CN102341544A - 造纸机的扩展的干燥部分的控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制造纸机的至少一部分的方法和模型支持的控制器、具有这种控制器的造纸机、用于执行按照本发明方法的计算机程序以及计算机程序产品，在计算机程序产品上存储按照本发明的计算机程序。为了实现造纸机的“扩展的干燥部分”，其由“实际的”干燥部分，必要时分成前干燥部分和后干燥部分连同位于其间的胶压机，蒸发和冷凝系统、废气热量回收系统、湿压机和白水组成，的改善或优化的运行方式，建议包括上述设备部件的模型，利用它借助于与干燥相关的参数值对于设备部件计算质量和能量平衡以及在干燥部分中的单位能耗。

Description

造纸机的扩展的干燥部分的控制

技术领域

本发明涉及一种用于控制造纸机的至少一部分的方法和模型支持的控制器、具有这种控制器的造纸机、用于执行按照本发明的方法的计算机程序以及计算机程序产品，在计算机程序产品上存储按照本发明的计算机程序。

背景技术

尤其在造纸机的干燥部分为干燥纸带需要许多能量，提高干燥部分能效会显著影响总生产成本。有时干燥部分在设备生产率方面也是“瓶颈”，即通过改善干燥可以提高生产率。

为了节能已知，使用智能的控制器、例如Kadant Johnson的“干燥器管理系统”，它模拟造纸机的实际干燥部分中的干燥，干燥部分主要由干燥滚筒和干燥罩组成。

发明内容

本发明的目的是，实现造纸机的“扩展的干燥部分”的改善及优化的运行方式。

“扩展的干燥部分”在此指的是：

-“实际的”干燥部分，基本由干燥滚筒和干燥罩组成并且必要时分成前干燥部分和后干燥部分连同位于其间的胶压机（Leimpresse）；

- 必要时的胶压机；

- 蒸发和冷凝系统；

- 废气热量回收系统，

- 湿压机；

- 白水，尤其通过使用新蒸汽调节的白水温度。

“改善的”或“优化的”运行方式指的是这样的运行方式，它降低单位能耗（=生产每吨纸的蒸汽吨数），和/或提高生产率（=每小时生产的纸吨数），和/或提高在更长时间段上的生产量（每周或每月生产的纸吨数）。最后的标准“提高生产量”可以通过提高生产率和/或提高生产时间或设备使用率，即通过改善所谓的“运转性能”实现。

这个目的通过一种用于控制造纸机的至少一部分的方法得以实现，包括下列设备机组的在线模型

·干燥部分，必要时分成前干燥部分和后干燥部分连同位于其间的胶压机，

·热量回收系统，

·蒸发和冷凝系统

可选地附加包括下列设备机组的在线模型

·湿压机和/或

·白水温度闭环控制装置，其中

-在所述在线模型中，分成四个材料流

·湿纸

·湿空气

·高纯水的蒸发和冷凝混合物，

·具有不同乙二醇含量的工艺水，

-在所述在线模型中对于所有材料流分别在

·干燥部分，

·热量回收系统以及

·蒸发和冷凝系统

中计算质量和能量平衡

-由质量和能量平衡计算单位能耗，并且

-优选以图形和/或表格地示出和/或显示质量和能量平衡和/或单位能耗。

这个目的还通过具有在权利要求12-15中规定的特征的控制器、造纸机、计算机程序以及计算机程序产品得以实现。

按照本发明的方法以具有上述机组的整个“扩展的干燥部分”的在线模型为基础，只要上述机组在具体的设备中存在。

由现有技术已知的系统只模拟在前干燥部分和后干燥部分中的干燥，但是不包括下面的设备或现象的模型：

-白水加热，

-湿压机对纸带干燥的影响，

-蒸发和冷凝系统，

-湿的废气的热量回收系统。

而按照本发明的用于控制至少（扩展的）干燥部分的方法则以前干燥部分和后干燥部分以及胶压机、湿压机、蒸发和冷凝系统、热量回收系统和白水加热的模型为基础，因为单位能耗的进一步降低只能通过模型支持的控制系统实现，其模型包括更宽泛的设备部件（或者说多个设备部件）。

不同材料流的特性也加入到模型中。在此将开始纸生产时存在的湿的纤维垫和湿的纸分别作为纤维-水混合物模拟。例如也可以表格化地寄存湿空气（纸干燥的进气和废气）、高纯水蒸汽和冷凝混合物以及工艺水（必要时添加乙二醇）的特性。

在此当然不能只通过降低在造纸机相同生产率情况下的能耗来降低单位能耗（=生产每吨纸的蒸汽吨数），而是也通过提高在相同能耗情况下的生产率。以理想的方式能够同时满足对于降低单位能耗的两个条件，即以使用更少的能量实现更高的生产率。

按照本发明的方法可以用于离线-“什么何时（what when）”-计算。通过计算各自的质量和能量平衡以及单位耗能，可以以简单的方式模拟变化对能耗的影响。

显示计算的质量和能量平衡和/或从属的单位能耗，尤其通过图形和/或表格示出。在此可以有利地由使用者选择物理单位，即例如要以吨每小时还是以公斤每秒显示确定的质量流。

对于图形示出，将计算值有利地在造纸机的与要示出的数值相关的设备部件的示意图中直接在相关组件的附近标注出来。通过这种配属，可以使相应组件（例如胶压机）的相关的（部分）结果由观察者“直观”获悉。

为了改善图形示出的清楚性，还有利的是，由操作者决定地只示出结果的一个选择。于是可以例如在第一视图中，对于前干燥部分和后干燥部分以及胶压机和湿压机只示出与纸带有关的结果，在第二视图中示出与罩空气相关的结果，并且在第三视图中示出与涂胶有关的结果。在其它视图中可以分别以相应的示意图示出例如前干燥部分和后干燥部分各自的蒸发和冷凝系统的结果。

在此结果不必以绝对值标注在图中，它们也可以例如以柱状图图形地示出，或者例如对于“什么-如果（what if）？”计算，以百分比方式涉及造纸机的当时的实际值。

在改进方案的有利形式中，对于材料流“湿的纸”计算参数值温度、质量流、绝对湿度、相对湿度；对于材料流“湿的空气”计算参数值温度、体积流、质量流、能流、绝对湿度、相对湿度、露点；对于材料流“蒸发和冷凝”计算参数值温度、压力、蒸汽百分比、质量流、能流；对于材料流“工艺水”计算参数值温度、质量流和能流。特别有利的是，附加于所示的结果-质量和能量平衡和/或单位能耗-还一起将其它参数、如要干燥的纸带的温度和密度一起包括到所述示出中，它现在图形或以表格的形式概览。同样特别有利的是，考虑一般由多个驱动组组成的前干燥部分和/或后干燥部分，其中对于每个驱动组分别计算质量和能量平衡。因此本发明不只识别节省潜力，而是也改善对于设备的理解。在此设备概览有助于，识别或诊断损坏的或要维护的设备（例如热交换器阻塞）、有缺陷的测量技术（例如阀门上的流量和压差测量不相互匹配）或者不利的运行方式（例如如果旁路-蒸汽阀是敞开的，而它们在正常生产期间应该关闭）。

在另一有利的实施例中，至少一个参数的计算值在所述在线模型中配属于从属传感器的测量值，并通过比较计算值与测量值进行在线模型的匹配。在此例如在斯蒂芬方程中适配质量转移系数，由此使在干燥部分后面计算的与测得的纸湿度相一致。

在另一有利的实施例中，模拟至少一个参数即工艺进气的温度和湿度、工艺废气的温度和湿度、白水温度、机器速度、主蒸汽组中的蒸汽压力和相对副蒸汽组的压差对纸带的干燥的造纸机特有的影响，并且对于所述参数的至少一个参数计算理论值。因此通过按照本发明的方法优化地调整例如上述的参数。但是按照造纸机的配置也可以考虑或调整在湿压机中例如使用蒸发箱，如果存在的话。所谓的纸带“撕裂”通常在“扩展的干燥部分”中发生，干燥部分按照上面的定义除了实际的干燥部分也包括湿压机和胶压机。通过改善的“运转性能”可以减少撕裂次数并因此提高生产时间并且提高生产量。

在另一有利的实施例中，确定至少一个参数的数值，并且数值未确定的参数利用优化算法确定理论值。优化算法可以优化单位能耗与生产率之间的加权平均。通过这种方式可以以平衡的方式同时实现造纸生产时的两个重要的目的-提高能效和生产率。也可以选择分别只优化单位能耗或生产率。

在另一有利的实施例中，对于其中至少一个参数给定数值范围，在该范围以内连续确定给定数量的数值，并且对于其数值未确定的参数对于其中每个数值在数值范围以内利用算法确定各理论值，以优化单位能耗与生产率之间的加权平均。通过这种方式可以在一个步骤中实现对于整个数值范围的“建议”。此外操作者（设备操作人）可以容易地识别，参数的变化对于其它参数的计算理论值有哪些影响。

在另一有利的实施例中，以均匀的时间间隔或者按照设备操作者的要求计算理论值。在此可以按照模拟的设备部件的工艺动态性调整时间间隔并且一般在10至60秒之间、尤其30秒。

在另一有利的实施例中，至少一个理论值自动规定给造纸机的配属于相应参数的执行元件或DCS（分布控制系统）的附属的闭环控制装置。因此按照本发明的方法不仅“建议”优化的理论值，它们例如可以由设备操作者确定或者只趋势性地接受，而且也直接作为计算的理论值方面的“控制方法”。在此理论值可以直接给到执行元件，但是通常它们输送到DCS的闭环控制装置。

在另一有利的实施例中，借助于模型预测的优化算法计算至少一个理论值的时间变化。这首先涉及类别变换和暂停理论值，由此可以加速类别变换以及在停机或暂停时间以后的起动。尤其可以使干燥滚筒的温度在实际的干燥部分中只相对缓慢地变化或控制。提高生产量并降低单位耗能的其它措施是，缩短从一个类别到下一类别的转换时间以及优化暂停理论值，其目的是，可以尽可能快速地再起动，同时使暂停时间期间的能量损失尽可能小。

在另一有利的实施例中，由计算的或由在线模型推导的参数生成和/或固定规定和/或由设备操作者规定设备边界或参数值边界，并且在计算理论值时考虑它们。在此由在线模型推导的参数例如是露点温度。考虑所述极限值可以保证，也可以在具体的造纸机上实现计算的理论值。

在另一有利的实施例中，至少一个配属于参数的传感器测量参数值，并且在测量值偏离参数的计算值时给出警示信号。由此实现扩展的设备监控，例如涉及到阀门是否打开，阀门在正常运行中应是关闭的。如果是这种情况，则可以在显示单元上例如给出视觉上突出的文字信息“阀门打开”。也可以设想备选的或附加的其它形式的视觉或声音信号，它们也可以分级地根据测量值与计算值之间的差接通，由此在大的差异时，它们可能意味着故障功能，以文字方式“发出警示”。通过这种方式按照本发明的方法不仅通过监控测量值负责保持识别的或计算的节省潜力，而且也负责提高在造纸机运行时的安全性。

用于更大的、由多个设备部件组成的设备、例如造纸机的控制器通常多级地构成。大多存在下级的闭环控制器，其由上级的装置规定理论值。在此理论值可以是瞬时有效的理论值或者是时间的函数（理论值曲线）。

通常所谓的2级系统利用在线优化算法计算理论值，所述优化算法本身利用要控制设备的在线模型。在线模型经常是数学-物理模型。在某些情况下模型具有不再可能在物理上有意义地模拟的参数，而是必需根据经验地确定。例如这种参数是热传递系数、摩擦值和类似的参数。经验的参数通常在试运行状态-部分地以附加的离线测量为基础-预设定以及在设备运行期间匹配和/或通过（匹配的）经验模型表示。这种匹配的经验模型的示例是神经网络。

按照本发明的造纸机的按照本发明的控制器是这种2级系统。在此按照本发明的方法可以是在控制器上运行的通用运行方法的一部分。

通过按照本发明的方法可以以简单的方式执行离线优化计算，用于设备特有地表示造纸机特有的影响。尤其在其它参数纳入到结果的表示中时，按照本发明的以模型为基础的2级系统也可以作为软件传感器显示不可测量的值。因此本发明不仅能够识别节省潜力，而且也导致更好的理解设备。

如果2级系统在线地与造纸机连接，也可以利用控制器在造纸机上设定对于参数的有利值。

有利地至少一个理论值自动规定给造纸机的配属于相应参数的执行元件或附属的闭环控制装置。由此所述2级系统可以，在利用用于优化单位能耗与生产率之间的加权平均的算法所计算的理论值方面，不仅可以作为“建议系统”，而且可以作为“控制系统”使用。在此理论值可以直接规定给执行元件，但是它们通常输送到DCS的闭环控制装置。

所述闭环控制装置可以由以模型为基础的闭环控制器构成，它们在使用由它们调节的控制对象模型的条件下获得其控制量。以模型为基础的闭环控制器例如也可以由模型预测的闭环控制器构成，它们作为这种闭环控制器一般是公知的（参见例如专业文章“在工业实践中以模型为基础的预测的调节”，作者Rainer Dittma和Bernd-Markus Pfeiffer，见自动化技术（Automatisierungstechnik），第 54卷（2006），第12册，第590-601页）。如果对于设备部件不能实现物理模拟或者没有意义（例如为此所需的费用太高），则在现有技术中使用“先进过程控制系统（Advanced Process Control System）”，其具有模型预测的闭环控制器的形式（英文：MPC=model predictive control）并且其以完全根据经验确定的动态过程模型为基础。通常离线或在校准状态中识别这个模型，但是不在连续运行期间。但是也公知在线识别方法。

造纸机的至少扩展的干燥部分由2级系统控制，其中“控制”在这里在本发明的范围内用作“控制”的一般意义。即不限于，是否实现更窄意义上的开环控制或闭环控制。下级的闭环控制器的改进方案在本发明的范围内也具有次要的意义。例如可以是单闭环控制器或级联闭环控制器。也能够实现分布的控制系统（DCS=分布控制系统）的改进方案。

因此按照本发明的2级系统不仅用于离线-“什么何时”计算，而且在线地结合并且例如对DCS/QCS系统（QCS=质量控制系统）以均匀的时间间隔（例如每30秒）规定相关的执行元件的理论值。

根据本发明的改进方案形式可以实现至少两个下面的目的的组合：

-降低单位能耗，

-提高生产率，

-提高生产时间或生产量，

-加速类别变换以及停机或暂停时间后的起动，

-改善设备概览，

-诊断设备状态，通过输出警示，

-分析设备运行方式，通过显示设备边界和/或警示。

附图说明

下面借助于在附图中所示的实施例详细描述并解释本发明。附图中：

图1简示出模拟的造纸机设备部件的示意图，

图2示出按照本发明方法的图示。

具体实施方式

图1简示出造纸机1的示意图，其中视图局限于对于本发明重要的设备部件。其首先是干燥部分2，它具有前干燥部分3、后干燥部分4和胶压机5，其中湿压机6对纸带13干燥的影响同样一起模拟。此外热量回收系统7以及蒸发和冷凝系统8也属于干燥部分2。所有设备部件可以具有多个传感器9，用于接收不同的测量值（例如在按照本发明的方法中计算的参数），其中在附图中只示出热量回收系统7中的一个传感器9。传感器9提供测量值给造纸机1的控制器14，它具有适合的机构12，如输入和输出机构、工作存储器、处理器等，用于执行按照本发明的方法。设备部件也可以具有执行元件10，它们可以直接或者通过上级的闭环控制装置11由控制器14控制。在此闭环控制装置11的改进方案的详细形式，如作为模型预测的闭环控制器，对于本发明的构思是不重要的。同样由控制器14给到执行元件10的理论值可以例如以均匀的时间间隔（例如每30秒）传递到DCS/QCS（分布控制系统/质量控制系统）。

所述前干燥部分3和后干燥部分4一般具有多个干燥组（蒸发或干燥组的干燥滚筒具有相同的蒸汽压力），对于它们有利地分别单个地计算质量和能量平衡。因为同样有利的是，除了计算的质量和能量平衡以及单位能耗以外，还在结果示出中纳入其它参数，但为了清晰没有在示出中给出所有的结果，而是对使用者提供更多的视图，在所述视图中分别只示出一个部分。在此多个视图也可以涉及同一设备部件，其中例如在示出前干燥部分3、胶压机5和后干燥部分4的情况下，一个视图可以涉及与纸带13相关的结果（和必要时其它参数），一个视图可以涉及罩空气，并且另一视图可以涉及涂胶。

图2以方框图示出按照本发明方法的基本工作原理。在此对于干燥纸带重要的参数15送到造纸机的干燥部分的模型17中。该模型17考虑参数15的造纸机特有的影响，并且为参数15计算数值16以及分别对于单个设备部件计算至少一个质量和能量平衡20以及由此计算出单位能耗21。

利用优化算法18，例如基于计算的数值16，也可以计算理论值19，其然后例如由控制器14传递到配属于相应理论值（或相关参数）的闭环控制装置11，见图1。结果20、21的示出可以表格或图形地实现，如同前面已经详细描述过的那样。

总之，本发明涉及一种方法和模型支持的控制器，用于控制造纸机的至少一个部分、具有这种控制器的造纸机、用于执行按照本发明方法的计算机程序以及计算机程序产品，在计算机程序产品上存储按照本发明的计算机程序。为了实现造纸机的“扩展的干燥部分”（由“实际的”干燥部分，必要时分成前干燥部分和后干燥部分连同位于其间的胶压机，蒸发和冷凝系统、废气热量回收系统、湿压机和白水组成）的改善或优化的运行方式，建议包括上述设备部件的模型，利用它借助于对于干燥重要的参数的值来计算设备部件的质量和能量平衡以及在干燥部分中的单位能耗。

Claims (15)

1.一种用于控制造纸机（1）的至少一部分的方法，包括下列设备机组的在线模型，

·干燥部分（2），必要时分成前干燥部分（3）和后干燥部分（4）连同位于其间的胶压机（5），

·热量回收系统（7），

·蒸发和冷凝系统（8），

·以及可选地附加于设备机组的湿压机（6），

·以及可选地附加于设备机组的白水温度闭环控制器，

其中

-在所述在线模型中，分成四个材料流

·湿纸，

·湿空气，

·高纯水的蒸发和冷凝混合物，

·具有不同乙二醇含量的工艺水，

-在所述在线模型中对于所有材料流分别在

·干燥部分（2），

·热量回收系统（7）和

·蒸发和冷凝系统（8）中

计算质量和能量平衡（20），

-由所述质量和能量平衡（20）计算单位能耗（21），并且

-显示所述质量和能量平衡（20）和/或单位能耗（21）。

2.如权利要求1所述的方法，其中

-对于材料流“湿纸”对参数（15）

·温度；

·质量流；

·绝对湿度；

·相对湿度，

-对于材料流“湿空气”对参数（15）

·温度；

·体积流；

·质量流；

·能量流；

·绝对湿度；

·相对湿度；

·露点；

-对于材料流“蒸发和冷凝”对参数（15）

·温度；

·压力；

·蒸汽百分比；

·质量流；

·能量流；

-对于材料流“工艺水”对参数（15）

·温度；

·质量流；

·能量流

计算数值（16）。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中

-至少一个参数（15）的计算值在所述在线模型中配属于从属的传感器（9）的测量值，并且

-通过比较计算值与测量值实现在线模型的适配。

4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中

-模拟其中至少一个参数（15）

·工艺进气的温度和湿度，

·工艺废气的温度和湿度，

·白水温度，

·设备速度，

·主蒸汽组中的蒸汽压力，以及

·相对副蒸汽组的压差

对纸带（13）的干燥的造纸机特有的影响，并且

-对于所述参数（15）中的至少一个参数计算理论值（19）。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中确定至少一个参数（15）的数值（16），并且对于其数值（16）未确定的参数（15）利用优化算法（18），尤其用于优化单位能耗（21）与生产率之间的加权平均，确定理论值（19）。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，对于其中至少一个参数（15）给定数值范围，在该数值范围以内连续确定给定数量的数值（16），其中对于其数值（16）未确定的参数（15）对于其中每个数值（16）在数值范围以内利用用于优化单位能耗（21）与生产率之间的加权平均的算法（18）分别确定理论值（19）。

7.如权利要求4-6中任一项所述的方法，其中以均匀的时间间隔或者按照设备操作者的要求计算理论值。

8.如权利要求4-7中任一项所述的方法，其中至少一个理论值（19）自动规定给造纸机（1）的配属于相应参数（15）的执行元件（10）或DCS（分布控制系统）的附属的闭环控制装置（11）。

9.如权利要求4-8中任一项所述的方法，其中借助于模型预测的优化算法计算至少一个理论值（19）的时间变化。

10.如权利要求4-9中任一项所述的方法，其中

-由计算的或由在线模型推导的参数生成，和/或

-固定规定，和/或

-由设备操作者规定

设备边界或参数值边界，并且在计算理论值（19）时考虑所述设备边界或参数值边界。

11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中至少一个配属于参数（15）的传感器（9）测量参数值，并且在测量值偏离参数（15）的计算值（16）时给出警示信号。

12.用于控制造纸机（1）的至少一部分的模型支持的控制器（14），具有用于执行如上述权利要求中任一项所述的方法的机构（12）。

13.造纸机（1），具有至少一个如权利要求12所述的控制器（14）。

14.计算机程序，用于在如权利要求12所述的控制器（14）中运行时执行如权利要求1-11中任一项所述的方法。

15.计算机程序产品，在计算机程序产品上存储如权利要求14所述的计算机程序。

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