DCS控制系統(tǒng)在制漿造紙生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　DCS的軟件系統(tǒng)

　　DCS的軟件體系通?？梢詾橛脩籼峁┫喈?dāng)豐富的功能軟件模塊和功能軟件包，控制工程師利用DCS提供的組態(tài)軟件，將各種功能軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹敖M裝連接”（即組態(tài)），生成滿足控制系統(tǒng)的要求各種應(yīng)用軟件。

　?。?）現(xiàn)場(chǎng)控制單元的軟件系統(tǒng)

　　現(xiàn)場(chǎng)控制單元的軟件主要包括以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的數(shù)據(jù)巡檢、控制算法、控制輸出和網(wǎng)絡(luò)通信等軟件模塊組成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)起到了中心環(huán)節(jié)的作用，在這里進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，各執(zhí)行代碼都與它交換數(shù)據(jù)，用來(lái)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)、控制輸出以及某些計(jì)算的中間結(jié)果和控制算法結(jié)構(gòu)等方面的信息。

　　數(shù)據(jù)巡檢模塊用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、故障信號(hào)的采集，并實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)字濾波、單位變換、補(bǔ)償運(yùn)算等輔助功能。DCS的控制功能通過(guò)組態(tài)生成，不同的系統(tǒng)，需要的控制算法模塊各不相同，通常會(huì)涉及以下一些模塊：算術(shù)運(yùn)算模塊、邏輯運(yùn)算模塊、PID控制模塊、變型PID模塊、手自動(dòng)切換模塊、非線性處理模塊、執(zhí)行器控制模塊等等?？刂戚敵瞿K主要實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)以故障處理的輸出。

　?。?）操作站的軟件系統(tǒng)

　　DCS中的操作站用以完成系統(tǒng)的開發(fā)、生成、測(cè)試和運(yùn)行等任務(wù)，這就需要相應(yīng)的系統(tǒng)軟件支持，這些軟件包括操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言及各種工具軟件等。一套完善的DCS，在操作站上運(yùn)行的應(yīng)用軟件應(yīng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)管理、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖形管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)顯示與修改、記錄報(bào)表生成與打印、人機(jī)接口控制、控制回路調(diào)節(jié)、參數(shù)列表、串行通信和各種組態(tài)等。

　　DCS控制系統(tǒng)在制漿造紙生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　過(guò)去在造紙生產(chǎn)中自動(dòng)控制的應(yīng)用十分有限， 主要集中在制漿過(guò)程的局部簡(jiǎn)單儀表控制和紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制方面， 大量的控制內(nèi)容是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工調(diào)整實(shí)現(xiàn)的。改革開放以來(lái)， 通過(guò)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)裝備的引進(jìn)， 使造紙生產(chǎn)中自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。市場(chǎng)上對(duì)紙張質(zhì)量和價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈， 使造紙企業(yè)認(rèn)識(shí)到了投入更大的力量和資金關(guān)注自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用的必要性。近年來(lái)， 許多廠家在生產(chǎn)過(guò)程的重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了自控系統(tǒng)的技術(shù)改造， 如蒸煮控制、盤磨控制、配漿控制、上漿流送控制、紙機(jī)傳動(dòng)、紙機(jī)干燥部多段通氣控制（熱泵控制） 和水分定量檢測(cè)等方面， 取得了明顯的效果。正朝著整廠集中控制的方向發(fā)展。

　　制漿、造紙生產(chǎn)大致可分為： 制漿工段、造紙工段、堿回收工段、水處理工段。作為其輔助工段， 堿回收工段和水處理工段， 也是造紙生產(chǎn)中重要組成部分，DCS 控制系統(tǒng)在這2 個(gè)工段中也得到了非常廣泛應(yīng)用。在此， 著重介紹DCS 控制系統(tǒng)在制漿和造紙2 個(gè)工段中的應(yīng)用。

　　1 制漿、造紙生產(chǎn)的控制要求

　　1. 1 制漿工段

　　制漿工段的自動(dòng)化控制主要集中在蒸煮、磨漿、配漿、打漿的控制方面， 其主要控制參數(shù)有： 液位、溫度、壓力、流量和濃度等。從過(guò)程控制上來(lái)說(shuō)， 既有對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的定速電動(dòng)機(jī)和電磁閥進(jìn)行邏輯、順序的控制; 又有對(duì)罐類和工藝管道上的各種閥門進(jìn)行工藝參數(shù)的P ID 調(diào)節(jié)， 以使液位、溫度、壓力、流量和濃度等參數(shù)滿足生產(chǎn)工藝要求; 還有對(duì)配漿泵、蒸煮管、喂料螺旋機(jī)、上料系統(tǒng)等等設(shè)備變速驅(qū)動(dòng)要求的控制。

　　制漿生產(chǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)最初是儀表控制系統(tǒng)和繼電器邏輯控制系統(tǒng)的結(jié)合， 主要由二次儀表作為控制器來(lái)進(jìn)行單回路或多回路的自動(dòng)控制， 許多廠家一直延用至今， 基本上是一種獨(dú)立、分離的控制， 操作繁瑣， 勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著電子技術(shù)的發(fā)展， 從20 世紀(jì)80 年代末期開始， PLC 控制器的功能和技術(shù)概念發(fā)生了重大變化， 開始以一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)的面貌出現(xiàn); 而且在組態(tài)方便性和靈活性上有了很大改善， 具備了從事復(fù)雜控制功能、自整定功能、中斷切換功能、參數(shù)存儲(chǔ)功能等等， 使整個(gè)控制過(guò)程能夠輕松實(shí)現(xiàn)。

　　新型的操作終端和觸摸式界面的出現(xiàn)， 特別是PLC 控制器通訊能力的加強(qiáng)， 智能的、動(dòng)態(tài)的人機(jī)界面越來(lái)越多地在制漿生產(chǎn)的關(guān)鍵控制點(diǎn)， 如： 蒸煮器、盤磨、擠漿機(jī)、熱分散、雜質(zhì)分離機(jī)、配漿等控制比較復(fù)雜部分中得到了應(yīng)用。在被控現(xiàn)場(chǎng)配置液晶或等離子顯示真彩操作終端， 可方便地通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC 連接， 形成獨(dú)立的操作系統(tǒng)， 既可作為總線上的1 個(gè)從站， 又可與設(shè)備成套作為1 個(gè)產(chǎn)品。操作終端和觸摸式界面按用戶要求顯示各狀態(tài)參數(shù)?？梢詳?shù)字量形式和以棒圖形式顯示; 也可以趨勢(shì)圖的形式顯示其相關(guān)參數(shù)。同時(shí)， 具有各種操作功能， 可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和邏輯操作控制。為了在控制室中清楚地反映生產(chǎn)過(guò)程的整體和局部信息， 利用上位計(jì)算機(jī)， 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、操作和管理。操作人員可以從控制室的顯示器上所顯示的不同畫面中， 觀察到生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)， 并在專用的操作終端上或直接在控制顯示器上對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行修改、存取、控制。

　　1. 2 造紙工段

　　造紙工段的生產(chǎn)過(guò)程， 從控制上來(lái)說(shuō)， 是一個(gè)多設(shè)備協(xié)調(diào)的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。造紙過(guò)程的自動(dòng)化控制突出地表現(xiàn)在紙機(jī)的傳動(dòng)控制方面， 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)歷來(lái)是造紙裝備最重要的部分之一， 是紙機(jī)運(yùn)行的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)， 直接影響造紙生產(chǎn)的正常運(yùn)行。因紙種的變化， 紙機(jī)的工作車速變化較大， 漿料配比、紙張?zhí)匦?、紙機(jī)運(yùn)行情況的變化， 使紙機(jī)車速需要有較大范圍的調(diào)整; 電網(wǎng)電壓、頻率和負(fù)荷的波動(dòng)， 也會(huì)引起紙機(jī)車速的變化， 紙?jiān)诩垯C(jī)的成形、壓榨、烘干、壓光、卷取等各部分會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)或收縮， 受到不同的張力作用， 因此， 要求造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定、精確、同步、協(xié)調(diào)的變速傳動(dòng)系統(tǒng)。除此而外， 上漿系統(tǒng)、蒸氣冷凝水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、損紙系統(tǒng)、涂料制備系統(tǒng)等也是十分重要的， 考慮到這些系統(tǒng)的控制與制漿的DCS 控制有些類似， 因此不再贅述， 在此僅介紹造紙主傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　紙機(jī)一般有網(wǎng)部、壓榨部、烘干部、施膠部、壓光部和卷紙組成。產(chǎn)品品種及車速的不同對(duì)控制的要求也不同。目前幾乎毫無(wú)例外地采用多點(diǎn)分部傳動(dòng)的傳動(dòng)形式， 客觀上對(duì)自控制系統(tǒng)提出了快速、精確、穩(wěn)定和可靠等較高的要求; 又因紙機(jī)傳動(dòng)在造紙生產(chǎn)中的特殊重要地位， 紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制的一般配置由中型或大型PLC 控制單元、矢量型變頻單元、遠(yuǎn)程操作終端和生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)組成。運(yùn)用PRO F IBU S2D P 通訊協(xié)議構(gòu)成先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)， 快速傳輸各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)， 執(zhí)行生產(chǎn)指令， 控制各傳動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。

　　目前大都采用全數(shù)字驅(qū)動(dòng)單元。其通訊功能強(qiáng)， 具有多種通訊協(xié)議; 參數(shù)范圍廣， 可適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合; 能自動(dòng)測(cè)試負(fù)載特性， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化; 能通過(guò)磁通電流控制自動(dòng)進(jìn)行負(fù)載補(bǔ)償; 能滿足造紙工業(yè)的各種特殊工藝要求， 如力矩控制， 張力控制， 卷徑計(jì)算等; 其保護(hù)功能多， 如過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、失步、接地錯(cuò)誤等; 內(nèi)裝斜波積分發(fā)生器， 可產(chǎn)生各種積分時(shí)間等。實(shí)踐證明， 紙機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)自采用數(shù)字式驅(qū)動(dòng)裝置以來(lái)， 控制精度和系統(tǒng)的安全可靠性大大提高， 已完全能夠滿足紙機(jī)向大型、高速發(fā)展的需要。

　　紙機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的操作現(xiàn)場(chǎng)可以安裝觸摸式彩色操作終端， 也可以采用傳統(tǒng)的操作臺(tái)按鈕的形式。操作終端具有多個(gè)不同對(duì)象的畫面， 如線速度， 負(fù)荷， 等棒圖與趨勢(shì)、文本或圖形列表， 可進(jìn)行過(guò)程值的輸入、切換， 如啟動(dòng)、停止、運(yùn)行、爬行、速度微調(diào)、負(fù)荷均衡等操作; 并具有故障報(bào)警及特殊狀態(tài)的提示。

　　2 DCS 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及構(gòu)成

　　DCS， 即集散控制系統(tǒng)， 又名分布式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CRT 顯示技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相互滲透發(fā)展起來(lái)的。它既不同于分散的儀表控制， 又不同于集中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 它具備通用性、系統(tǒng)可以靈活組態(tài)、控制功能完備、顯示操作集中、人機(jī)界面友好、運(yùn)行安全可靠的顯著特性。對(duì)于提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平， 提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率具有特別重要的意義。DCS 集散型控制系統(tǒng)， 從結(jié)構(gòu)上講就是將采集和控制分散在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站中， 而將操作和監(jiān)視功能集中在一個(gè)或多個(gè)操作站中。它從硬件上采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化產(chǎn)品， 并具有熱插拔功能， 維護(hù)方便。系統(tǒng)上各工作站是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口相連接的， 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)使系統(tǒng)資源共享。通訊總線的應(yīng)用， 使原先復(fù)雜繁瑣的接線工作變得簡(jiǎn)單了許多， 也節(jié)省了大量的接線材料。

　　控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是生產(chǎn)中的各種參數(shù)， 這些參數(shù)通過(guò)不同的變送器、傳動(dòng)裝置等， 最終以模擬量、數(shù)字量

　　2 大類信號(hào)送到就近的站點(diǎn)。各站點(diǎn)又以數(shù)字方式， 經(jīng)小型可編程控制器PLC （主要對(duì)單臺(tái)控制要求復(fù)雜的設(shè)備， 如雜質(zhì)分離機(jī)、熱分散機(jī)等） 或遠(yuǎn)程I?O 站點(diǎn)， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制總線PRO F IBU S2D P 方式， 以9. 6 K～ 12M 的波特率將相關(guān)的信息送到自動(dòng)控制主站可編程控制器PLC。主站可編程控制器PLC 將相關(guān)的信息按工藝要求和連鎖關(guān)系， 進(jìn)行邏輯運(yùn)算， 數(shù)據(jù)處理后再經(jīng)過(guò)各站點(diǎn)送到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)或顯示終端。

　　在制漿過(guò)程中， 因其控制點(diǎn)多而復(fù)雜， PLC 主站采用大型控制器組成自動(dòng)化中心控制系統(tǒng)， 系統(tǒng)可以集中放置， 也可以分散安裝在現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I?O 站。變頻器完成制漿過(guò)程中變速設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。變送器將液位、溫度、壓力、流量和濃度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～ 20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)， 發(fā)送到遠(yuǎn)程 I?O 站。那些控制要求復(fù)雜的設(shè)備， 用小型PLC 和觸摸屏單獨(dú)對(duì)其控制， 即可獨(dú)立控制和操作， 也可作為一從站與DCS 系統(tǒng)連網(wǎng)。為方便操作人員， 并考慮到工藝工程師和控制工程師的需要， 配置數(shù)臺(tái)觸摸屏或 2 臺(tái)上位監(jiān)控機(jī)， 作為普通級(jí)操作員站或工程師站， 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操作和控制。各站點(diǎn)之間用 1 根二芯屏蔽電纜—— PRO F IBU S2D P 總線連接。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　在造紙傳動(dòng)中， PLC 主站采用中、大型控制器組成自動(dòng)化中心控制系統(tǒng)， 主要從站是變頻控制器， 觸摸屏取代了原來(lái)的操作臺(tái)。根據(jù)產(chǎn)品品種的不同， 所使用的變頻器控制方式也不同。如今， 豐富的變頻器市場(chǎng)為我們作不同的項(xiàng)目提供了選擇余地。PLC 主站按工藝要求， 以速度鏈的形式將變頻控制器有機(jī)地聯(lián)結(jié)起來(lái)。紙機(jī)傳動(dòng)中負(fù)荷分配既可在PLC 主站由編程人員來(lái)完成; 也可以將主?從傳動(dòng)點(diǎn)通過(guò)專用接口用光纜連接， 形成一個(gè)獨(dú)立主傳動(dòng)站點(diǎn)。在例子里使用的是后一種方式。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 容易擴(kuò)展并具備各種網(wǎng)絡(luò)通訊能力; 采用分布式結(jié)構(gòu)， 遠(yuǎn)程智能化接口提供了各種電壓和保護(hù)等級(jí)的數(shù)字、模擬 I?O 單元，

　　3 小 結(jié)

上述 2 例結(jié)構(gòu)原理， 是我們?cè)趯?shí)際工作中成功的典型例子。DCS 控制系統(tǒng)的應(yīng)用， 大大增強(qiáng)了生產(chǎn)自動(dòng)化的水平， 提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率， 減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度， 方便了工人的維修保養(yǎng)等等。正是DCS 控制系統(tǒng)諸多的優(yōu)點(diǎn)， 這種控制方式才得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。