DCS控制系统在制浆造纸生产中的应用

　　DCS的软件系统

　　DCS的软件体系通常可以为用户提供相当丰富的功能软件模块和功能软件包，控制工程师利用DCS提供的组态软件，将各种功能软件进行适当的“组装连接”（即组态），生成满足控制系统的要求各种应用软件。

　　（1）现场控制单元的软件系统

　　现场控制单元的软件主要包括以实时数据库为中心的数据巡检、控制算法、控制输出和网络通信等软件模块组成。实时数据库起到了中心环节的作用，在这里进行数据共享，各执行代码都与它交换数据，用来存储现场采集的数据、控制输出以及某些计算的中间结果和控制算法结构等方面的信息。

　　数据巡检模块用以实现现场数据、故障信号的采集，并实现必要的数字滤波、单位变换、补偿运算等辅助功能。DCS的控制功能通过组态生成，不同的系统，需要的控制算法模块各不相同，通常会涉及以下一些模块：算术运算模块、逻辑运算模块、PID控制模块、变型PID模块、手自动切换模块、非线性处理模块、执行器控制模块等等。控制输出模块主要实现控制信号以故障处理的输出。

　　（2）操作站的软件系统

　　DCS中的操作站用以完成系统的开发、生成、测试和运行等任务，这就需要相应的系统软件支持，这些软件包括操作系统、编程语言及各种工具软件等。一套完善的DCS，在操作站上运行的应用软件应能实现如下功能：实时数据库、网络管理、历史数据库管理、图形管理、历史数据趋势管理、数据库详细显示与修改、记录报表生成与打印、人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信和各种组态等。

　　DCS控制系统在制浆造纸生产中的应用

　　过去在造纸生产中自动控制的应用十分有限， 主要集中在制浆过程的局部简单仪表控制和纸机的电气传动控制方面， 大量的控制内容是通过现场人工调整实现的。改革开放以来， 通过国外先进技术装备的引进， 使造纸生产中自动控制系统的应用日益广泛。市场上对纸张质量和价格的竞争日趋激烈， 使造纸企业认识到了投入更大的力量和资金关注自动控制技术应用的必要性。近年来， 许多厂家在生产过程的重点环节进行了自控系统的技术改造， 如蒸煮控制、盘磨控制、配浆控制、上浆流送控制、纸机传动、纸机干燥部多段通气控制（热泵控制） 和水分定量检测等方面， 取得了明显的效果。正朝着整厂集中控制的方向发展。

　　制浆、造纸生产大致可分为： 制浆工段、造纸工段、碱回收工段、水处理工段。作为其辅助工段， 碱回收工段和水处理工段， 也是造纸生产中重要组成部分，DCS 控制系统在这2 个工段中也得到了非常广泛应用。在此， 着重介绍DCS 控制系统在制浆和造纸2 个工段中的应用。

　　1 制浆、造纸生产的控制要求

　　1. 1 制浆工段

　　制浆工段的自动化控制主要集中在蒸煮、磨浆、配浆、打浆的控制方面， 其主要控制参数有： 液位、温度、压力、流量和浓度等。从过程控制上来说， 既有对生产过程的定速电动机和电磁阀进行逻辑、顺序的控制; 又有对罐类和工艺管道上的各种阀门进行工艺参数的P ID 调节， 以使液位、温度、压力、流量和浓度等参数满足生产工艺要求; 还有对配浆泵、蒸煮管、喂料螺旋机、上料系统等等设备变速驱动要求的控制。

　　制浆生产的自动控制系统最初是仪表控制系统和继电器逻辑控制系统的结合， 主要由二次仪表作为控制器来进行单回路或多回路的自动控制， 许多厂家一直延用至今， 基本上是一种独立、分离的控制， 操作繁琐， 劳动强度大。随着电子技术的发展， 从20 世纪80 年代末期开始， PLC 控制器的功能和技术概念发生了重大变化， 开始以一个过程控制系统的面貌出现; 而且在组态方便性和灵活性上有了很大改善， 具备了从事复杂控制功能、自整定功能、中断切换功能、参数存储功能等等， 使整个控制过程能够轻松实现。

　　新型的操作终端和触摸式界面的出现， 特别是PLC 控制器通讯能力的加强， 智能的、动态的人机界面越来越多地在制浆生产的关键控制点， 如： 蒸煮器、盘磨、挤浆机、热分散、杂质分离机、配浆等控制比较复杂部分中得到了应用。在被控现场配置液晶或等离子显示真彩操作终端， 可方便地通过现场总线与PLC 连接， 形成独立的操作系统， 既可作为总线上的1 个从站， 又可与设备成套作为1 个产品。操作终端和触摸式界面按用户要求显示各状态参数。可以数字量形式和以棒图形式显示; 也可以趋势图的形式显示其相关参数。同时， 具有各种操作功能， 可进行参数的设定和逻辑操作控制。为了在控制室中清楚地反映生产过程的整体和局部信息， 利用上位计算机， 对生产过程进行集中监测、操作和管理。操作人员可以从控制室的显示器上所显示的不同画面中， 观察到生产过程的状态， 并在专用的操作终端上或直接在控制显示器上对生产过程的各项工艺参数进行修改、存取、控制。

　　1. 2 造纸工段

　　造纸工段的生产过程， 从控制上来说， 是一个多设备协调的联动系统。造纸过程的自动化控制突出地表现在纸机的传动控制方面， 造纸机电气传动控制系统历来是造纸装备最重要的部分之一， 是纸机运行的一个极为重要的环节， 直接影响造纸生产的正常运行。因纸种的变化， 纸机的工作车速变化较大， 浆料配比、纸张特性、纸机运行情况的变化， 使纸机车速需要有较大范围的调整; 电网电压、频率和负荷的波动， 也会引起纸机车速的变化， 纸在纸机的成形、压榨、烘干、压光、卷取等各部分会产生伸长或收缩， 受到不同的张力作用， 因此， 要求造纸机传动控制系统是一个稳定、精确、同步、协调的变速传动系统。除此而外， 上浆系统、蒸气冷凝水系统、真空系统、损纸系统、涂料制备系统等也是十分重要的， 考虑到这些系统的控制与制浆的DCS 控制有些类似， 因此不再赘述， 在此仅介绍造纸主传动控制系统。

　　纸机一般有网部、压榨部、烘干部、施胶部、压光部和卷纸组成。产品品种及车速的不同对控制的要求也不同。目前几乎毫无例外地采用多点分部传动的传动形式， 客观上对自控制系统提出了快速、精确、稳定和可靠等较高的要求; 又因纸机传动在造纸生产中的特殊重要地位， 纸机电气传动控制的一般配置由中型或大型PLC 控制单元、矢量型变频单元、远程操作终端和生产管理计算机组成。运用PRO F IBU S2D P 通讯协议构成先进的现场总线网络， 快速传输各种生产数据， 执行生产指令， 控制各传动点的运行状态。

　　目前大都采用全数字驱动单元。其通讯功能强， 具有多种通讯协议; 参数范围广， 可适用于各种应用场合; 能自动测试负载特性， 实现系统的最优化; 能通过磁通电流控制自动进行负载补偿; 能满足造纸工业的各种特殊工艺要求， 如力矩控制， 张力控制， 卷径计算等; 其保护功能多， 如过温、过压、欠压、失步、接地错误等; 内装斜波积分发生器， 可产生各种积分时间等。实践证明， 纸机主传动系统自采用数字式驱动装置以来， 控制精度和系统的安全可靠性大大提高， 已完全能够满足纸机向大型、高速发展的需要。

　　纸机主传动系统的操作现场可以安装触摸式彩色操作终端， 也可以采用传统的操作台按钮的形式。操作终端具有多个不同对象的画面， 如线速度， 负荷， 等棒图与趋势、文本或图形列表， 可进行过程值的输入、切换， 如启动、停止、运行、爬行、速度微调、负荷均衡等操作; 并具有故障报警及特殊状态的提示。

　　2 DCS 控制系统的实现及构成

　　DCS， 即集散控制系统， 又名分布式的计算机控制系统， 是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量技术、通信网络技术、CRT 显示技术和人机接口技术相互渗透发展起来的。它既不同于分散的仪表控制， 又不同于集中的计算机控制系统， 它具备通用性、系统可以灵活组态、控制功能完备、显示操作集中、人机界面友好、运行安全可靠的显著特性。对于提高生产过程的自动化水平， 提高产品质量、提高劳动生产率具有特别重要的意义。DCS 集散型控制系统， 从结构上讲就是将采集和控制分散在多个现场控制站中， 而将操作和监视功能集中在一个或多个操作站中。它从硬件上采用标准化、模块化和系列化产品， 并具有热插拔功能， 维护方便。系统上各工作站是通过网络接口相连接的， 系统的实时控制网络使系统资源共享。通讯总线的应用， 使原先复杂繁琐的接线工作变得简单了许多， 也节省了大量的接线材料。

　　控制系统的控制对象是生产中的各种参数， 这些参数通过不同的变送器、传动装置等， 最终以模拟量、数字量

　　2 大类信号送到就近的站点。各站点又以数字方式， 经小型可编程控制器PLC （主要对单台控制要求复杂的设备， 如杂质分离机、热分散机等） 或远程IöO 站点， 通过现场控制总线PRO F IBU S2D P 方式， 以9. 6 K～ 12M 的波特率将相关的信息送到自动控制主站可编程控制器PLC。主站可编程控制器PLC 将相关的信息按工艺要求和连锁关系， 进行逻辑运算， 数据处理后再经过各站点送到各执行机构或显示终端。

　　

　　在制浆过程中， 因其控制点多而复杂， PLC 主站采用大型控制器组成自动化中心控制系统， 系统可以集中放置， 也可以分散安装在现场远程IöO 站。变频器完成制浆过程中变速设备的驱动。变送器将液位、温度、压力、流量和浓度实时数据转换成4～ 20 mA 的标准信号， 发送到远程 IöO 站。那些控制要求复杂的设备， 用小型PLC 和触摸屏单独对其控制， 即可独立控制和操作， 也可作为一从站与DCS 系统连网。为方便操作人员， 并考虑到工艺工程师和控制工程师的需要， 配置数台触摸屏或 2 台上位监控机， 作为普通级操作员站或工程师站， 对现场设备进行操作和控制。各站点之间用 1 根二芯屏蔽电缆—— PRO F IBU S2D P 总线连接。其结构如图1 所示。

　　

　　在造纸传动中， PLC 主站采用中、大型控制器组成自动化中心控制系统， 主要从站是变频控制器， 触摸屏取代了原来的操作台。根据产品品种的不同， 所使用的变频器控制方式也不同。如今， 丰富的变频器市场为我们作不同的项目提供了选择余地。PLC 主站按工艺要求， 以速度链的形式将变频控制器有机地联结起来。纸机传动中负荷分配既可在PLC 主站由编程人员来完成; 也可以将主ö从传动点通过专用接口用光缆连接， 形成一个独立主传动站点。在例子里使用的是后一种方式。其结构如图2 所示。 容易扩展并具备各种网络通讯能力; 采用分布式结构， 远程智能化接口提供了各种电压和保护等级的数字、模拟 IöO 单元，

　　3 小 结

上述 2 例结构原理， 是我们在实际工作中成功的典型例子。DCS 控制系统的应用， 大大增强了生产自动化的水平， 提高了产品质量和生产效率， 减轻了操作人员的劳动强度， 方便了工人的维修保养等等。正是DCS 控制系统诸多的优点， 这种控制方式才得到了越来越多的应用。