劉金星 劉煥彬 高英蓮

（1.曲阜師范大學(xué)信息技術(shù)與傳播學(xué)院，山東日照，276826；2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640；3.曲阜師范大學(xué)，山東日照，276826）

很多與造紙工業(yè)有關(guān)的研究?jī)?nèi)容都涉及到系統(tǒng)仿真技術(shù)，如物流平衡分析、工業(yè)代謝、生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品的生命周期分析等。由于造紙過(guò)程自身的特點(diǎn)和復(fù)雜性，給系統(tǒng)的建模、仿真與優(yōu)化帶來(lái)諸多困難，但同時(shí)也存在著巨大的研究與應(yīng)用空間。

國(guó)際上關(guān)于造紙過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代末。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，一些造紙工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已開發(fā)出多套專用于造紙過(guò)程的仿真軟件。這些軟件雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但引入我國(guó)使用時(shí)，都不可避免地存在缺陷。首先，漢化問題亟待解決，其次，這些軟件都是根據(jù)國(guó)外造紙行業(yè)的相應(yīng)情況開發(fā)的，無(wú)法完全適應(yīng)中國(guó)造紙工業(yè)的實(shí)際情況。

我國(guó)造紙過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還處于起步階段，相關(guān)研究比較少。主要研究涉及造紙工業(yè)過(guò)程的某個(gè)單元模塊或某些特性的仿真［1-5］。這些軟件都不是很系統(tǒng)且實(shí)用性較差，很難滿足實(shí)際需要。劉煥彬教授在此方面做了開拓性的研究［6-12］，以他為核心的團(tuán)隊(duì)于20世紀(jì)80年代末期開始著手相關(guān)研究，并開發(fā)出造紙過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)PAMS。歷經(jīng)諸多研究者的繼續(xù)努力，PAMS系統(tǒng)已經(jīng)在造紙過(guò)程的靜態(tài)仿真方面取得了較為滿意的效果。隨著Windows的流行，該系統(tǒng)亟待重新開發(fā)，使PAMS系統(tǒng)在使用和維護(hù)各個(gè)方面都變得更加方便，更容易被用戶接受。

本研究主要對(duì)造紙工業(yè)過(guò)程仿真平臺(tái)WinPAMS（Paper Making System for Windows）的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和與漿水衡算、能量衡算有關(guān)的模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 WinPAMS仿真平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

WinPAMS仿真平臺(tái)采用序貫?zāi)K法和面向?qū)ο蠹夹g(shù)相結(jié)合的開發(fā)方法。在分析過(guò)程中根據(jù)造紙過(guò)程的特點(diǎn)，得到仿真平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

WinPAMS仿真平臺(tái)主要由屏幕顯示、文件處理、單元模塊處理、管道處理、仿真計(jì)算處理、文件打印、在線幫助以及單元功能模塊等8個(gè)部分組成，每部分完成一項(xiàng)特定的功能。

圖1 仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

屏幕顯示模塊的主要功能是完成模塊、管道等在屏幕上的顯示以及由于窗口位置的移動(dòng)或窗口大小的改變所引起的窗口重繪功能。文件處理模塊的主要功能是完成仿真文件的存盤、打開及建立新文件等功能。

單元模塊處理的主要功能是用戶在編輯仿真文件時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)在流程圖中增加或刪除模塊，以及在流程圖中如何查看模塊的相關(guān)信息和輸入各個(gè)模塊的設(shè)備參數(shù)等。

管道處理模塊的主要功能是用戶在編輯仿真文件時(shí)，完成構(gòu)造新的管道，把各個(gè)模塊通過(guò)管道來(lái)聯(lián)系起來(lái)，并且可查看管道中的主要參數(shù)等。

計(jì)算處理模塊的主要功能是完成對(duì)用戶構(gòu)成的仿真文件進(jìn)行計(jì)算順序的確定，然后按照計(jì)算順序，逐個(gè)調(diào)用各個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型來(lái)完成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的仿真計(jì)算，并報(bào)告最終計(jì)算結(jié)果。還可以按照用戶的意圖在靜態(tài)計(jì)算達(dá)到平衡后指定某條特定流線的參數(shù)來(lái)計(jì)算其余各條流線的參數(shù)值，以便用戶確定諸如：生產(chǎn)每噸紙所需要漿料數(shù)量之類的指標(biāo)計(jì)算。

單元功能模塊是整個(gè)WinPAMS仿真平臺(tái)的核心部分。每個(gè)單元模塊由2個(gè)文件（*.cpp和*.h）組成，如混合模塊由Mixer.cpp和Mixer.h 2個(gè)文件組成。*.h文件定義該模塊所屬的設(shè)備類，以及該模塊所具有的一些特有參數(shù)；*.cpp文件負(fù)責(zé)對(duì)過(guò)程用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，并按照仿真平臺(tái)中的標(biāo)準(zhǔn)在程序中表達(dá)出該數(shù)學(xué)模型，完成對(duì)某一特定過(guò)程的仿真。仿真平臺(tái)中的各個(gè)單元模塊之間是相互獨(dú)立互不影響的，只接受主程序?qū)λ目刂啤?/p>

2 造紙過(guò)程仿真平臺(tái)主要單元功能模塊的建立

將要用到的有關(guān)符號(hào)的說(shuō)明如表1所示。下面根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律，建立造紙過(guò)程的主要單元功能模塊的數(shù)學(xué)模型。

表1 符號(hào)說(shuō)明

2.1 混合模塊

混合模塊能夠完成2～6股物料的混合計(jì)算，抽象的混合模塊示意圖如圖2所示。

圖2 混合模塊示意圖

圖2中I1，…，In代表物料入口，入口數(shù)目至少為2，最多為6；O代表物料出口。該模塊有2個(gè)功能選擇：①簡(jiǎn)單的混合；②混合并稀釋到一定的濃度。

2.1.1 簡(jiǎn)單混合

該功能選擇把所有輸入的n股物料經(jīng)過(guò)混合后送到輸出流線，把所有帶入的熱量也送到輸出流線。

入口流量：

固形物含量：

入口的能量總和為：

由質(zhì)量守恒定律可計(jì)算出口的有關(guān)參數(shù)，具體如下。

出口流量：

出口固形物含量：

出口濃度：

出口比熱容：由能量守恒定律得出口的熱量：

出口溫度：

2.1.2 混合并稀釋

對(duì)于該功能選擇，模塊可以加入適當(dāng)?shù)南♂屢菏钩隹诘臐舛冗_(dá)到要求值。該功能的約定是最后一條入口流線為稀釋液的流線，其作用是把前面的幾股流線混合之后再加入稀釋液調(diào)節(jié)出口的濃度達(dá)到要求值。計(jì)算步驟如下：

（1）從用戶輸入對(duì)話框中的參數(shù)，獲得該模塊的入口管道數(shù)n，出口物料的濃度Cout，以及稀釋液的濃度C0。

（2）計(jì)算前n-1股物料混合后的各個(gè)參數(shù)

流量：

固形物：

比熱容：

熱量：

（3）推導(dǎo)可得需要稀釋液的流量：

（4）計(jì)算出口其余各個(gè)參數(shù)

流量：

濃度：

比熱容：

熱量：

出口溫度：

2.2 分離模塊

分離模塊的功能是把進(jìn)入該模塊的物料按照仿真的需要，分成相應(yīng)的幾股，抽象的混合模塊圖如圖3所示。

圖3 分離模塊示意圖

圖3中，I代表物料入口；O1，…，On代表物料出口，出口數(shù)目至少為2，最多為6。該模塊有3個(gè)功能選擇，下面分別論述它們的數(shù)學(xué)模型的建立方法。

2.2.1 按照給定的比例分成濃度相同的n股

把進(jìn)入該模塊的物料按照用戶給定的比例Pn（由用戶選擇）分成濃度相同的2～6股輸出。此處是簡(jiǎn)單的物料和能量衡算，濃度、各組分含量均保持不變。

各股的出口流量：

如果有熱交換，出口的熱量和溫度會(huì)有變化，具體計(jì)算如下：

入口的熱量：

由于出口各股物料的溫度相同，因此可以先求出出口物料的溫度。由能量守恒定律，得出口物料的溫度：

進(jìn)而求出各股的熱量：

2.2.2 按照給定的出口流量分成濃度相同的n股

把進(jìn)入該模塊的物料按照用戶給定的出口數(shù)，以及給定各個(gè)出口流線的流量，分離成濃度相同的2～6股輸出。

其中最后一股流線的流量根據(jù)物料衡算求出，在此不再具體列出。

2.2.3 分成濃度不同的2股

該功能把入口物料分為濃度不同的2股，進(jìn)入該模塊的物料按照用戶給定的第一個(gè)出口的固形物占入口固形物總量的比例P，以及第一個(gè)出口需要達(dá)到的濃度把入口物料分為2股。

入口的固形物含量：

出口第一股的固形物含量是：

已知第一股的固形物濃度Cout，1，由質(zhì)量守恒定律求得第一股的流量：

第二股的固形物濃度為：

第一股物料的比熱容為：

第二股物料的比熱容為：

相應(yīng)地可以求出其他參數(shù)，在此不再詳述。

由于濃度不同，各個(gè)出口物料的比熱容是不同的。在做能量衡算時(shí)，簡(jiǎn)單的處理原則是所有出口的物料的溫度是相同的。當(dāng)用戶選擇輸入交換熱時(shí)，可以先求出物料溫度，然后再求出口物料的熱量。

物料帶入的熱量：

由能量守恒定律，得出口物料的溫度：

由此，可求得出口物料的熱量。第一股的熱量：

第二股的熱量：

2.3 除渣器模塊

除渣器模塊和旋翼篩模塊功能相似，數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)起來(lái)也類似，下面僅以除渣器模塊為例。除渣器模塊是針對(duì)造紙過(guò)程中除渣裝置的特點(diǎn)，以及漿水衡算和能量衡算的特點(diǎn)，由用戶給定該除渣器的排渣率x和排渣濃度C3，計(jì)算出口的各個(gè)參數(shù)值。除渣器模塊的示意圖如圖4所示。

圖4 除渣器模塊示意圖

該模塊有1個(gè)入口2個(gè)出口，圖4中，I代表物料入口；O1代表良漿出口，O2為渣漿出口。

渣漿流量：由質(zhì)量守恒定律得良漿流量：

良漿的濃度：

3 WinPAMS過(guò)程仿真示例

圖5為某造紙過(guò)程三段除渣器的工藝流程，表2為該流程的工藝參數(shù)。

圖5 造紙過(guò)程三段除渣系統(tǒng)工藝流程圖

表2 三段除渣器工藝參數(shù)

在WinPAMS中可以根據(jù)圖5所示的操作流程，構(gòu)成如圖6的仿真流程圖。

圖6 WinPAMS中三段除渣系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)流程圖

編輯好圖6的流程后，通過(guò)各個(gè)功能模塊的對(duì)話框輸入表2中的各個(gè)工藝參數(shù)。做完這些以后，使用者的主要工作就已完成，下一步是WinPAMS按自動(dòng)排列出的計(jì)算順序（圖6中各個(gè)模塊上的序號(hào)即為該流程的計(jì)算順序），對(duì)該過(guò)程逐塊進(jìn)行計(jì)算，所有的模塊都計(jì)算一遍后，WinPAMS檢查是否所有的模塊都已經(jīng)收斂，如果未收斂，則把上一次計(jì)算結(jié)果作為下一次計(jì)算的起點(diǎn)，重復(fù)計(jì)算直到收斂或達(dá)到最大迭代次數(shù)，計(jì)算結(jié)束后，軟件報(bào)告仿真的結(jié)果和迭代的次數(shù)，并自動(dòng)把仿真結(jié)果保存到一個(gè)文本文件中，用戶可以通過(guò)各種方法查看該仿真結(jié)果，并通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析解決實(shí)際問題。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究首先采用序貫?zāi)K法和面向?qū)ο蠹夹g(shù)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了WinPAMS仿真平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了與漿水衡算有關(guān)的功能模塊，主要包括混合、分離、除渣器和旋翼篩等模塊，并通過(guò)典型的三段除渣系統(tǒng)實(shí)例驗(yàn)證了該仿真平臺(tái)的有效性。

［1］湯 偉，施頌椒.抄紙過(guò)程的建模、檢測(cè)及控制［J］.中國(guó)造紙，2000，19（6）：53.

［2］胡慕伊，陳鐵山.MATLAB（SIMULINK）在造紙漿水平衡計(jì)算中的仿真應(yīng)用［J］.林產(chǎn)化工通訊，2005，39（3）：21.

［3］陳朝霞，胡慕伊.紙機(jī)定量水分DMC控制的仿真分析［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，30（6）：69.

［4］徐 明，曹春昱.OCC制漿造紙過(guò)程水封閉循環(huán)的模擬研究［J］.中國(guó)造紙，2007，26（11）：5.

［5］唐 輝，李 迪，萬(wàn)金泉，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的造紙廢水處理動(dòng)態(tài)仿真［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2006，26（1）：48.

［6］鄭毅強(qiáng)，郭荷清，劉煥彬，等.計(jì)算機(jī)模擬造紙過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，26（12）：88.

［7］沈文浩，劉煥彬.造紙機(jī)濕端定量前饋-串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模與模擬分析［J］.中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，1999，14（增刊）：102.

［8］文 飚，何北海，劉煥彬.新聞紙廠白水封閉循環(huán)的研究（I）——白水封閉后濕部各參數(shù)間的關(guān)系及封閉程度的表征［J］.中國(guó)造紙，2001，20（3）：11.

［9］文 飚，何北海，劉煥彬，等.新聞紙廠白水封閉循環(huán)的研究（II）——白水封閉對(duì)濕部狀況和紙頁(yè)強(qiáng)度的影響及其優(yōu)化［J］.中國(guó)造紙，2001，20（5）：37.

［10］李向陽(yáng)，朱學(xué)峰，劉煥彬.間歇制漿蒸煮過(guò)程的混合建模方法探討［J］.中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2002，16（2）：24.

［11］曹旭光.制漿造紙過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬軟件PAMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.廣州：華南理工大學(xué)，1998.

［12］金才兵.造紙過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬與優(yōu)化的研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，1994.