anders CelsiusNils RosnErik Gustaf GeijerBetty PetterssonEllen FriesGerd EnequistJohan SkytteAnders ngstrmC W Scheele乌普萨拉大学历史名人乌普萨拉大学历史名人10Allvar Gullstrand Nobel Prize in Physiology and Medicine 1911Robert Brny Medicine 1914Manne Siegbahn Physics 1924The Svedberg Chemistry 1926Natha

7、n Sderblom Nobel Peace Prize 1930Arne Tiselius Chemistry 1948Dag Hammarskjld Nobel Peace Prize 1961Kai Siegbahn Physics 1981乌普萨拉大学诺贝尔奖获得者（乌普萨拉大学诺贝尔奖获得者（8人）人）11我的研究方向我的研究方向l多元统计过程监测和故障诊断l废水处理过程的建模和控制l未来研究重点：制浆造纸过程监测和控制12十年18个国家的旅行 2015-11-11.mp4参考教材参考教材l推荐：制浆造纸过程自动测量与控制，刘焕彬，推荐：制浆造纸过程自动测量与控制，刘焕彬，中国轻工出

8、版社，中国轻工出版社，2009（图书馆有藏书）（图书馆有藏书）l制浆造纸厂仪表配置与自动控制， 张运展（译），199213先修课程先修课程l化工自动化及仪表l制浆原理与工程l造纸原理与工程教学计划教学计划lChapter 1 Basic conception of automatic system and instruments lChapter 2 Development of mathematical model for a processlChapter 3 Controller and its characteristicslChapter 4 Controlled valve lCh

9、apter 5 Engineering design and adjustment of control system lChapter 6 Measurement and control of common variables lChapter 7 Measurement and control of concentration lChapter 8 Measurement and control of paper moisture and basic weight lChapter 9 The automation measurement in typical paper making p

10、rocess14Chapter 1 Basic conception of automatic system and instruments Section Automatic systems 1-1-1 Content of automation 1-1-2 Automatic control system Section Automatic instruments15Section Automatic systems 1. What is automation Automation is the technique of making a process system automatic

11、and processing information through the instruments that measure and control the various operation. 自动化是一门在没有人参与（或很少人参与）自动化是一门在没有人参与（或很少人参与） 的情况下，使生产过程和系统能顺利完成的技术。的情况下，使生产过程和系统能顺利完成的技术。1-1-1 Content of automation162. Contents 按照生产过程对各种参数的不同要求，分为：按照生产过程对各种参数的不同要求，分为：(1) Automation measurement Function

12、: 测量测量和和显示显示参数数值以利于分析生产状态。参数数值以利于分析生产状态。 Measuring variables of process Indicating them for analyzing process state17自动检测是最普遍的自动化形式。自动检测是最普遍的自动化形式。18(2) Automatic alarm and prevent (safety control ) Function: safety action Composition: a. Automatic alarm19b. Automation prevent 自动阻止自动阻止 20压力值超过极限，红灯亮

13、起原原料料15432卧卧式式连连续续蒸蒸煮煮器器的的自自动动连连锁锁和和保保护护系系统统：212号检测器发现传输皮带堵塞，停止进料要求：要求： a. 开机顺序：后开机顺序：后前前 b. 停机顺序：前停机顺序：前后后 c. 其中某一台电机出现故障时，其前面的电机其中某一台电机出现故障时，其前面的电机 自动停机，其后面的电机照常工作。自动停机，其后面的电机照常工作。(3) Program control system 2223(4) Automatic control Function: maintaining process conditions constant at the required

14、 values or changing in some special regularity.24调节调节: 人工调节人工调节 自动调节自动调节: 定值调节系统、随动调节系统定值调节系统、随动调节系统 (如如雷达跟踪系统雷达跟踪系统)、程序调节系统、程序调节系统 (给定值是变给定值是变化的，是已知的时间函数化的，是已知的时间函数)251-1-2 Automatic control system1. Manual and automatic control (1) Control-regulation 调节调节: 使生产过程的参数按工艺要求保持在某一定使生产过程的参数按工艺要求保持在某一定值上值

15、上(或按特定规律变化或按特定规律变化) 的一种技术措施。的一种技术措施。 Manual control: achieving the control by human operator. Automatic control: achieving the control by instruments. (2) Manual control and Automatic control Automatic control is developed from manual control. 262. Automatic control system Four parts:(a)Process: 需要调

16、节其工艺参数的生产设备或机器。需要调节其工艺参数的生产设备或机器。(b)Transmitter : 用以感受工艺参数并将其转化为标用以感受工艺参数并将其转化为标准信号的仪器。准信号的仪器。 (c) Controller(d) Controlled valve 272829手动操作和自动控制的比较手动操作和自动控制的比较l人工操作：手指皮肤、 脑、 手l自动控制：测量变送器、自动控制器、执行器水温手动调节示意图水温手动调节示意图水温自动调节示意图水温自动调节示意图自动控制：自动控制：用专用的仪表和装置组成控制系统，以代替人的手动操作，用专用的仪表和装置组成控制系统，以代替人的手动操作，去调节控制

17、参数，使之维持在给定数值上，或是按给定的规律变化，从去调节控制参数，使之维持在给定数值上，或是按给定的规律变化，从而满足控制的要求。而满足控制的要求。l如图1-1所示的水槽，流入量和流出量分别为F1和F2，控制要求是维持水槽液位L不变 人工控制：1.眼睛测量液位2.大脑判断值的大小3.手执行操作命令缺点：1.操作者素质2.生理因素3.心理因素l自动控制：1.测量液位测量仪表眼睛2.判断控制器大脑3.执行控制阀手优点： 在仪表质量合格和控制系统设计合理时，能满足控制要求 表示变送器，常省去不画 LC表示液位控制器sp代表控制器的给定值 l第一种情况：在平衡状态下，F1突然变大l第二种情况：在平衡

18、状态下，F2突然增大了l由上分析可知，不论液位在何种干扰作用下，最终把液位拉回到给定值上。 液位液位L上升，测量仪表输出上升，测量仪表输出信号增加（大于给定值），信号增加（大于给定值），调节器输出信号变化，使得调节器输出信号变化，使得F2阀门开度增加，流量阀门开度增加，流量F2增加。最终液位增加。最终液位L将慢慢下将慢慢下降并逐渐趋于给定值。当再降并逐渐趋于给定值。当再度达到度达到F2=F1时，系统将时，系统将达到一个新的平衡状态达到一个新的平衡状态 液位液位L下降，测量仪表输出下降，测量仪表输出信号减小，调节器输出信号信号减小，调节器输出信号变化，使得变化，使得F2阀门开度减阀门开度减小，流

19、量小，流量F2减小。最终液减小。最终液位位L将慢慢上升并逐渐趋于将慢慢上升并逐渐趋于给定值。当再度达到给定值。当再度达到F2=F1时，系统又将达到时，系统又将达到一个新的平衡状态一个新的平衡状态 通用控制系统方框图 34 xset point, desired value zmeasured value of controlled variable e = x - z error pcontrol signal qmanipulated variable ycontrolled variable ddisturbance (干扰信号，使干扰信号，使y偏离偏离x的外界因素的外界因素)Featur

20、e: (1) 自动调节系统是按偏差自动调节系统是按偏差e的大小的大小 (包含包含e的符号的符号) 进行调节的。进行调节的。 (2) 自动调节系统由封闭回路组成自动调节系统由封闭回路组成 (闭环闭环)。 (3) 自动调节系统是负反馈的。自动调节系统是负反馈的。35 3. Response of automatic control system Steady-state: variables do not change with time 静止与静态的区别，静态是相对的、暂时的、有条件的。静止与静态的区别，静态是相对的、暂时的、有条件的。 Dynamic-state: variables chan

21、ge with time 动态是绝对的、经常的、无条件的。动态是绝对的、经常的、无条件的。 Transient response: the period from one steady-state to another steady-state ( the period of control action overcome disturbance) disturbance producing error control action overcome error 控制过程总是处在一波未平，一波又起，波动不止，往复不控制过程总是处在一波未平，一波又起，波动不止，往复不息的动态过程中。息的动态过程

22、中。3637扰动信号384. Quality desire for control system (1)Two types control response 当输入（干扰或给定值）发生阶跃变化时，由于当输入（干扰或给定值）发生阶跃变化时，由于过程本身的特性，过渡过程有以下几种基本形式。过程本身的特性，过渡过程有以下几种基本形式。39衰减震荡衰减无震荡good control result decaying oscillation stable response achieve new steady-state：(a) (b)unstable response not achieve new s

23、teady- state： (c) (d) 40Section Automatic instruments要点要点: 1.Type (1) 按作用分：测量仪表按作用分：测量仪表 、显示仪表、调节仪表、显示仪表、调节仪表 (2) 按工作能源分：气动仪表按工作能源分：气动仪表 pneumatic instrument 、液动仪表、电动仪表、液动仪表、电动仪表 electric instrument (3) 按作用的组合方式分按作用的组合方式分: 基地式、单元组合式基地式、单元组合式 element combinatory instrument 43信号信号/mA温度温度/0501

24、00100200300流量流量/m3h-110254002550Example: 气动仪表气动仪表2. Standard signal 气动仪表气动仪表: 0.21.0 Kg/cm 气压信号气压信号 电动仪表电动仪表: 010 m A (DC) (型型) 420 m A (DC) (型型) 电流信号电流信号44工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图仪表符号1.图形符号2.字母代号3.仪表位号 采用美国仪表学会（采用美国仪表学会（ISA）编制的仪表代号）编制的仪表代号 采用美国制浆造纸技术协会（采用美国制浆造纸技术协会（TAPPI）和加）和加拿大制浆造纸协会（拿大制浆造纸协会（CPPA）编制代

25、号）编制代号例子：工艺管道及控制流程图例子：工艺管道及控制流程图脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例左图是乙烯生产过程左图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图道及控制流程图 能看懂吗？能看懂吗？38序序号号安装位安装位置置图形符号图形符号备注备注序序号号安装位置安装位置图形符图形符号号备注备注1就地安就地安装仪表装仪表嵌在管道嵌在管道中中4集中仪表集中仪表盘后安装盘后安装仪表仪表2集中仪集中仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 5就地仪表就地仪表盘面安装盘面安装仪表仪表3就地仪就地仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表（一）仪表安装位置的图形符号表

26、示（一）仪表安装位置的图形符号表示常规仪表图形符号：直径为12mm(或10mm)的细实线圆圈字母字母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析电导率电导率密度密度电压电压流量流量电流电流时间或时间程序时间或时间程序物位物位水分或湿度水分或湿度压力或真空压力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或频率速度或频率温度温度黏度黏度力力供选用供选用位置位置差差比（分数）比（分数）积分、累积积分、累积安全安全报警报警控制（调节）控制（调节）检测元件检测元件指示指示自动自动-手动操作器手动操作器积分、累积积分、累积记录或打印记录

27、或打印开关、联锁开关、联锁传送传送阀、挡板、百叶窗阀、挡板、百叶窗套管套管继动器或计算器继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构驱动、执行或未分类的终端执行机构（二）被测变量和仪表功能的字母代号（二）被测变量和仪表功能的字母代号脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例举例举例塔顶的压力控制系统塔顶的压力控制系统PIC-207：P测量压力；测量压力；I：具有：具有指示功能；指示功能；C具有控制功能；具有控制功能；回流罐液位控制系统回流罐液位控制系统LIC-201。 塔下部温度控制系统塔下部温度控制系统TRC-210具有指示功能的压力控制器。该控具有指示功能的压力

28、控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维制系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。持塔压稳定的。 具有指示功能的液位控制器，它是具有指示功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。持回流罐中液位稳定的。 具有记录功能的温度控制器，它是具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。来维持塔底温度恒定的。 207、201、210 ?（三）仪表位号（三）仪表位号 仪表位号仪表位号是由字母代号组合是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯

29、数字编号写在圆圈的下半阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。示仪表序号。 测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装，工段号为表为就地安装，工段号为2，仪表序号为，仪表序号为06。 在加热蒸汽管线上具有记录和指示功能的控制仪表，在加热蒸汽管线上具有记录和指示功能的控制仪表，该仪表为集中安装，工段号为该仪表为集中安装，工段号为2，仪表序号为，仪表序号为10。 如果一台仪表同时具有显示和记录功能，只需要标注如果一台仪表同时具

30、有显示和记录功能，只需要标注R。PI-206：TRC-210：就地安装就地安装 集中安装集中安装多功能复式仪表多功能复式仪表(就地、集中就地、集中)气动调节阀气动调节阀电动调节阀电动调节阀活塞式调节阀活塞式调节阀手动阀手动阀信号线信号线三通控制阀三通控制阀有三个出入口与工艺管道连接有三个出入口与工艺管道连接流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种流型（一种介质分成两路）两种适用于配比控制与旁路控制。适用于配比控制与旁路控制。l执行单元作用：接受调节器的控制信号，控制被控对象对应执行单元作用：接受调节器的控制信号，控制被控对象对应的某些物理量，如温度、压力、流