专利名称：一种纸浆漂白先进过程控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种造纸先进过程控制(APC， advancce Process
Control)系统，特别涉及一种对纸浆漂白过程进行优化控制的先进过程控 制系统。
背景技术：
造纸产业是与国民经济和社会事业发展关系密切的重要基础原材料产 业。据2004年统计，我国一般大中型造纸企业能源利用率只有30%， 2005 年每吨桨纸的综合能耗高达1.38吨标准煤(世界先进水平仅为0.5吨标煤)， 造纸工业万元产值综合能耗高达2.5~3.0吨标准煤。我国造纸工业水重复利 用率平均只有46 %,平均吨纸水耗高达100m3以上(世界先进水平仅为 10~20m3)，工业万元产值新鲜用水量高达188立方米，造纸行业己经成为 我国高耗能、高污染的重点监管行业之一。
纸浆漂白是制浆造纸过程的一个重要环节，纸浆漂白的目的是通过化学 处理改善纸浆的光学性质，所用的化学药品(漂白剂)有二氧化氯、次氯酸 钠、双氧水、氯气、烧碱和连二亚硫酸钠等。为了确保漂白后的纸浆达到设 定光学性质指标要求，漂白过程控制结果是加入过量漂白剂，残余漂白剂经 过后续洗浆进入污水系统，因此，现有的漂白过程控制不仅造成漂白剂的浪 费，而且造成环境污染，据分析，纸浆漂白过程产生的污水是造纸企业污水 的主要来源之一。
目前，在漂白过程控制DCS (Distribution Control System,在这里指 集散控制系统)中，纸浆漂白过程控制采用常规PID控制，由于漂白过程的 控制变量和被控变量之间具有多变量、大滞后和非线性的特点，常规的PID 控制无法根据纸浆漂白前的质量指标准确调节漂白剂加入量的要求，只能由 操作人员根据经验调节漂白剂加入量。为了生产出合格的纸桨，操作人员往 往加入过量的漂白剂，这样不仅造成了漂白剂的浪费，也不符合环保的要求。
实用新型内容
针对现有纸浆漂白过程中存在的加入过量漂白剂而造成浪费和污染的 问题，本实用新型提供了一种面向工艺的先进过程控制系统来控制纸浆的漂 白过程，本系统适于多变量、大滞后、非线性的纸浆漂白过程，有助于减少 漂白剂消耗、减轻污水处理负荷和降低对环境的污染。
为实现本实用新型的目的采用的技术方案 一种纸浆漂白过程先进控制 系统，与漂白过程控制DCS信号连接，包括工业组态软件模块、关系数据
库和控制模型库；其中，漂白过程控制DCS与工业组态软件模块信号连接， 工业组态软件模块与关系数据库信号连接，关系数据库与控制模型库信号连 接。
所述工业组态软件模块包括监测功能模块、控制功能模块、数据分析功 能模块、事件管理功能模块和通讯接口模块。
上述工业组态软件模块是指GE公司的IFIX模块。 所述关系数据库包括
存储有非线性模型的系数和参数的模型参数数据表； 存储有各种漂白剂的浓度、单价和加入量的最大值及最小值和目标白度 值的漂白剂参数数据表；
存储有漂白过程变量数据的过程变量数据表。 所述控制模型库包括
用于计算目标白度与漂白前纸浆白度的差值和漂白后纸浆实际白度与 漂白前白度的差值的白度增益目标模型；纸浆漂白前后白度的增加值称为白 度增益，白度增益目标模型用于计算理论白度增益值和实际白度增益值，理 论白度增益为目标白度与漂白前纸桨的白度的差值，实际白度值为漂白后纸 浆实际白度与漂白前白度的差值，对于多段漂白需要根据实际情况动态分配 各漂白段的目标白度值。
用于集成漂白化学浆、脱墨浆和化学机械浆所用的典型漂白剂与白度增 益结构模型的非线性模型；为使本实用新型适于不同浆种漂白的控制要求， 非线性模型中集成漂白化学桨、脱墨浆和化学机械浆所用的典型漂白剂与白 度增益的结构模型，结构模型的系数存储在关系数据库中模型参数数据表中。
用于通过纸浆漂白反应罐液位、漂白前后的流量和浓度动态计算纸浆漂 白反应时间的滞后模型；
用于以漂白成本最低为优化目标，以实现目标白度增益为约束条件，优 化计算各种漂白剂的加入量的优化模型；该模型用于优化计算各种漂白剂的 加入量，由于各漂白剂不同加入量的组合可以得到相同的白度增益，该模型 以漂白成本最低为优化目标，以实现目标白度增益为约束条件，进行全局优 化。
用于融合前馈控制信息和反馈控制信息，最终确定当前各漂白剂的加入 量数据，并将该数据发送到关系数据库中过程变量数据表的控制信息融合模 型；为了实现连续过程控制，有效追踪并反馈漂白剂加入量的效果信息，需 要融合前馈控制信息和反馈控制信息，前馈控制信息来自于优化模型的理论 漂白剂加入量、白度增益模型的理论白度增益值，反馈控制信息来源与白度 增益模型的实际白度增益值，通过融合上述信息最终确定当前各漂白剂的加 入量，并将该数据发送到关系数据库中过程变量数据表。
用于上述模型在关系数据库相应位置中进行读写操作的接口函数。 所述工业组态软件模块通过其中的通讯接口模块采用OLE、 ODBC或 CQM方式与关系数据库信号连接；所述关系数据库通过控制模型库中的接 口函数与控制模型库信号连接。
本实用新型的纸浆漂白先进过程控制系统是这样工作的 第一步通过工业组态软件模块的界面输入模型参数和漂白剂参数数 据，工业组态软件模块通过通讯接口模块将上述数据存储到关系数据库中。 模型参数数据包括模型需要的所有系数和目标白度值，漂白剂参数数据包括 各种漂白剂的单价格，漂白剂加入量的上下限值。
第二步工业组态软件模块通过OPC (—种工业通讯开放接口协议)
方式从现有的漂白过程控制DCS中采集漂白前纸浆流量、漂白前纸浆浓度、
漂白前纸浆白度、漂白塔液位、漂白塔纸浆温度、漂白后纸浆的流量、漂白 后纸浆浓度、漂白后纸浆白度、漂白后纸浆残余漂白剂含量、漂白后纸浆
PH值、漂白剂流量、漂白剂浓度等变量，并将上述过程数据存储到关系数 据库中，采样周期为1 60秒钟。第三步控制模型库通过接口函数调用关系数据库中的模型参数、漂白 剂参数和第二步中采集到的过程数据，并进行处理控制模型库中的白度增 益目标模型根据目标白度和漂白前纸浆白度值计算理论白度增益目标模型， 将理论白度增益目标存储到关系数据库中；控制模型库中的非线性模型根据 理论白度增益目标计算出所需要各种漂白剂的组合，并将上述计算数据存储 到关系数据库中；控制模型库中的优化模型根据各钟漂白剂的单价计算出非
线性模型得到的各种漂白剂组合的成本，并选择最便宜的一种组合存储到数
据库中；控制模型库中的滞后模型根据纸浆漂白前后的流量、浓度和漂白塔 液位等过程数据计算纸浆漂白时间长度，将当前漂白时间长度存储到数据库 中；控制模型库中的白度增益目标模型根据纸浆漂白时间长度、过程数据计 算出当前漂白后纸浆的实际白度增益；控制模型库中的控制信息融合模型将 实际白度增益、目标白度增益、纸浆漂白时间长度和最便宜的漂白剂组合信 息融合后，计算出最终各种漂白剂加入量，将上述各漂白剂加入量存储到关 系数据库中。
第四步工业组态软件模块通过其中的通讯接口模块采用OLE、 ODBC 或COM方式调用上述第三歩计算得到并存储在关系数据库中的各漂白剂加 入量，发送到漂白过程控制DCS， DCS根据上述漂白剂加入量通过阀门定 位器调节个各漂白剂的加入量。
上述第二步、第三步和第四步每1 10分钟执行一次，往复循环实现对 漂白过程的连续控制。
本实用新型相对于现有技术的主要优点和效果是
1、 目前，纸浆漂白剂加入量由操作工根据经验手动调节，或以纸浆流 量为参考变量通过PID控制器自动调节。由于漂白过程有多变量耦合、大滞 后和非线性的特点，无论是操作工还是PID控制器都很难准确地响应漂白前 纸浆质量指标的变化，只能通过加入过量漂白剂来稳定生产，这样就造成了 浪费和污染。本实用新型的纸浆漂白先进过程控制系统根据漂白前纸浆动态 变化的质量指标自动控制漂白剂的加入量，在满足漂白后纸桨质量指标的前 提下，尽可能地降低漂白的成本、尽可能减少漂白剂的用量。根据典型项目 表明可降低成本5%~15%，漂白后纸浆白度标准偏差减小20%~50%。
2、 本实用新型的纸浆漂白先进过程控制系统的运作不需要改变原有系统的软件和硬件环境，它既可以集成到原有操作员站，又可以单独运行于工
作站上，通过OPC协议与原有DCS系统进行通讯。
3、 本实用新型的纸浆漂白先进过程控制系统的安装和调试无需停运漂 白生产设备，不会影响企业正常生产。
4、 对于多段漂白过程，本实用新型纸浆漂白先进过程控制系统可以有 效协调各漂白工段漂白剂加入量，从而使纸浆漂白全过程漂白成本最低。
图1是本实用新型的纸浆漂白先进过程控制系统的工作流程框图； 图2是本实用新型的纸浆漂白先进过程控制系统的结构方框图； 图3是现有的漂白过程控制DCS与本实用新型的纸浆漂白先进过程控 制系统的连接关系图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新 型的实施方式不限于此。
本实用新型的纸浆漂白先进过程控制系统与现有的漂白过程控制DCS 的连接关系如图3所示，其结构框图如图2所示包括工业组态软件模块、 关系数据库和控制模型库；其中，现有的漂白过程控制DCS与工业组态软 件模块信号连接，工业组态软件模块与关系数据库信号连接，关系数据库与 控制模型库信号连接。工业组态软件模块包括监测功能模块、控制功能模块、 数据分析功能模块、事件管理功能模块和通讯接口模块，其采用GE公司的 IFIX模块。关系数据库包括存储有非线性模型的系数和参数的模型参数 数据表；存储有各种漂白剂的浓度、单价和加入量的最大值及最小值和目标 白度值的漂白剂参数数据表；存储有漂白过程变量数据的过程变量数据表。 控制模型库包括:用于计算目标白度与漂白前纸浆白度的差值和漂白后纸浆 实际白度与漂白前白度的差值的白度增益目标模型；用于集成漂白化学浆、 脱墨浆和化学机械浆所用的典型漂白剂与白度增益结构模型的非线性模型； 用于通过纸浆漂白反应罐液位、漂白前后的流量和浓度动态计算纸浆漂白反 应时间的滞后模型；用于以漂白成本最低为优化目标，以实现目标白度增益
8为约束条件，优化计算各种漂白剂的加入量的优化模型；用于融合前馈控制
信息和反馈控制信息，最终确定当前各漂白剂的加入量数据，并将该数据发
送到关系数据库中过程变量数据表的控制信息融合模型；用于上述模型在关 系数据库相应位置中进行读写操作的接口函数。工业组态软件模块通过其内 部的通讯接口模块采用OLE、 ODBC或COM方式与关系数据库信号连接； 关系数据库通过控制模型库中的接口函数与控制模型库信号连接。
本实用新型的纸浆漂白先进过程控制系统是这样工作的，其工作流程框 图如图1所示
第一步通过工业组态软件模块的界面输入模型参数和漂白剂参数数据， 工业组态软件模块将上述数据存储到关系数据库中。模型参数数据包括模型 需要的所有系数和目标白度值，漂白剂参数包括各种漂白剂的单价格，漂白 剂加入量的上下限值。
第二步工业组态软件模块通过OPC (—种工业通讯开放接口协议)方
式从现有的漂白过程控制DCS中采集漂白前纸浆流量、漂白前纸浆浓度、
漂白前纸浆白度、漂白塔液位、漂白塔纸浆温度、漂白后纸浆的流量、漂白
后纸浆浓度、漂白后纸浆白度、漂白后纸浆残余漂白剂含量、漂白后纸浆PH
值、漂白剂流量、漂白剂浓度等变量，并将上述过程数据通过通讯接口模块
存储到关系数据库中，采样周期为10秒钟。
第三步控制模型库通过接口函数调用关系数据库中的模型参数、漂白 剂参数和第二步中采集到的过程数据，并进行处理控制模型库中的白度增 益目标模型根据目标白度和漂白前纸浆白度值计算理论白度增益目标模型，
将理论白度增益目标存储到关系数据库中；控制模型库中的非线性模型根据
理论白度增益目标计算出所需要各种漂白剂的组合，并将上述计算数据存储
到关系数据库中；控制模型库中的优化模型根据各钟漂白剂的单价计算出非
线性模型得到的各种漂白剂组合的成本，并选择最便宜的一种组合存储到数
据库中；控制模型库中的滞后模型根据纸桨漂白前后的流量、浓度和漂白塔 液位等过程数据计算纸浆漂白时间长度，将当前漂白时间长度存储到数据库 中；控制模型库中的白度增益目标模型根据纸浆漂白时间长度、过程数据计 算出当前漂白后纸桨的实际白度增益；控制模型库中的控制信息融合模型将 实际白度增益、目标白度增益、纸浆漂白时间长度和最便宜的漂白剂组合信息融合后，计算出最终各种漂白剂加入量，将上述各漂白剂加入量通过接口 函数存储到关系数据库中。
第四步工业组态软件模块通过其中的通讯接口模块采用OLE、 ODBC 或COM方式调用上述第三歩计算得到并存储在关系数据库中的各漂白剂加 入量，发送到漂白过程控制DCS, DCS根据上述漂白剂加入量通过阀门定 位器调节个各漂白剂的加入量。
上述第二步、第三步和第四步每1分钟执行一次，往复循环实现对漂白 过程的连续控制。
使用本实用新型对纸浆漂白过程进行控制，可节约漂白剂成本10%，漂 白后纸浆白度标准偏差减小40%。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不 受上述实施例的限制，任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改 变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型 的保护范围之内。
10
权利要求1、一种纸浆漂白先进过程控制系统，与漂白过程控制DCS信号连接，其特征是，包括工业组态软件模块、关系数据库和控制模型库；其中，漂白过程控制DCS与工业组态软件模块信号连接，工业组态软件模块与关系数据库信号连接，关系数据库与控制模型库信号连接。
2、 根据权利要求1所述纸浆漂白先进过程控制系统，其特征是，所述工 业组态软件模块包括监测功能模块、控制功能模块、数据分析功能模块、事件 管理功能模块和通讯接口模块。
3、 根据权利要求1或2所述纸浆漂白先进过程控制系统，其特征是，所 述工业组态软件模块是指GE公司的IFIX模块。
4、 根据权利要求1所述纸浆漂白先进过程控制系统，其特征是，所述关 系数据库包括存储有非线性模型的系数和参数的模型参数数据表； 存储有各种漂白剂的浓度、单价和加入量的最大值及最小值和目标白度值 的漂白剂参数数据表；存储有漂白过程变量数据的过程变量数据表。
5、 根据权利要求1所述纸浆漂白先进过程控制系统，其特征是，所述控 制模型库包括用于计算目标白度与漂白前纸浆白度的差值和漂白后纸浆实际白度与漂 白前白度的差值的白度增益目标模型；用于集成漂白化学浆、脱墨桨和化学机械浆所用的典型漂白剂与白度增益 结构模型的非线性模型；用于通过纸浆漂白反应罐液位、漂白前后的流量和浓度动态计算纸浆漂白 反应时间的滞后模型；用于以漂白成本最低为优化目标，以实现目标白度增益为约束条件，优化 计算各种漂白剂的加入量的优化模型；用于融合前馈控制信息和反馈控制信息，最终确定当前各漂白剂的加入量 数据，并将该数据发送到关系数据库中过程变量数据表的控制信息融合模型；用于上述模型在关系数据库相应位置中进行读写操作的接口函数。
6、 根据权利要求1、 2、 4或5所述纸浆漂白先进过程控制系统，其特征是，所述工业组态软件模块通过其中的通讯接口模块采用OLE、ODBC或COM方式与关系数据库信号连接；所述关系数据库通过控制模型库中的接口函数与 控制模型库信号连接。
7、根据权利要求3所述纸浆漂白先进过程控制系统，其特征是，所述工 业组态软件模块通过其中的通讯接口模块采用OLE、 ODBC或COM方式与关 系数据库信号连接；所述关系数据库通过控制模型库中的接口函数与控制模型 库信号连接。
专利摘要本实用新型公开了一种纸浆漂白先进过程控制系统，与现有的漂白过程控制DCS信号连接，其包括工业组态软件模块、关系数据库和控制模型库；其中，漂白过程控制DCS与工业组态软件模块信号连接，工业组态软件模块与关系数据库信号连接，关系数据库与控制模型库信号连接。本实用新型的漂白过程控制系统可根据漂白前纸浆动态变化的质量指标自动控制漂白剂的加入量，在满足漂白后纸浆质量指标的前提下，尽可能地降低漂白的成本、尽可能减少漂白剂的用量，可降低成本5％～15％，漂白后纸浆白度标准偏差减小20％～50％。
文档编号G05B19/418GK201343671SQ20082020568
公开日2009年11月11日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者刘焕彬, 朱小林, 李继庚, 陶劲松 申请人:华南理工大学