摘 要：本文介绍了一种基于西门子PLC的热泵供汽控制系统。对纸机供热系统进行了研究，采用一种新型的供汽系统——-热泵供汽系统，取代了传统三段供汽。该系统运用先进的控制方案，软硬件紧密结合，使系统性能进一步提高，特别适用于I/O点较多的大型纸厂。此系统已在浙江一纸厂应用，具有一定的推广价值。
关键词：热泵;三段供汽;DCS
引言
目前，在纸机干燥部普遍采用传统三段供汽方法，这种供汽方式能耗大，效率低，严重制约着造纸技术的向前发展。随着造纸技术的不断发展，出现了一种新的供汽方法——热泵供汽，这种供汽方法能够很好的解决传统三段供汽烘缸冷凝水排放不畅、能耗大、效率低的缺点，解决了传统串联式三段供热上下段之间相互影响的矛盾，各组烘缸的温度曲线调节十分方便。
1 热泵供汽性能分析
如图1，利用热泵替代阀门节流减压执行器所需品位和数量的蒸汽，利用蒸汽减压前后的能量差使其工作蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸汽，提高能级后再供生产使用。特别是在蒸汽喷射式热泵工作过程中，在闪蒸罐中将蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽增压后供给纸机烘缸加热，同时降低了闪蒸罐的工作压力，增大了烘缸排出蒸汽冷凝水的压差，有利于蒸汽冷凝水通畅排出。冷凝水经过多级闪蒸后热能得到充分利用。在热泵供汽系统中，各段纸机烘缸排出的蒸汽冷凝水经过多级闪蒸，依次产生不同品位的二次蒸汽，蒸汽冷凝水降低温度后，再排出冷凝水罐。如I段烘缸排出的蒸汽冷凝水进入一级冷凝水闪蒸罐，产生二次蒸发汽经热泵增压后供一段烘缸加热用，由一级闪蒸罐排出的蒸汽冷凝水进入二级闪蒸罐进行多级闪蒸，热能得到了充分利用。
图1 三级闪蒸热泵供热系统工艺流程
1.分汽缸 2.一级闪蒸罐 3.二级闪蒸罐 4.三级闪蒸罐 5.冷凝水贮水罐 6.冷凝水水泵 7-9.热泵 10-16.差压排水器 17.分离器 18.真空泵 19.水封槽
2 系统设计
2.1 系统设计依据
纸幅在造纸机的网部成形并在压榨部脱水以后，大约尚有60%～80%的水分，然后在造纸机的干燥部用加热蒸发扩散的方法进一步脱去，使纸幅达到成品所需的94%左右的干度。湿纸页进入干燥部与烘缸接触干燥，要求干燥温度按一定的规律变化，称为干燥曲线。
要在生产过程中得到合适的干燥曲线（图2），首先要选择好烘缸的分组和各组的烘缸个数，其次是用自动化仪表去调节和稳定干燥曲线。为了便于排除烘缸内的冷凝水，还必须保持烘缸内汽压和冷凝水箱汽压之差，即跨过吸管的压力之差的稳定。
图2 各种纸张烘缸温度曲线
1-瓦楞纸2-新闻纸3-1号书写纸4-2号书写纸
2.2 系统硬件设计
2.2.1 系统组成
图3为DCS系统控制图，本系统中，各控制分部于上位机（操作员站）通过WinCC监控软件的OPC接口进行数据传送。OPC接口是OPC服务器实现的一套标准的COM接口，其基于OPC规范。OPC规范基于微软的COM技术，规范了过程控制和生产自动化软件与用OPC服务器实现的硬件驱动程序之间的接口，并且提供基于工业自动化应用的统一数据传输平台。只要工业自动化软件符合OPC规范，它不需要做任何修改就能一致地访问所有OPC服务器实现的硬件驱动程序。
图3 DCS系统控制图
2.2.2 CPU模块
本次设计应用西门子S7-400可编程序控制器构成热泵供汽DCS子系统。S7系列PLC是在S5系列基础上研制出来的。它由微型S7-200、中小型S7-300、中大型S7-400组成。其中结构紧凑、价格低廉的S7-200使用小型的自动化控制系统;紧凑型、模块化的S7-300是用于极其快速的过程处理或对数字处理能力有特别要求的中小型自动化控制系统。功能极强的S7-400适于大、中型自动控制系统。设计中使用的CPU为CPU414-2 ，型号6ES7414-2XG03-0AB0。
2.2.3 信号输入输出模块
本次控制I/0点分别为：部分流送：AI=20，AO=9，DI=80，DO=40;干部：AI=22，AO=19，DI=10，DO=5;
DI是将外部过程的数字量信号转换成可编程控制器CPU模块所需要信号，并传送给系统总线上。DI模块选择直流32点输入模块6ES7 321-1BL00-0AA0，其额定负载电压为24VDC。输入电压“1”范围13～30V，“0”范围-3～5V。共计4块。
DO是将CPU模块处理的内部数字量信号转换成外部过程所需的信号，并驱动外部过程的执行机﹑显示灯等负载。DO选择32点晶体管输出模块6ES7 322-1BL00-0AA0，输出点数为32点，额定电压24VDC。最大输出电流：“1”信号0.5A，“0”信号0.5mA,最小输出电流：“1”信号5mA。共计2块。
AI是将外部生产过程缓慢变化的模拟量信号转化为可编程序控制器内部的数字信号。设计选择SM331，8＊12位。共计7块。
AO是将PLC内部的数字结果转换成外部生产过程的模拟量信号。设计选择SM332 ，4＊12位模块6ES7。共计6块。
2.2.4 控制功能及策略：
本系统能实现以下几种控制功能
1）低选与分层调节的组合功能 本系统每组烘缸具有低选与分层调节的组合功能，其主要目的是解决纸机烘干部出现断纸时，系统会自动的去调节每组烘缸的排水能力，会自动的降低每组烘缸进汽压力，保证每个烘缸组在断纸时排水性能仍处于最佳状态。
2）高选功能 本系统第一组烘缸具有高选功能，第一组烘缸共有三个控制回路，第一个控制回路控制1#烘缸的进汽压力，第二个控制回路控制2#烘缸的进汽压力，第三个控制回路控制3#﹑4#烘缸的进汽压力，第一烘缸组首先利用其它四个热泵系统所吹泄出的少量蒸汽，当任何一个烘缸进汽压力不够时，通过高选功能自动打开补充新鲜蒸汽阀门进行补充，其目的主要是充分利用其它四个烘缸组尾汽和闪蒸蒸汽。
3）串级控制功能 PIC-101与纸张水分信号进行串级控制，即纸张水分信号作为PIC-101控制回路的外给定，PIC-101在外给定工作状态时PIC-101的压力大小由纸张水分来控制。
4）比值控制功能 PIC-102，PIC-103，与PIC-101实现了比值控制，即在PIC-102，PIC-103在外给定工作状态时，PIC-102，PIC-103只要设定好比例系数即可实现比值控制。在比值控制状态下，只要改变PIC-101压力设定值，其它所有烘缸组的压力设定值就按比例系数自动得到改变。如果系统在串级控制状态下所有烘缸组的压力就会随着纸张水分大小自动进行调节，无需人工干预，因此，纸机烘干部可以实现完全自动化。
5）断纸连锁功能 当烘干部断纸时，每5分钟PIC-101压力设定值下降50Kpa，直至PIC-101压力值降至50Kpa为止，纸机处于稳定状态。当断纸结束纸张全部经过烘干部时PIC-101的设定值自动恢复断纸前的压力设定值，并由纸张的水分大小来自动改变PIC-101的压力设定值，因此纸机很快就进入稳定状态。
2.3 系统软件设计
本次程序设计依据现场控制要求，使用结构化编程，程序结构层次清晰，部分程序通用化、标准化，易于修改、简化程序的调试。如图4所示，FC100是读模拟量输入程序，该程序用指针作为地址变量，且地址变量具有通用性。FC98是对读入的模拟量数据进行十次滤波。程序测试稳定，运行良好。
图4 系统软件设计图
2.4系统组态软件设计
根据工艺要求与控制，该系统有热泵供汽示意图﹑网络通讯状态图﹑报警指示图等。
该控制系统取消了常规仪表的记录与显示功能，将所有的压力﹑流量﹑液位﹑浓度等信号在计算机上以动态图形显示。系统的各种控制参数﹑工艺参数及生成的数据库均可自动存储，实时查询，同时定时进行报表打印。
当有异常发生时，可立即以色变﹑闪烁等各种形式向操作人员报警。
操作员站键盘具有专用功能键，可直接调出画面，用户可根据需要任意指定目标画面。各个画面的展开键和滚动键使画面窗口的信息可以任意调出，滚动检索，提高了工作效率。
3 结论
该系统已应用于浙江一纸厂纸机干燥部，经过前期调试本系统运行稳定﹑抗干扰能力强，达到了预期的目标：一方面提高了系统的传热效率，另一方面提高了纸机烘缸转动时动平衡度，提高了车速，降低了能耗，并有利于烘缸中冷凝水的排出。
本文作者创新点：采用一种新型的供汽系统——-热泵供汽系统，取代了传统三段供汽。该系统运用先进的控制方案，软硬件紧密结合，使系统性能进一步提高，特别适用于I/O点较多的大型纸厂。实践证明：采用这种控制方案后，有效提高了系统的稳定性和传热效率。
参考文献
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