高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)干燥部能耗協(xié)同控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

湯 偉 孫振宇 池東明 馮曉會(huì)

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安,710021；3.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所，陜西西安,710021)

高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)干燥部能耗協(xié)同控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

湯 偉1，3孫振宇2，3池東明2，3馮曉會(huì)1，3

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安,710021；3.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所，陜西西安,710021)

為了進(jìn)一步地降低紙機(jī)干燥部能耗、提高能源的利用效率，本課題提出了能耗協(xié)同控制的概念，即同時(shí)考慮烘缸內(nèi)部蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)的能量消耗與氣罩通風(fēng)熱力系統(tǒng)的能量消耗，實(shí)現(xiàn)二次熱能的循環(huán)綜合利用。針對(duì)高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)干燥部設(shè)計(jì)了一套基于西門(mén)子S7-300 PLC的能耗協(xié)同DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了干燥部上述系統(tǒng)的整合，不但能夠降低紙機(jī)干燥部的能耗，也為干燥部全局優(yōu)化方案的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。本控制系統(tǒng)已在多條高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)生產(chǎn)線上得到了應(yīng)用，收到了較好的節(jié)能效果。為了實(shí)現(xiàn)干燥部的全局優(yōu)化，本課題搭建了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略?xún)?yōu)化控制框架，將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)用于模型的修正并建立控制策略?xún)?yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，可以快速尋找與當(dāng)前工藝條件最為匹配的優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)；密閉氣罩熱力系統(tǒng)；能耗協(xié)同控制；DCS控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

造紙工業(yè)中，能耗成本在生產(chǎn)總成本中所占比例越來(lái)越高[1]。干燥部主要發(fā)揮蒸發(fā)脫除濕紙幅中殘留水分、提高紙張強(qiáng)度的作用，其能耗占整個(gè)造紙生產(chǎn)過(guò)程的60%，所消耗的蒸汽量占制漿造紙生產(chǎn)過(guò)程汽耗總量的65%，所以干燥部的節(jié)能降耗成為了降低造紙能耗和生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)[2-3]。而干燥部的能耗主要來(lái)源于兩部分，一個(gè)是烘缸內(nèi)部即蒸汽冷凝水系統(tǒng)的能耗，另一部分是烘缸外部即氣罩通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，所以對(duì)于烘缸內(nèi)外部的節(jié)能研究都顯得尤為重要，其控制系統(tǒng)更是在其中起著舉足輕重的作用。

目前，大多蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)采用傳統(tǒng)多段供汽系統(tǒng)或熱泵供氣系統(tǒng)，其中多段供汽系統(tǒng)存在烘缸積水及由其導(dǎo)致的烘缸傳熱效率低、能耗增加等問(wèn)題，在供汽系統(tǒng)中加入熱泵雖然在一定程度上解決了這些問(wèn)題，但是當(dāng)工況發(fā)生較大變化時(shí)，由于熱泵自身的調(diào)節(jié)范圍較窄，作用有限；在氣罩通風(fēng)系統(tǒng)中，隨著紙機(jī)車(chē)速的提高，氣罩形式逐漸從敞開(kāi)式氣罩發(fā)展為半密閉氣罩再到密閉式氣罩[4-5]。立足于降低紙機(jī)干燥部整體的能耗，不但要提高蒸汽冷凝水系統(tǒng)(烘缸內(nèi)部)的干燥效率，而且還要考慮氣罩通風(fēng)系統(tǒng)(烘缸外部)內(nèi)的濕熱蒸汽的排放和熱能的回收利用問(wèn)題。然而，蒸汽冷凝水系統(tǒng)供應(yīng)商和密閉氣罩設(shè)備供應(yīng)商各自只考慮自己的供汽方案，不考慮二者之間的能量綜合利用問(wèn)題，導(dǎo)致了蒸汽能量的大量浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者提出了能耗協(xié)同控制的概念，即將烘缸內(nèi)部蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)的能量消耗與密閉氣罩通風(fēng)熱力系統(tǒng)的能量消耗一起考慮，實(shí)現(xiàn)二次熱能的循環(huán)綜合利用。本課題針對(duì)高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)干燥部，設(shè)計(jì)了一套DCS控制系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。系統(tǒng)中，為了解決傳統(tǒng)多段供汽與熱泵供汽系統(tǒng)存在的缺陷，采用了一種多段供汽與閉式熱泵供汽系統(tǒng)相結(jié)合的供汽方案，加強(qiáng)熱泵的作用、有效地避免烘缸積水現(xiàn)象[6-7]；紙機(jī)車(chē)速較高時(shí)，由于密閉氣罩具有熱回收效率高、進(jìn)排風(fēng)量較小、操作時(shí)溫濕度較高等優(yōu)勢(shì)，故在干燥部中采用全封閉的密閉氣罩；為了提高干燥部整體的能源利用效率，實(shí)現(xiàn)熱能的循環(huán)利用、降低損耗，設(shè)計(jì)了干燥部能耗協(xié)同控制系統(tǒng)。

1 紙機(jī)干燥部能耗協(xié)同系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，紙機(jī)干燥部?jī)纱笙到y(tǒng)(即蒸汽冷凝水系統(tǒng)和氣罩通風(fēng)系統(tǒng))單體能耗逐漸趨于穩(wěn)定，很大程度上提高了紙機(jī)干燥部的能源利用效率。為了進(jìn)一步地降低紙機(jī)能耗、提高能源利用效率，將上述兩系統(tǒng)協(xié)同起來(lái)，最大化地回收利用二次能源將成為新的發(fā)展趨勢(shì)，其控制系統(tǒng)更是在其中起著至關(guān)重要的作用。

1.1工藝流程

在高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)中，來(lái)自壓榨部的干度約為46%的濕紙幅首先進(jìn)入前干燥部，紙幅干度達(dá)到90%進(jìn)入施膠工段，施膠后的干度為60%～70%的紙幅進(jìn)入后干燥部，成紙干度需要達(dá)到92%[8]。為了滿(mǎn)足烘缸溫度曲線，將前、后干燥部烘缸分成了多段，并采用密閉氣罩方案[9]提高紙幅的干燥環(huán)境質(zhì)量。

能耗協(xié)同系統(tǒng)即協(xié)同綜合利用干燥部?jī)纱笙到y(tǒng)能源。蒸汽冷凝水系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用多段供汽與閉式熱泵供汽相結(jié)合的供汽方式，既解決傳統(tǒng)多段供汽普遍存在的烘缸積水問(wèn)題，還加強(qiáng)了熱泵的作用，回收利用了大量的二次蒸汽，避免了能源的浪費(fèi)[7]。即便如此，系統(tǒng)還會(huì)從閃蒸罐上部排汽管道和下部冷凝水泵排出大量的高溫二次蒸汽以及冷凝水，如果將這部分熱能直接送回鍋爐或電廠，會(huì)在管道運(yùn)輸過(guò)程中造成大量的熱量損失。在氣罩通風(fēng)系統(tǒng)中，采用密閉氣罩方案排除紙幅蒸發(fā)出的水蒸氣并改善干燥環(huán)境，因?yàn)橄噍^于敞開(kāi)式氣罩可以節(jié)約蒸汽15%～20%，干燥部干燥能力提高15%～20%。系統(tǒng)需要大量熱源將室溫空氣加熱到100℃左右并送入密閉氣罩內(nèi)去提高紙幅的干燥效率。在能耗協(xié)同系統(tǒng)中，綜合考量了兩個(gè)系統(tǒng)的能源利用情況，將蒸汽冷凝水系統(tǒng)剩余的二次蒸汽和冷凝水通入氣罩通風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)行回收利用。如圖1所示，蒸汽冷凝水系統(tǒng)中剩余的冷凝水及二次蒸汽作為氣罩通風(fēng)系統(tǒng)中1#加熱器和2#加熱器的熱源對(duì)新風(fēng)進(jìn)行加熱，減少了3#加熱器熱源即新鮮蒸汽用量的同時(shí)解決了冷凝水與二次蒸汽的回收利用問(wèn)題，提高了能源的利用效率，降低了系統(tǒng)總能耗。

1.2控制要點(diǎn)及難點(diǎn)分析

(1)各段烘缸壓力控制。在能耗協(xié)同系統(tǒng)中，壓力控制成功與否是烘缸能否正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)的關(guān)鍵。這里的壓力控制主要包括：首段烘缸上端進(jìn)口處的壓力控制、烘缸下端閃蒸罐出口處的吹貫控制、各段烘缸進(jìn)汽壓力之間的比值控制。首段烘缸的進(jìn)汽壓力控制是后面比值控制的基礎(chǔ)；吹貫控制的目的是穩(wěn)定烘缸內(nèi)的壓力及冷凝速率、積水時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)增大烘缸進(jìn)出口差壓；比值控制的目的是使紙張較為平緩地被干燥、使各段烘缸滿(mǎn)足溫度曲線。為了保障閃蒸罐工作效率和冷凝水的順利排出，還需加入閃蒸罐的液位控制。

(2)熱泵開(kāi)度控制。為了盡量多地利用二次蒸汽、減少新鮮蒸汽的消耗，需要對(duì)熱泵的開(kāi)度進(jìn)行低端選擇控制，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(3)密閉氣罩零位露點(diǎn)控制。氣罩零位是氣罩內(nèi)外空氣壓力相等點(diǎn)的高度值，控制好氣罩零位是控制氣罩內(nèi)溫濕度和平衡進(jìn)出風(fēng)量、節(jié)約能源、提高能源利用率的前提和關(guān)鍵；露點(diǎn)溫度是空氣在水蒸氣含量和氣壓都不變的條件下冷卻到飽和時(shí)的溫度數(shù)值，理論上露點(diǎn)溫度越高，單位質(zhì)量的空氣中含水蒸氣就越多，紙幅干燥速度就越快，但是同時(shí)也會(huì)增加氣罩的能耗負(fù)擔(dān)。

(4)送風(fēng)溫度協(xié)同控制。為了使新風(fēng)滿(mǎn)足露點(diǎn)溫度，需要協(xié)調(diào)控制3個(gè)加熱器的熱源進(jìn)量，使室溫新風(fēng)達(dá)到設(shè)定溫度。同時(shí)還要盡量充分利用二次蒸汽和冷凝水、減少新鮮蒸汽的用量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 控制方案及控制算法

2.1總體控制方案

根據(jù)高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)干燥部能耗協(xié)同系統(tǒng)的控制重點(diǎn)和難點(diǎn)提出如圖2所示的基于西門(mén)子S7-300 PLC的DCS控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由3臺(tái)工控機(jī)、1臺(tái)CPU315-2DP PLC構(gòu)成三級(jí)DCS。1臺(tái)工控機(jī)作為工程師站，用于對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視、打印報(bào)表、對(duì)工藝參數(shù)和控制器參數(shù)的修改以及對(duì)DCS局部功能的完善和增補(bǔ)等；2臺(tái)工控機(jī)作為操作員站，1臺(tái)為能耗協(xié)同系統(tǒng)操作員站，執(zhí)行人機(jī)接口功能、現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視和操作，1臺(tái)為過(guò)程優(yōu)化控制站，用于能耗協(xié)同系統(tǒng)的部分高級(jí)控制及優(yōu)化功能；CPU315-2DP PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制站，為本DCS的核心完成現(xiàn)場(chǎng)各參數(shù)的采集、處理和控制運(yùn)算。系統(tǒng)設(shè)置三級(jí)網(wǎng)絡(luò)：工業(yè)以太網(wǎng)、MPI/DP網(wǎng)和Profibus-DP網(wǎng)。其中工業(yè)以太網(wǎng)用于工程師站與操作員站之間的信息交換，MPI /DP網(wǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)控制站與操作員站之間的相互通信，Profibus-DP網(wǎng)用于CPU315-2DP PLC與各ET200M站之間的高速通信。另外，系統(tǒng)還提供了豐富的接口功能，能夠與造紙廠的其他工段或車(chē)間方便地進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和通信。

圖2 能耗協(xié)同系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2主要控制方案及算法

(1)壓力系統(tǒng)比值控制。為了使?jié)窦埛刂潭ǖ臏囟惹€平穩(wěn)地被干燥，需要控制各段烘缸的溫度，而烘缸溫度是通過(guò)控制烘缸的進(jìn)汽壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。比值控制可以使各段烘缸進(jìn)汽壓力滿(mǎn)足相應(yīng)比例來(lái)達(dá)到溫度要求。采用如圖3所示的多閉環(huán)比值控制可以穩(wěn)定系統(tǒng)輸出值，即各段烘缸的進(jìn)汽壓力，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)定值控制[10]。圖3中PSP代表首段烘缸進(jìn)汽壓力設(shè)定值，Gc代表各烘缸段控制器，Gv代表補(bǔ)汽閥，Go代表烘缸進(jìn)汽過(guò)程，Gm代表壓力變送器，P代表壓力輸出，K代表比例系數(shù)。

圖3 各段烘缸進(jìn)汽壓力比值控制原理示意圖

(2)熱泵系統(tǒng)低端選擇控制。閃蒸罐出口管道孔板差壓控制回路和烘缸進(jìn)汽壓力控制回路(即補(bǔ)汽閥、排汽閥開(kāi)度控制回路)的控制是通過(guò)修正常規(guī)PID控制器的理論輸出值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱泵開(kāi)度與補(bǔ)、排汽閥開(kāi)度動(dòng)作規(guī)律如圖4所示，即熱泵動(dòng)作選擇兩個(gè)回路中理論計(jì)算較小的數(shù)值的2倍作為熱泵調(diào)節(jié)器動(dòng)作的輸出，即進(jìn)行低端選擇。兩個(gè)回路理論計(jì)算值都大于等于50%時(shí)，熱泵實(shí)際開(kāi)度為100%。紙機(jī)正常工作時(shí)，排汽閥和補(bǔ)汽閥開(kāi)度均小于50%，實(shí)際都處于關(guān)閉狀態(tài)，因此烘缸所需蒸汽全部由閃蒸罐閃蒸出的二次蒸汽提升品位后提供，由此可以盡可能多地利用二次蒸汽，減少新鮮蒸汽的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖4 閥開(kāi)度動(dòng)作規(guī)律圖

(3)零位前饋及溫濕度選擇控制。氣罩零位通過(guò)進(jìn)風(fēng)量和排風(fēng)量進(jìn)行控制，但是二者難以在線準(zhǔn)確測(cè)量，所以采用上層氣罩溫度平均值為前饋信號(hào)構(gòu)成的前饋-反饋控制回路，以實(shí)現(xiàn)快速精確控制，控制原理如圖5所示；對(duì)于氣罩溫濕度，需盡量提高排風(fēng)溫度但又不超過(guò)上限值，故采用選擇控制算法使氣罩的溫濕度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，控制原理如圖6所示。

圖5 氣罩零位前饋反饋控制原理示意圖

圖6 排風(fēng)溫濕度選擇控制原理示意圖

圖5中，THSP表示氣罩送風(fēng)溫度設(shè)定值，ΔP0SP表示氣罩零位內(nèi)外壓差設(shè)定值，U(t)表示控制輸入，Goc和Gfc分別表示反饋控制器和前饋控制器，VFDs代表送風(fēng)機(jī)變頻器，Gto代表溫升過(guò)程，Gso代表送風(fēng)過(guò)程；圖6中，T表示排風(fēng)溫度，H表示排風(fēng)濕度，TSP表示排風(fēng)溫度設(shè)定值，HSP表示排風(fēng)濕度設(shè)定值，VFDp代表送風(fēng)機(jī)變頻器，U(t)、U1(t)、U2(t)表示控制輸入。

(4)送風(fēng)溫度分程控制。新風(fēng)進(jìn)入通風(fēng)管道內(nèi)，經(jīng)過(guò)換熱器后還需經(jīng)3片加熱器加熱以達(dá)到設(shè)定溫度，3片加熱器的熱源分別為冷凝水、二次蒸汽、新鮮蒸汽，分程控制3個(gè)加熱器熱源閥門(mén)，如圖7所示，協(xié)同利用盡量多的冷凝水與二次蒸汽，減少新鮮蒸汽的用量，達(dá)到節(jié)能的目的。圖7中TSSP代表溫度設(shè)定值，GCC代表分程控制器，GCO代表溫度協(xié)同過(guò)程，GTM代表溫度變送器，T代表溫度檢測(cè)值。

圖7 送風(fēng)溫度分程控制原理示意圖

3 能耗協(xié)同系統(tǒng)優(yōu)化研究

立足于降低紙機(jī)干燥部能耗、提高能源效率，應(yīng)將烘缸內(nèi)部蒸汽冷凝水系統(tǒng)和烘缸外部氣罩通風(fēng)系統(tǒng)的能量綜合考慮，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用，并針對(duì)整個(gè)干燥部設(shè)計(jì)其優(yōu)化方案，使其能量利用趨于合理，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制。

3.1目前干燥部存在的優(yōu)化方案探討

紙機(jī)干燥部屬于復(fù)雜工業(yè)過(guò)程，為了解決干燥部的節(jié)能控制、全局優(yōu)化等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作：在蒸汽冷凝水系統(tǒng)中有熱泵的應(yīng)用、烘缸內(nèi)部的熱力平衡計(jì)算等研究方向；在氣罩通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用各種優(yōu)化算法對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到節(jié)能的目的；此外還有相當(dāng)一部分學(xué)者針對(duì)烘缸內(nèi)部及外部進(jìn)行了熱力學(xué)機(jī)理模型的建立、建立其能耗優(yōu)化模型等工作。這些工作在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展干燥過(guò)程的建模和優(yōu)化控制研究，成果的工業(yè)應(yīng)用對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。然而，在紙幅干燥過(guò)程中，蒸汽冷凝水系統(tǒng)與氣罩通風(fēng)系統(tǒng)存在能量的交互，并且干燥部結(jié)構(gòu)、熱力流程較為復(fù)雜，導(dǎo)致干燥過(guò)程的建模和操作參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整極其困難。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展以及基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的大幅提升，紙幅干燥過(guò)程中積累了大量工業(yè)運(yùn)行在線數(shù)據(jù)及離線數(shù)據(jù)，其中包含了豐富的反映能耗情況和工藝參數(shù)之間關(guān)系的潛在信息，為生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制提供了有利條件。因此，針對(duì)紙幅干燥過(guò)程的特點(diǎn)，充分利用生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)期運(yùn)行積累的工業(yè)數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略?xún)?yōu)化方法，具有很強(qiáng)的研究意義和應(yīng)用前景。

圖8 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略?xún)?yōu)化控制框架

圖9 上位機(jī)畫(huà)面

3.2基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略?xún)?yōu)化控制框架

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略?xún)?yōu)化即從實(shí)際生產(chǎn)中積累的大量工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)中挖掘出較優(yōu)的控制策略，并根據(jù)當(dāng)前的工業(yè)運(yùn)行參數(shù)，從控制策略?xún)?yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找與之最匹配的控制策略。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略?xún)?yōu)化控制框架如圖8所示，主要包括4 部分內(nèi)容。

(1)能耗的預(yù)測(cè)。建立干燥部的工藝指標(biāo)預(yù)測(cè)模型，利用在線獲得的工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)修正該模型，這樣可以及時(shí)得到控制的反饋信息。紙幅干燥過(guò)程復(fù)雜，熱力學(xué)機(jī)理模型難以建立，且模型中的很多參數(shù)往往是憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的，因此模型的準(zhǔn)確性有限；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然具有較強(qiáng)的擬合非線性關(guān)系的能力，但是當(dāng)工業(yè)過(guò)程復(fù)雜、存在大時(shí)滯、訓(xùn)練樣本數(shù)量不夠多時(shí)，其精度要求無(wú)法保證；將兩種模型進(jìn)行加權(quán)協(xié)調(diào)，既滿(mǎn)足了精度要求，也解決了模型的準(zhǔn)確性問(wèn)題。

(2)控制策略的優(yōu)化。不同的工藝條件經(jīng)過(guò)能耗預(yù)測(cè)模型可以得出的能耗預(yù)測(cè)值，當(dāng)預(yù)測(cè)值被判定為高能耗工作狀態(tài)時(shí)，將對(duì)該工藝條件下的操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即建立能耗優(yōu)化模型。一般可采用數(shù)學(xué)規(guī)劃中的非線性規(guī)劃與多目標(biāo)規(guī)劃等方法對(duì)干燥部能耗進(jìn)行優(yōu)化，以能耗值最小為目標(biāo)函數(shù)，工藝指標(biāo)(各段烘缸進(jìn)汽壓力、閃蒸罐液位等)為約束條件，建立能耗優(yōu)化模型，再應(yīng)用智能算法對(duì)其求解即可得到優(yōu)化控制策略。

(3)控制策略?xún)?yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的形成。在實(shí)際紙幅干燥過(guò)程中，不同的控制策略會(huì)對(duì)紙機(jī)能耗產(chǎn)生直接的影響。建立能耗的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，判定不同控制策略的能耗高低，在實(shí)際工業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生能耗較低的控制策略將得以保留，從而形成控制策略?xún)?yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)優(yōu)化控制策略的匹配。在不同工藝條件下，參與匹配的控制策略有：經(jīng)能耗判定模型判定為低能耗的當(dāng)前控制策略、經(jīng)能耗優(yōu)化模型得出的優(yōu)化控制策略和與控制策略?xún)?yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)中相匹配的控制策略。根據(jù)這些控制策略的特點(diǎn)，通過(guò)一定規(guī)則進(jìn)行協(xié)調(diào)計(jì)算得到最優(yōu)控制策略，以保證干燥部的能耗最低化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本課題將紙機(jī)干燥部蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)和氣罩通風(fēng)熱力系統(tǒng)進(jìn)行了整合，針對(duì)高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)設(shè)計(jì)了能耗協(xié)同系統(tǒng)，并針對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了其DCS控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)中的控制重點(diǎn)和難點(diǎn)，采用了相關(guān)的控制策略及算法，提高了控制質(zhì)量，并為干燥部的全局能耗最優(yōu)化研究提供了基礎(chǔ)。部分成果已在多條生產(chǎn)線上得到了應(yīng)用，可以綜合回收利用大量二次蒸汽及冷凝水，節(jié)能效果顯著，圖9為浙江某高強(qiáng)瓦楞紙機(jī)生產(chǎn)線上的上位機(jī)畫(huà)面。最后搭建了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略?xún)?yōu)化控制框架，實(shí)現(xiàn)干燥部全局優(yōu)化控制，最大程度降低能耗。

[1] 姚新躍,張 輝.紙機(jī)密閉氣罩內(nèi)外壓差的量化模型[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,34(2):95．

[2] 黃海平,李西華,趙德華,等.Sym-Run干燥部空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行[J].中華紙業(yè),2002,23(12):20．

[3] 潘福池.制漿造紙工藝基本理論與應(yīng)用(下冊(cè))[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,1991．

[4] 陳克復(fù),張 輝.制漿造紙機(jī)械與設(shè)備(下)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2013．

[5] 柯曉軍,梁 博,楊建橋.紙機(jī)干燥部的最優(yōu)化方案[J].中國(guó)造紙,2007,26(2):39．

[6] 湯 偉,呂定云,王孟效.造紙機(jī)熱泵供汽系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國(guó)造紙,2007,26(10):49．

[7] 湯 偉,張金果,吳 瑞,等.基于紙機(jī)干燥部熱力平衡計(jì)算的熱力控制系統(tǒng)研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(4):13．

[8] 汪華軍.年產(chǎn)20萬(wàn)噸涂布白板紙項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[9] 湯 偉,周 陽(yáng),王 樨,等.紙板機(jī)密閉氣罩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造紙,2012,31(7):38.

[10] 邵裕森,戴先中.過(guò)程控制工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012．

Abstract：Energy consumption reduction is becoming focus in papermaking industry.To further reduce energy consumption and increase energy efficiency of paper machine dryer section,the synergic control for energy consumption was put forward.The energy consumptions of steam condensate thermal system and hood ventilation thermal system were considered together to recycle the secondary thermal energy.A DCS control system for energy consumption of high strength fluting paper machine was designed.This system integrated above-mentioned systems,not only reduced the energy consumption of paper machine dryer section but also laid a foundation for achieving overall optimization of dryer section.This control system has been used in many high strength fluting paper machines and had a better energy-saving effect.To achieve overall optimization of dryer section,the data-driven optimization control framework was designed.The large amount of operation data was used to update the model and established the optimal control strategy database.Thus the optimization control strategy which matched current process conditions best could be found quickly,and energy consumption reduction was realized.

Keywords：steam condensate thermal system; hood ventilation thermal system; cooperation control for energy consumption; DCS control system; data-driven

(責(zé)任編輯：劉振華)

DesignandOptimizationofSynergicControlSystemforEnergyConsumptionofHighStrengthFlutingPaperMachineDryerSection

TANG Wei1,3,*SUN Zhen-yu2,3CHI Dong-ming2,3FENG Xiao-hui1,3

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince,710021; 2.CollegeofBioresourcesChemicalandMaterialsEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince,710021; 3.IndustrialAutomationInstitute,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince,710021)(*E-mail:wtang906@163.com)

TS7

A

1000-6842(2017)03-0058-06

2016-06-22

陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2014KCT-15)；咸陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012K03-01)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JS013)。

湯 偉，男；博士，教授；主要研究方向：制漿造紙全過(guò)程自動(dòng)化，工業(yè)過(guò)程控制，大時(shí)滯過(guò)程控制及應(yīng)用。 E-mail:wtang906@163.com