一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统

技术领域

本发明属于蒸汽加湿机控制技术领域，尤其涉及一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统。

背景技术

光泽度和平滑度是纸幅的特征，其不仅影响纸幅的外观，而且还影响纸幅进一步加工的可能性。在某些纸种应用中，希望光泽度和平滑度值尽可能均匀一致。通常通过将纸幅在造纸机的干燥端之后通过压光机来增加纸幅的光泽度和平滑度，其中纸幅的光泽度和平滑度增加了由压区中的压力和形成压区的辊的温度决定。但是，这仅可能在有限的程度上影响纸幅的光泽度和平滑度，因为当压区中的压力增加太多时，纸幅会被压缩得太多，从而导致纸幅的体积损失。存在纸幅失去刚度的危险。辊温度的升高也受到限制，因为这种升高需要大量的能量。所以目前来说在压光机前对纸张进行蒸汽润湿是最佳的，采用分区控制蒸汽喷射量来调整成纸横幅湿度，这样经压光后一方面可以有效提高成纸平滑度、光泽度和水分，对压光机的线压力负荷也有所减轻，降低压光机的损耗，其次也可以提高成纸的平滑度、紧度的均一性。

平滑度(smoothness of paper)是评价纸或纸板表面凸凹程度特性的一个指标，对新闻纸、印刷纸等非常重要，它影响印刷油墨的均一转移。纸张平滑度受纤维形态、纸浆打浆度、造纸用网和毛毯的织造方法、湿压的压力和有无压光、加填和涂布等因素的影响。平滑度差的纸张，印刷后可能出现网点印刷不实，发虚现象。杭州美辰纸业技术有限公司所设计的智能造纸机分区蒸汽加湿机对于提高平滑度和改善横幅水分有显著效果。

智能造纸分区蒸汽加湿机用于制造需高光泽度和高平滑度的纸。可应用于装饰原纸、格拉辛纸、印刷纸等对平滑度要求较高的纸张生产线。将出造纸机后的纸张通过此设备在紧接进入压光机的第一压区之前被蒸汽分区润湿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统，通过OPC方式连接QCS厂家读取横幅水分数据，对读取的数据进行一系列的分析计算后对横幅分区控制蒸汽阀来自动控制加湿量，同时根据加湿量的需要对蒸汽的压力和温度进行自动控制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统，包含安装在造纸机烘干部与压光机之间的蒸汽加湿机，包含用于读取QCS横幅水分曲线OPC数据采集模快，以及PLC控制器、人机交互模块和多个蒸汽阀；

所述OPC数据采集模与PLC控制器连接，所述PLC控制器与人机交互模块和蒸汽阀连接；通过OPC方式连接QCS厂家读取横幅水分数据，PLC控制器对读取的数据进行分析计算后对横幅分区控制蒸汽阀来自动控制蒸汽加湿机的加湿量，根据加湿量的需要对蒸汽的压力和温度进行自动控制。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，通过OPC方式连接QCS厂家读取横幅水分数据，PLC控制器对读取的数据进行分析计算后对横幅分区控制蒸汽阀来自动控制蒸汽加湿机的加湿量，具体计算如下：

由m*n个数aij，排成的m行n列的数表称为m行n列的矩阵，简称m*n矩阵，记作：

其中，m*n个数称为矩阵A的元素，简称为元，数a位于矩阵A的第j列，称为矩阵的(i，j)元，以数aij为(ij)元的矩阵可记为(aij)或(aij)m*n；

m*n矩阵A也记作Amn；

元素是实数的矩阵称为实矩阵，元素是复数的矩阵称为复矩阵，而行数和列数都等于n的矩阵称为n阶矩阵或n阶方阵；

分块矩阵是将矩阵分割出较小的矩阵，较小的矩阵就称为子块：

该矩阵可以分为四个2×2的矩阵：

分块后的矩阵可以写为如下形式：

得到调节阀与数据控制区间的对应关系，通过计算每个区间内的平均水分数据与整体的平均水分数据的差值来得到每个区间的偏差值，根据偏差值的正负及大小，来确定阀门的开关及开关量。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，所述蒸汽加湿机还包含上工作箱体、下工作箱体、汽水分离装置、现场仪表、喷嘴单元，上工作箱体和下工作箱体采用合页方式连接并安装于安装支架上，下工作箱体在气缸动作下与上工作箱体分离，所述汽水分离装置、现场仪表、喷嘴单元分别与PLC控制器连接。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，还包含驱动电路和电动执行器，所述PLC控制器依次通过驱动电路和电动执行器连接蒸汽阀。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，所述驱动电路包含栅极电压VH、栅极电压VL、开关管MH、开关管ML、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电感L、输入电压电压VIN，栅极电压VH连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别连接开关管ML的栅极、电容C1的一端和电容C2的一端，电容C1的另一端分别连接电容C5的一端、开关管ML的漏极和输入电压电压VIN，电容C5的另一端分别连接电容C2的另一端、开关管ML的源极、电感L的一端、电容C6的一端、电容C3的一端、开关管ML的漏极，电容C3的另一端分别连接电阻R2的一端、开关管ML的栅极和电容C4的一端，电阻R2的另一端连接栅极电压VL，电容C4的另一端分别连接开关管ML的源极、电容C6的另一端、电容C7的一端和电阻R5的一端，电容C7的另一端连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端和电阻R5的另一端，电阻R3的另一端连接电感L的另一端。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，包含电源驱动电路，所述电源驱动电路与PLC控制器连接，所述电源驱动电路包含MOS管Q4、电阻R28、电阻R30、电阻R42、二极管D4、电容C7、电容C30、电容C8、按键开关J3、电阻R32、电阻R34、光耦U4、电阻R52、on/off接口、二极管D3、MOS管Q5、MOS管Q6、电阻R2、运算放大器U11D、-12V电压端、+12V电压端、电阻R24、电阻R23、DA-A接口、AD-A接口、电容C11、电阻R25、电阻R60、电容C16、电阻R26、电容C13、电阻R12、电阻R40、电容C52、电阻R41、运算放大器U11C、DC-IN接口、GNDA接口、VCC端；其中，MOS管Q4的D极连接DC-IN接口，MOS管Q4的S极连接电阻R30的一端，电阻R30的另一端分别连接电阻R28的一端、电阻R42的一端并接地，电阻R28的另一端连接GNDA接口，电阻R42的另一端分别连接二极管D4的阴极、电容C7的一端、电容C30的一端、电容C8的一端、电阻R41的一端和按键开关J3的引脚3和引脚4，按键开关J3的引脚1和引脚2分别连接GNDA接口，二极管D4的阳极分别连接电容C7的一端、电容C30的一端、电容C8的一端和GNDA接口，MOS管Q4的S极连接电阻R32的一端，电阻R32的另一端分别连接光耦U4的引脚3和二极管D3的阳极，光耦U4的引脚4连接电阻R34的一端，电阻R34的另一端连接+12V电压端，光耦U4的引脚2连接on/off接口，光耦U4的引脚1连接电阻R52的一端，电阻R52的另一端连接VCC端，二极管D3的阴极分别连接电容C32的一端、MOS管Q5的发射极、MOS管Q6的发射极和电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接MOS管Q5的基极、MOS管Q6的基极和运算放大器U11D的引脚14，MOS管Q5的集电极分别连接-12V电压端和运算放大器U11D的引脚11，MOS管Q6的集电极分别连接+12V电压端和运算放大器U11D的引脚4，运算放大器U11D的引脚12连接电阻R24的一端，电阻R24的另一端分别连接电阻R23的一端和电容C11的一端，电阻R23的另一端连接DA-A接口，电容C11的另一端接地，运算放大器U11D的引脚13分别连接电阻R60的一端、电阻R25的一端、电容C16的一端、电容C32的另一端，电容C16的另一端连接电阻R25的另一端、电阻R26的一端、运算放大器U11C的引脚8、电阻R12的一端、电容C52的一端，电阻R26的另一端分别连接电容C13的一端、AD-A接口，电容C13的另一端接地，电阻R12的另一端连接电阻R40的一端，电阻R40的另一端分别连接电容C52的另一端、电阻R41的另一端、运算放大器U11C的引脚9，运算放大器U11C的引脚10接地。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，所述电动执行器采用进口Honeywell电动执行器，具有动作精度高，响应速度快稳定性好。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，还包含存储模块、时钟模块，所述存储模块、时钟模块分别与PLC控制器连接。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，所述据存储模块选用Micron公司4Gbit容量DDR3-SDRAM存储芯片MT41J256M16HA-125作为缓存介质。

作为本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的进一步优选方案，还包含报警模块，所述报警模块包含为黄、橙、红二极管发光与蜂鸣器鸣叫组成的声光报警电路。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明通过OPC方式连接QCS厂家读取横幅水分数据，对读取的数据进行一系列的分析计算后对横幅分区控制蒸汽阀来自动控制加湿量，同时根据加湿量的需要对蒸汽的压力和温度进行自动控制，蒸汽润湿后的纸张在压光机的作用后，可以有效地提高成纸平滑度和光泽度，提高成纸水分均一性和改善翘曲现象，从而提高产品质量；

2、本发明蒸汽加湿器成纸进入压光机压区之前借助于特殊设计的喷嘴式加湿单元将蒸汽喷射在纸幅的上下表面，由于温差的原因，蒸汽迅速冷凝从而对纸幅进行加湿，在纸幅上下表面上均匀地润湿之外，还对纸幅横截面或厚度上进行润湿，在纸幅中的温度和湿度达到平衡时纸幅通过压光机的压区，可有效改善成纸平滑度、光泽度和水分；也减轻了压光机的线压力负荷；

3、本发明通过OPC通讯方式从QCS服务器采集到横幅水分数据之后，对采集的数据进行计算处理，再由计算机给PLC传送指令，通过改变上、下箱体上的蒸汽调节阀的开度，改变对应区间蒸汽的加入量从而对横幅区间进行加湿控制，最终达到控制水分均一性，提高成纸的平滑度的效果。

附图说明

图1是本发明一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统的原理图；

图2是本发明OPC技术访问QCS的电脑示意图；

图3是本发明读取横向水分数据，经过处理后在我们软件上形成水分曲线示意图；

图4是本发明横幅蒸汽阀开度示意图；

图5是本发明使用前后数据表；

图6是本发明驱动电路电路图；

图7是本发明电源驱动电路电路图。

图8是本发明报警模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制系统，包含安装在造纸机烘干部与压光机之间的蒸汽加湿机，如图1所示，包含用于读取QCS横幅水分曲线OPC数据采集模快，以及PLC控制器、人机交互模块和多个蒸汽阀；

所述OPC数据采集模与PLC控制器连接，所述PLC控制器与人机交互模块和蒸汽阀连接；通过OPC方式连接QCS厂家读取横幅水分数据，PLC控制器对读取的数据进行分析计算后对横幅分区控制蒸汽阀来自动控制蒸汽加湿机的加湿量，根据加湿量的需要对蒸汽的压力和温度进行自动控制。

蒸汽润湿后的纸张在压光机的作用后，可以有效地提高成纸平滑度和光泽度，提高成纸水分均一性和改善翘曲现象，从而提高产品质量。

所述蒸汽加湿机还包含上工作箱体、下工作箱体、汽水分离装置、现场仪表、喷嘴单元，上工作箱体和下工作箱体采用合页方式连接并安装于安装支架上，下工作箱体在气缸动作下与上工作箱体分离，所述汽水分离装置、现场仪表、喷嘴单元分别与PLC控制器连接。

本设备安装与造纸机烘干部与压光机之间，由上、下工作箱体、汽水分离装置、蒸汽调节控制系统、现场仪表、喷嘴单元等部分组成，上下箱体采用合页方式连接并安装于安装支架上，下箱体可以在气缸动作下与上箱体分离，形成一个20-40°的夹角以方便引纸。蒸汽调节系统采用进口Honeywell电动执行器，具有动作精度高，响应速度快稳定性好的优点，通过改变执行器的开度来改变横向各个区域的蒸汽的通过量，使得成纸整体的全幅水分含量稳定在一定的范围内。

工作原理：本加湿器成纸进入压光机压区之前借助于特殊设计的喷嘴式加湿单元将蒸汽喷射在纸幅的上下表面，由于温差的原因，蒸汽迅速冷凝从而对纸幅进行加湿。由于有足够的冷凝区间，因此除了在纸幅上下表面上均匀地润湿之外，还可以对纸幅横截面或厚度上进行润湿。在纸幅中的温度和湿度达到平衡时纸幅通过压光机的压区，可有效改善成纸平滑度、光泽度和水分；也减轻了压光机的线压力负荷。

目前造纸行业内的QCS基本都是Honeywell、Valmet、ABB、双元等公司，我们读取QCS的水分数据时，需要通过OPC技术(OLE for Process Control)访问QCS的电脑，如图2所示，读取横向水分数据，经过处理后在我们软件上形成水分曲线如图3所示。

因采集过来的数据量比较大，一般都有600个数据左右，而加湿器的横幅不可能有这么多分区来调节，所以要对数据进行处理，使得调节阀对区间数据能有效的控制。矩阵是高等代数学中的常见工具，也常见于统计分析等应用数学学科中。在物理学中，矩阵于电路学、力学、光学和量子物理中都有应用；计算机科学中，三维动画制作也需要用到矩阵。矩阵的运算是数值分析领域的重要问题。将矩阵分解为简单矩阵的组合可以在理论和实际应用上简化矩阵的运算。对一些应用广泛而形式特殊的矩阵，例如稀疏矩阵和准对角矩阵，有特定的快速运算算法。关于矩阵相关理论的发展和应用，请参考《矩阵理论》。在天体物理、量子力学等领域，也会出现无穷维的矩阵。

通过OPC方式连接QCS厂家读取横幅水分数据，PLC控制器对读取的数据进行分析计算后对横幅分区控制蒸汽阀来自动控制蒸汽加湿机的加湿量，具体计算如下：

由m*n个数aij，排成的m行n列的数表称为m行n列的矩阵，简称m*n矩阵，记作：

其中，m*n个数称为矩阵A的元素，简称为元，数a位于矩阵A的第j列，称为矩阵的(i，j)元，以数aij为(ij)元的矩阵可记为(aij)或(aij)m*n；

m*n矩阵A也记作Amn；

元素是实数的矩阵称为实矩阵，元素是复数的矩阵称为复矩阵，而行数和列数都等于n的矩阵称为n阶矩阵或n阶方阵；

分块矩阵是将矩阵分割出较小的矩阵，较小的矩阵就称为子块：

该矩阵可以分为四个2×2的矩阵：

分块后的矩阵可以写为如下形式：

得到调节阀与数据控制区间的对应关系，通过计算每个区间内的平均水分数据与整体的平均水分数据的差值来得到每个区间的偏差值，根据偏差值的正负及大小，来确定阀门的开关及开关量。

横幅分区水分调节：

本设备所用蒸汽总进汽为0.5～0.8MPa，在箱体内部循环用以防止箱体有冷凝水产生，否则冷凝水滴落在纸面就会形成纸病，所以必须保持进气压力稳定。进气总管蒸汽经过汽水分离装置，把蒸汽内的冷凝水由疏水阀排除，通过保证含湿量来调节总进汽压力，一般使用在0.1～0.4MPa即可，箱体内部有多个蒸汽分配器，使横向蒸汽压力均一，不会极高或极低的现象，如图4所示，为横幅上各个蒸汽阀的状态显示，绿色为手动状态，浅蓝色为投自动根据采集来的QCS数据进行自动运算调节状态。

美辰通过OPC通讯方式从QCS服务器采集到横幅水分数据之后，对采集的数据进行计算处理，再由计算机给PLC传送指令，通过改变上、下箱体上的蒸汽调节阀的开度，改变对应区间蒸汽的加入量从而对横幅区间进行加湿控制，最终达到控制水分均一性，提高成纸的平滑度的效果。

在使用此设备和投入前以及投入自动控制后，对数据进行了记录分析如图5所示，发现横幅平滑度从原来的最高最低差值60s左右降低到了20s之内，我们对数据进行了描点分析，横幅平滑度整体均一性有大幅度的提升，而且整体平滑度也有所提升，平均提升了36.5s，这对印刷品质来说是一个非常大的数值，对纸的指标有所提升后，从而使企业利润更高。

加湿器使用前后记录表如表1所示

表1

还包含驱动电路和电动执行器，所述PLC控制器依次通过驱动电路和电动执行器连接蒸汽阀。如图6所示，所述驱动电路包含栅极电压VH、栅极电压VL、开关管MH、开关管ML、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电感L、输入电压电压VIN，栅极电压VH连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别连接开关管ML的栅极、电容C1的一端和电容C2的一端，电容C1的另一端分别连接电容C5的一端、开关管ML的漏极和输入电压电压VIN，电容C5的另一端分别连接电容C2的另一端、开关管ML的源极、电感L的一端、电容C6的一端、电容C3的一端、开关管ML的漏极，电容C3的另一端分别连接电阻R2的一端、开关管ML的栅极和电容C4的一端，电阻R2的另一端连接栅极电压VL，电容C4的另一端分别连接开关管ML的源极、电容C6的另一端、电容C7的一端和电阻R5的一端，电容C7的另一端连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端和电阻R5的另一端，电阻R3的另一端连接电感L的另一端。有助于驱动电路高频性能的提升，本驱动电路的输出级是由两个氮化镓增强型NMOS器件和低内阻电感电容滤波模块共同组成的，由于氮化镓器件的独有特性使得整体驱动波形的工作频率增加,低内阻电感电容滤波模块在完成滤波基础上能够保证引入很小的损耗。

如图7所示，包含电源驱动电路，所述电源驱动电路与PLC控制器连接，所述电源驱动电路包含MOS管Q4、电阻R28、电阻R30、电阻R42、二极管D4、电容C7、电容C30、电容C8、按键开关J3、电阻R32、电阻R34、光耦U4、电阻R52、on/off接口、二极管D3、MOS管Q5、MOS管Q6、电阻R2、运算放大器U11D、-12V电压端、+12V电压端、电阻R24、电阻R23、DA-A接口、AD-A接口、电容C11、电阻R25、电阻R60、电容C16、电阻R26、电容C13、电阻R12、电阻R40、电容C52、电阻R41、运算放大器U11C、DC-IN接口、GNDA接口、VCC端；其中，MOS管Q4的D极连接DC-IN接口，MOS管Q4的S极连接电阻R30的一端，电阻R30的另一端分别连接电阻R28的一端、电阻R42的一端并接地，电阻R28的另一端连接GNDA接口，电阻R42的另一端分别连接二极管D4的阴极、电容C7的一端、电容C30的一端、电容C8的一端、电阻R41的一端和按键开关J3的引脚3和引脚4，按键开关J3的引脚1和引脚2分别连接GNDA接口，二极管D4的阳极分别连接电容C7的一端、电容C30的一端、电容C8的一端和GNDA接口，MOS管Q4的S极连接电阻R32的一端，电阻R32的另一端分别连接光耦U4的引脚3和二极管D3的阳极，光耦U4的引脚4连接电阻R34的一端，电阻R34的另一端连接+12V电压端，光耦U4的引脚2连接on/off接口，光耦U4的引脚1连接电阻R52的一端，电阻R52的另一端连接VCC端，二极管D3的阴极分别连接电容C32的一端、MOS管Q5的发射极、MOS管Q6的发射极和电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接MOS管Q5的基极、MOS管Q6的基极和运算放大器U11D的引脚14，MOS管Q5的集电极分别连接-12V电压端和运算放大器U11D的引脚11，MOS管Q6的集电极分别连接+12V电压端和运算放大器U11D的引脚4，运算放大器U11D的引脚12连接电阻R24的一端，电阻R24的另一端分别连接电阻R23的一端和电容C11的一端，电阻R23的另一端连接DA-A接口，电容C11的另一端接地，运算放大器U11D的引脚13分别连接电阻R60的一端、电阻R25的一端、电容C16的一端、电容C32的另一端，电容C16的另一端连接电阻R25的另一端、电阻R26的一端、运算放大器U11C的引脚8、电阻R12的一端、电容C52的一端，电阻R26的另一端分别连接电容C13的一端、AD-A接口，电容C13的另一端接地，电阻R12的另一端连接电阻R40的一端，电阻R40的另一端分别连接电容C52的另一端、电阻R41的另一端、运算放大器U11C的引脚9，运算放大器U11C的引脚10接地。其具有快响应时间、高稳定度特点，具有转换效率高的优点，且电磁干扰小输出电压电流纹波小，使其工作更稳定。

所述电动执行器采用进口Honeywell电动执行器，具有动作精度高，响应速度快稳定性好。

还包含存储模块、时钟模块，所述存储模块、时钟模块分别与PLC控制器连接。

所述据存储模块选用Micron公司4Gbit容量DDR3-SDRAM存储芯片MT41J256M16HA-125作为缓存介质。

还包含报警模块，如图8所示，所述报警模块包含为黄、橙、红二极管发光与蜂鸣器鸣叫组成的声光报警电路。

随着消费者对纸张品质要求的提高，在高档印刷和装饰纸张的生成过程中对于纸张的水分含量和平滑度也提出了更加严格的要求。本文提出的基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机控制方案能够有效的提高成纸平滑度、光泽度和水分，智能造纸机分区蒸汽加湿机作为造纸行业纸张加湿的新一代产品，可以代替国外一些设计复杂，价格昂贵的同类产品。无论从能给造纸企业带来可观的经济效益，还是从造纸技术和要求的不断提高方面考虑，基于OPC的智能造纸分区蒸汽加湿机的应用需求都会逐年增大，因此本文提出的智能造纸分区蒸汽加湿机解决方案具有很大的实际意义。

以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。