第1章 制漿造紙過程自動測量與控制

1、制漿造紙過程控制系統(tǒng)制漿造紙過程控制系統(tǒng)劉鴻斌劉鴻斌南京林業(yè)大學(xué)南京林業(yè)大學(xué)2016-5-112016-5-11聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：辦公室：化工樓辦公室：化工樓23212321室室QQQQ：3015354830153548手機：手機我介紹自我介紹l2015/3 - 至今，南京林業(yè)大學(xué)，輕工科學(xué)與工程學(xué)院，自動化系，副教授l2015/6 - 2015/8（暑假），韓國慶熙大學(xué)訪問學(xué)者、研究教授l2013/10 2014/12，瑞典烏普薩拉大學(xué)（Uppsala University），信息與技術(shù)學(xué)院，博士后l導(dǎo)師：Bengt Carlssonl研究項目：“污水處理系統(tǒng)的監(jiān)

2、測和控制”2自我介紹自我介紹l2009/9 - 2013/8，韓國慶熙大學(xué)（Kyung Hee University），環(huán)境科學(xué)與工程，博士l導(dǎo)師：ChangKyoo Yool博士論文題目：“首爾地鐵系統(tǒng)室內(nèi)空氣質(zhì)量的建模、監(jiān)測和控制”（慶熙大學(xué)最佳博士論文獎）l2006/9 - 2009/6，華南理工大學(xué)，制漿造紙，碩士l導(dǎo)師：沈文浩l碩士論文題目：“木素結(jié)構(gòu)和熱解機理的量子化學(xué)研究”3自我介紹自我介紹l2004/7-2006/9，廣州造紙集團有限公司，工藝員l2000/9 - 2004/7，四川理工學(xué)院，輕化工程，學(xué)士452009.9SCUTKHU2013.9.20韓國慶熙大學(xué)（博士大學(xué)）

3、韓國慶熙大學(xué)（博士大學(xué)）6首爾校區(qū)行政大樓Kyung Hee University: a comprehensive, research universityFounded in 1949 首爾校區(qū)和水原校區(qū)教職工: 2,976; 學(xué)生: 31,453 (2011)Ranked 7th in Korea (2011); 41st in Asia (2012); 270th in the world (2012)/wiki/Kyung_Hee_University博士課題組博士課題組l博士導(dǎo)師：(1969 - ) / Yoo ChangKyoo 教授l

4、中文名字：劉昌奎，喜歡中國文化，去過上海和三亞l1999-2002，浦項工大，博士l2002-2004，比利時根特大學(xué)，博士后l2005-2006，浦項工大，研究教授l2006-至今，慶熙大學(xué)，教授l至今發(fā)表SCI論文200多篇（引用次數(shù)2824次）l專長：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的過程監(jiān)測算法研究和應(yīng)用lkernel principal component analysis（引用424次）lindependent component analysis（引用355次）ldynamic independent component analysis（引用169）2010201120127瑞典烏普薩拉大學(xué)（博后

5、大學(xué)）瑞典烏普薩拉大學(xué)（博后大學(xué)）8l北歐最古老的大學(xué)；瑞典頂級大學(xué)；世界排名北歐最古老的大學(xué)；瑞典頂級大學(xué)；世界排名100左右左右v博后導(dǎo)師：Bengt Carlsson 教授 研究方向：廢水過程的仿真和控制 廢水處理領(lǐng)域 IWA 院士 最早提出開發(fā)廢水仿真軟件BSM1 喜歡音樂和旅游（福特野馬跑車福特野馬跑車）系統(tǒng)與控制系系統(tǒng)與控制系9l教授、副教授 9人；博士生16人；博后3人 （2014）l瑞典皇家工程科學(xué)院院士：lTorsten Soderstrom（系統(tǒng)辨識）lPetre Stoica（信號處理）烏普薩拉大學(xué)歷史名人烏普薩拉大學(xué)歷史名人Jacob UlvssonCarl von L

6、innOlof Rudbeck Anders CelsiusNils RosnErik Gustaf GeijerBetty PetterssonEllen FriesGerd EnequistJohan SkytteAnders ngstrmC W Scheele烏普薩拉大學(xué)歷史名人烏普薩拉大學(xué)歷史名人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烏普薩拉大學(xué)諾貝爾獎獲得者（烏普薩拉大學(xué)諾貝爾獎獲得者（8人）人）11我的研究方向我的研究方向l多元統(tǒng)計過程監(jiān)測和故障診斷l(xiāng)廢水處理過程的建模和控制l未來研究重點：制漿造紙過程監(jiān)測和控制12十年18個國家的旅行 2015-11-11.mp4參考教材參考教材l推薦：制漿造紙過程自動測量與控制，劉煥彬，推薦：制漿造紙過程自動測量與控制，劉煥彬，中國輕工出

8、版社，中國輕工出版社，2009（圖書館有藏書）（圖書館有藏書）l制漿造紙廠儀表配置與自動控制， 張運展（譯），199213先修課程先修課程l化工自動化及儀表l制漿原理與工程l造紙原理與工程教學(xué)計劃教學(xué)計劃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. 自動化是一門在沒有人參與（或很少人參與）自動化是一門在沒有人參與（或很少人參與） 的情況下，使生產(chǎn)過程和系統(tǒng)能順利完成的技術(shù)。的情況下，使生產(chǎn)過程和系統(tǒng)能順利完成的技術(shù)。1-1-1 Content of automation162. Contents 按照生產(chǎn)過程對各種參數(shù)的不同要求，分為：按照生產(chǎn)過程對各種參數(shù)的不同要求，分為：(1) Automation measurement Function

12、: 測量測量和和顯示顯示參數(shù)數(shù)值以利于分析生產(chǎn)狀態(tài)。參數(shù)數(shù)值以利于分析生產(chǎn)狀態(tài)。 Measuring variables of process Indicating them for analyzing process state17自動檢測是最普遍的自動化形式。自動檢測是最普遍的自動化形式。18(2) Automatic alarm and prevent (safety control ) Function: safety action Composition: a. Automatic alarm19b. Automation prevent 自動阻止自動阻止 20壓力值超過極限，紅燈亮

13、起原原料料15432臥臥式式連連續(xù)續(xù)蒸蒸煮煮器器的的自自動動連連鎖鎖和和保保護(hù)護(hù)系系統(tǒng)統(tǒng)：212號檢測器發(fā)現(xiàn)傳輸皮帶堵塞，停止進(jìn)料要求：要求： a. 開機順序：后開機順序：后前前 b. 停機順序：前停機順序：前后后 c. 其中某一臺電機出現(xiàn)故障時，其前面的電機其中某一臺電機出現(xiàn)故障時，其前面的電機 自動停機，其后面的電機照常工作。自動停機，其后面的電機照常工作。(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調(diào)節(jié)調(diào)節(jié): 人工調(diào)節(jié)人工調(diào)節(jié) 自動調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié): 定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng) (如如雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)雷達(dá)跟蹤系統(tǒng))、程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)、程序調(diào)節(jié)系統(tǒng) (給定值是變給定值是變化的，是已知的時間函數(shù)化的，是已知的時間函數(shù))251-1-2 Automatic control system1. Manual and automatic control (1) Control-regulation 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié): 使生產(chǎn)過程的參數(shù)按工藝要求保持在某一定使生產(chǎn)過程的參數(shù)按工藝要求保持在某一定值上值

15、上(或按特定規(guī)律變化或按特定規(guī)律變化) 的一種技術(shù)措施。的一種技術(shù)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: 需要調(diào)

16、節(jié)其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備或機器。需要調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備或機器。(b)Transmitter : 用以感受工藝參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)用以感受工藝參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號的儀器。準(zhǔn)信號的儀器。 (c) Controller(d) Controlled valve 272829手動操作和自動控制的比較手動操作和自動控制的比較l人工操作：手指皮膚、 腦、 手l自動控制：測量變送器、自動控制器、執(zhí)行器水溫手動調(diào)節(jié)示意圖水溫手動調(diào)節(jié)示意圖水溫自動調(diào)節(jié)示意圖水溫自動調(diào)節(jié)示意圖自動控制：自動控制：用專用的儀表和裝置組成控制系統(tǒng)，以代替人的手動操作，用專用的儀表和裝置組成控制系統(tǒng)，以代替人的手動操作，去調(diào)節(jié)控制

17、參數(shù)，使之維持在給定數(shù)值上，或是按給定的規(guī)律變化，從去調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使之維持在給定數(shù)值上，或是按給定的規(guī)律變化，從而滿足控制的要求。而滿足控制的要求。l如圖1-1所示的水槽，流入量和流出量分別為F1和F2，控制要求是維持水槽液位L不變 人工控制：1.眼睛測量液位2.大腦判斷值的大小3.手執(zhí)行操作命令缺點：1.操作者素質(zhì)2.生理因素3.心理因素l自動控制：1.測量液位測量儀表眼睛2.判斷控制器大腦3.執(zhí)行控制閥手優(yōu)點： 在儀表質(zhì)量合格和控制系統(tǒng)設(shè)計合理時，能滿足控制要求 表示變送器，常省去不畫 LC表示液位控制器sp代表控制器的給定值 l第一種情況：在平衡狀態(tài)下，F(xiàn)1突然變大l第二種情況：在平衡

18、狀態(tài)下，F(xiàn)2突然增大了l由上分析可知，不論液位在何種干擾作用下，最終把液位拉回到給定值上。 液位液位L上升，測量儀表輸出上升，測量儀表輸出信號增加（大于給定值），信號增加（大于給定值），調(diào)節(jié)器輸出信號變化，使得調(diào)節(jié)器輸出信號變化，使得F2閥門開度增加，流量閥門開度增加，流量F2增加。最終液位增加。最終液位L將慢慢下將慢慢下降并逐漸趨于給定值。當(dāng)再降并逐漸趨于給定值。當(dāng)再度達(dá)到度達(dá)到F2=F1時，系統(tǒng)將時，系統(tǒng)將達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)達(dá)到一個新的平衡狀態(tài) 液位液位L下降，測量儀表輸出下降，測量儀表輸出信號減小，調(diào)節(jié)器輸出信號信號減小，調(diào)節(jié)器輸出信號變化，使得變化，使得F2閥門開度減閥門開度減小，流

19、量小，流量F2減小。最終液減小。最終液位位L將慢慢上升并逐漸趨于將慢慢上升并逐漸趨于給定值。當(dāng)再度達(dá)到給定值。當(dāng)再度達(dá)到F2=F1時，系統(tǒng)又將達(dá)到時，系統(tǒng)又將達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)一個新的平衡狀態(tài) 通用控制系統(tǒng)方框圖 34 xset point, desired value zmeasured value of controlled variable e = x - z error pcontrol signal qmanipulated variable ycontrolled variable ddisturbance (干擾信號，使干擾信號，使y偏離偏離x的外界因素的外界因素)Featur

20、e: (1) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是按偏差自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是按偏差e的大小的大小 (包含包含e的符號的符號) 進(jìn)行調(diào)節(jié)的。進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 (2) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)由封閉回路組成自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)由封閉回路組成 (閉環(huán)閉環(huán))。 (3) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是負(fù)反饋的。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是負(fù)反饋的。35 3. Response of automatic control system Steady-state: variables do not change with time 靜止與靜態(tài)的區(qū)別，靜態(tài)是相對的、暫時的、有條件的。靜止與靜態(tài)的區(qū)別，靜態(tài)是相對的、暫時的、有條件的。 Dynamic-state: variables chan

21、ge with time 動態(tài)是絕對的、經(jīng)常的、無條件的。動態(tài)是絕對的、經(jīng)常的、無條件的。 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 控制過程總是處在一波未平，一波又起，波動不止，往復(fù)不控制過程總是處在一波未平，一波又起，波動不止，往復(fù)不息的動態(tài)過程中。息的動態(tài)過程

22、中。3637擾動信號384. Quality desire for control system (1)Two types control response 當(dāng)輸入（干擾或給定值）發(fā)生階躍變化時，由于當(dāng)輸入（干擾或給定值）發(fā)生階躍變化時，由于過程本身的特性，過渡過程有以下幾種基本形式。過程本身的特性，過渡過程有以下幾種基本形式。39衰減震蕩衰減無震蕩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要點要點: 1.Type (1) 按作用分：測量儀表按作用分：測量儀表 、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表 (2) 按工作能源分：氣動儀表按工作能源分：氣動儀表 pneumatic instrument 、液動儀表、電動儀表、液動儀表、電動儀表 electric instrument (3) 按作用的組合方式分按作用的組合方式分: 基地式、單元組合式基地式、單元組合式 element combinatory instrument 43信號信號/mA溫度溫度/0501

24、00100200300流量流量/m3h-110254002550Example: 氣動儀表氣動儀表2. Standard signal 氣動儀表氣動儀表: 0.21.0 Kg/cm 氣壓信號氣壓信號 電動儀表電動儀表: 010 m A (DC) (型型) 420 m A (DC) (型型) 電流信號電流信號44工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖儀表符號1.圖形符號2.字母代號3.儀表位號 采用美國儀表學(xué)會（采用美國儀表學(xué)會（ISA）編制的儀表代號）編制的儀表代號 采用美國制漿造紙技術(shù)協(xié)會（采用美國制漿造紙技術(shù)協(xié)會（TAPPI）和加）和加拿大制漿造紙協(xié)會（拿大制漿造紙協(xié)會（CPPA）編制代

25、號）編制代號例子：工藝管道及控制流程圖例子：工藝管道及控制流程圖脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例左圖是乙烯生產(chǎn)過程左圖是乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖道及控制流程圖 能看懂嗎？能看懂嗎？38序序號號安裝位安裝位置置圖形符號圖形符號備注備注序序號號安裝位置安裝位置圖形符圖形符號號備注備注1就地安就地安裝儀表裝儀表嵌在管道嵌在管道中中4集中儀表集中儀表盤后安裝盤后安裝儀表儀表2集中儀集中儀表盤面表盤面安裝儀安裝儀表表 5就地儀表就地儀表盤面安裝盤面安裝儀表儀表3就地儀就地儀表盤面表盤面安裝儀安裝儀表表（一）儀表安裝位置的圖形符號表

26、示（一）儀表安裝位置的圖形符號表示常規(guī)儀表圖形符號：直徑為12mm(或10mm)的細(xì)實線圓圈字母字母第一位字母第一位字母后繼字母后繼字母被測變量被測變量修飾詞修飾詞功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析電導(dǎo)率電導(dǎo)率密度密度電壓電壓流量流量電流電流時間或時間程序時間或時間程序物位物位水分或濕度水分或濕度壓力或真空壓力或真空數(shù)量或件數(shù)數(shù)量或件數(shù)放射性放射性速度或頻率速度或頻率溫度溫度黏度黏度力力供選用供選用位置位置差差比（分?jǐn)?shù)）比（分?jǐn)?shù)）積分、累積積分、累積安全安全報警報警控制（調(diào)節(jié)）控制（調(diào)節(jié)）檢測元件檢測元件指示指示自動自動-手動操作器手動操作器積分、累積積分、累積記錄或打印記錄

27、或打印開關(guān)、聯(lián)鎖開關(guān)、聯(lián)鎖傳送傳送閥、擋板、百葉窗閥、擋板、百葉窗套管套管繼動器或計算器繼動器或計算器驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機構(gòu)（二）被測變量和儀表功能的字母代號（二）被測變量和儀表功能的字母代號脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例舉例舉例塔頂?shù)膲毫刂葡到y(tǒng)塔頂?shù)膲毫刂葡到y(tǒng)PIC-207：P測量壓力；測量壓力；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；回流罐液位控制系統(tǒng)回流罐液位控制系統(tǒng)LIC-201。 塔下部溫度控制系統(tǒng)塔下部溫度控制系統(tǒng)TRC-210具有指示功能的壓力控制器。該控具有指示功能的壓力

28、控制器。該控制系統(tǒng)是通過改變氣相采出量來維制系統(tǒng)是通過改變氣相采出量來維持塔壓穩(wěn)定的。持塔壓穩(wěn)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，它是通過改變進(jìn)入冷凝器的冷劑量來維通過改變進(jìn)入冷凝器的冷劑量來維持回流罐中液位穩(wěn)定的。持回流罐中液位穩(wěn)定的。 具有記錄功能的溫度控制器，它是具有記錄功能的溫度控制器，它是通過改變進(jìn)入再沸器的加熱蒸汽量通過改變進(jìn)入再沸器的加熱蒸汽量來維持塔底溫度恒定的。來維持塔底溫度恒定的。 207、201、210 ?（三）儀表位號（三）儀表位號 儀表位號儀表位號是由字母代號組合是由字母代號組合和阿拉伯?dāng)?shù)字編號兩部分組成。和阿拉伯?dāng)?shù)字編號兩部分組成。阿拉伯

29、數(shù)字編號寫在圓圈的下半阿拉伯?dāng)?shù)字編號寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號，部，其第一位數(shù)字表示工段號，后續(xù)數(shù)字（二位或三位數(shù)字）表后續(xù)數(shù)字（二位或三位數(shù)字）表示儀表序號。示儀表序號。 測量點在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀測量點在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝，工段號為表為就地安裝，工段號為2，儀表序號為，儀表序號為06。 在加熱蒸汽管線上具有記錄和指示功能的控制儀表，在加熱蒸汽管線上具有記錄和指示功能的控制儀表，該儀表為集中安裝，工段號為該儀表為集中安裝，工段號為2，儀表序號為，儀表序號為10。 如果一臺儀表同時具有顯示和記錄功能，只需要標(biāo)注如果一臺儀表同時具

30、有顯示和記錄功能，只需要標(biāo)注R。PI-206：TRC-210：就地安裝就地安裝 集中安裝集中安裝多功能復(fù)式儀表多功能復(fù)式儀表(就地、集中就地、集中)氣動調(diào)節(jié)閥氣動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥活塞式調(diào)節(jié)閥活塞式調(diào)節(jié)閥手動閥手動閥信號線信號線三通控制閥三通控制閥有三個出入口與工藝管道連接有三個出入口與工藝管道連接流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種適用于配比控制與旁路控制。適用于配比控制與旁路控制。l執(zhí)行單元作用：接受調(diào)節(jié)器的控制信號，控制被控對象對應(yīng)執(zhí)行單元作用：接受調(diào)節(jié)器的控制信號，控制被控對象對應(yīng)的某些物理量，如溫度、壓力、流