摘 要：本文介紹了一種基于西門子PLC的熱泵供汽控制系統。對紙機供熱系統進行了研究，采用一種新型的供汽系統——-熱泵供汽系統，取代了傳統三段供汽。該系統運用先進的控制方案，軟硬件緊密結合，使系統性能進一步提高，特別適用于I/O點較多的大型紙廠。此系統已在浙江一紙廠應用，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：熱泵;三段供汽;DCS

引言

　　目前，在紙機干燥部普遍采用傳統三段供汽方法，這種供汽方式能耗大，效率低，嚴重制約著造紙技術的向前發展。隨著造紙技術的不斷發展，出現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三段供汽烘缸冷凝水排放不暢、能耗大、效率低的缺點，解決了傳統串聯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節十分方便。

1 熱泵供汽性能分析

　　如圖1，利用熱泵替代閥門節流減壓執行器所需品位和數量的蒸汽，利用蒸汽減壓前后的能量差使其工作蒸汽冷凝水系統產生的二次蒸汽，提高能級后再供生產使用。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生的二次蒸發汽增壓后供給紙機烘缸加熱，同時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。冷凝水經過多級閃蒸后熱能得到充分利用。在熱泵供汽系統中，各段紙機烘缸排出的蒸汽冷凝水經過多級閃蒸，依次產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入一級冷凝水閃蒸罐，產生二次蒸發汽經熱泵增壓后供一段烘缸加熱用，由一級閃蒸罐排出的蒸汽冷凝水進入二級閃蒸罐進行多級閃蒸，熱能得到了充分利用。

2 系統設計

　　2.1 系統設計依據

　　紙幅在造紙機的網部成形并在壓榨部脫水以后，大約尚有60%～80%的水分，然后在造紙機的干燥部用加熱蒸發擴散的方法進一步脫去，使紙幅達到成品所需的94%左右的干度。濕紙頁進入干燥部與烘缸接觸干燥，要求干燥溫度按一定的規律變化，稱為干燥曲線。

　　要在生產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數，其次是用自動化儀表去調節和穩定干燥曲線。為了便于排除烘缸內的冷凝水，還必須保持烘缸內汽壓和冷凝水箱汽壓之差，即跨過吸管的壓力之差的穩定。

　　2.2 系統硬件設計

　　2.2.1 系統組成

　　圖3為DCS系統控制圖，本系統中，各控制分部于上位機（操作員站）通過WinCC監控軟件的OPC接口進行數據傳送。OPC接口是OPC服務器實現的一套標準的COM接口，其基于OPC規范。OPC規范基于微軟的COM技術，規范了過程控制和生產自動化軟件與用OPC服務器實現的硬件驅動程序之間的接口，并且提供基于工業自動化應用的統一數據傳輸平臺。只要工業自動化軟件符合OPC規范，它不需要做任何修改就能一致地訪問所有OPC服務器實現的硬件驅動程序。

　　2.2.2 CPU模塊

　　本次設計應用西門子S7-400可編程序控制器構成熱泵供汽DCS子系統。S7系列PLC是在S5系列基礎上研制出來的。它由微型S7-200、中小型S7-300、中大型S7-400組成。其中結構緊湊、價格低廉的S7-200使用小型的自動化控制系統;緊湊型、模塊化的S7-300是用于極其快速的過程處理或對數字處理能力有特別要求的中小型自動化控制系統。功能極強的S7-400適于大、中型自動控制系統。設計中使用的CPU為CPU414-2 ，型號6ES7414-2XG03-0AB0。

　　2.2.3 信號輸入輸出模塊

　　本次控制I/0點分別為：部分流送：AI=20，AO=9，DI=80，DO=40;干部：AI=22，AO=19，DI=10，DO=5;

　　DI是將外部過程的數字量信號轉換成可編程控制器CPU模塊所需要信號，并傳送給系統總線上。DI模塊選擇直流32點輸入模塊6ES7 321-1BL00-0AA0，其額定負載電壓為24VDC。輸入電壓“1”范圍13～30V，“0”范圍-3～5V。共計4塊。

　　DO是將CPU模塊處理的內部數字量信號轉換成外部過程所需的信號，并驅動外部過程的執行機﹑顯示燈等負載。DO選擇32點晶體管輸出模塊6ES7 322-1BL00-0AA0，輸出點數為32點，額定電壓24VDC。最大輸出電流：“1”信號0.5A，“0”信號0.5mA,最小輸出電流：“1”信號5mA。共計2塊。

　　AI是將外部生產過程緩慢變化的模擬量信號轉化為可編程序控制器內部的數字信號。設計選擇SM331，8＊12位。共計7塊。

　　AO是將PLC內部的數字結果轉換成外部生產過程的模擬量信號。設計選擇SM332 ，4＊12位模塊6ES7。共計6塊。

　　2.2.4 控制功能及策略：

　　本系統能實現以下幾種控制功能

　　1）低選與分層調節的組合功能 本系統每組烘缸具有低選與分層調節的組合功能，其主要目的是解決紙機烘干部出現斷紙時，系統會自動的去調節每組烘缸的排水能力，會自動的降低每組烘缸進汽壓力，保證每個烘缸組在斷紙時排水性能仍處于最佳狀態。

　　2）高選功能 本系統第一組烘缸具有高選功能，第一組烘缸共有三個控制回路，第一個控制回路控制1#烘缸的進汽壓力，第二個控制回路控制2#烘缸的進汽壓力，第三個控制回路控制3#﹑4#烘缸的進汽壓力，第一烘缸組首先利用其它四個熱泵系統所吹泄出的少量蒸汽，當任何一個烘缸進汽壓力不夠時，通過高選功能自動打開補充新鮮蒸汽閥門進行補充，其目的主要是充分利用其它四個烘缸組尾汽和閃蒸蒸汽。

　　3）串級控制功能 PIC-101與紙張水分信號進行串級控制，即紙張水分信號作為PIC-101控制回路的外給定，PIC-101在外給定工作狀態時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實現了比值控制，即在PIC-102，PIC-103在外給定工作狀態時，PIC-102，PIC-103只要設定好比例系數即可實現比值控制。在比值控制狀態下，只要改變PIC-101壓力設定值，其它所有烘缸組的壓力設定值就按比例系數自動得到改變。如果系統在串級控制狀態下所有烘缸組的壓力就會隨著紙張水分大小自動進行調節，無需人工干預，因此，紙機烘干部可以實現完全自動化。

　　5）斷紙連鎖功能 當烘干部斷紙時，每5分鐘PIC-101壓力設定值下降50Kpa，直至PIC-101壓力值降至50Kpa為止，紙機處于穩定狀態。當斷紙結束紙張全部經過烘干部時PIC-101的設定值自動恢復斷紙前的壓力設定值，并由紙張的水分大小來自動改變PIC-101的壓力設定值，因此紙機很快就進入穩定狀態。

　　2.3 系統軟件設計

　　本次程序設計依據現場控制要求，使用結構化編程，程序結構層次清晰，部分程序通用化、標準化，易于修改、簡化程序的調試。如圖4所示，FC100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是對讀入的模擬量數據進行十次濾波。程序測試穩定，運行良好。

　　2.4系統組態軟件設計

　　根據工藝要求與控制，該系統有熱泵供汽示意圖﹑網絡通訊狀態圖﹑報警指示圖等。

　　該控制系統取消了常規儀表的記錄與顯示功能，將所有的壓力﹑流量﹑液位﹑濃度等信號在計算機上以動態圖形顯示。系統的各種控制參數﹑工藝參數及生成的數據庫均可自動存儲，實時查詢，同時定時進行報表打印。

　　當有異常發生時，可立即以色變﹑閃爍等各種形式向操作人員報警。

　　操作員站鍵盤具有專用功能鍵，可直接調出畫面，用戶可根據需要任意指定目標畫面。各個畫面的展開鍵和滾動鍵使畫面窗口的信息可以任意調出，滾動檢索，提高了工作效率。

3 結論

　　該系統已應用于浙江一紙廠紙機干燥部，經過前期調試本系統運行穩定﹑抗干擾能力強，達到了預期的目標：一方面提高了系統的傳熱效率，另一方面提高了紙機烘缸轉動時動平衡度，提高了車速，降低了能耗，并有利于烘缸中冷凝水的排出。

　　本文作者創新點：采用一種新型的供汽系統——-熱泵供汽系統，取代了傳統三段供汽。該系統運用先進的控制方案，軟硬件緊密結合，使系統性能進一步提高，特別適用于I/O點較多的大型紙廠。實踐證明：采用這種控制方案后，有效提高了系統的穩定性和傳熱效率。

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