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造紙工業(yè)的污染是世界上工業(yè)污染的主要來(lái)源之一，其中制漿造紙行業(yè)的污染負荷80%以上來(lái)自制漿黑液。若黑液不能得到有效治理，不僅嚴重污染了環(huán)境，而且造成了大量資源的浪費。堿回收是目前治理黑液最為有效和成熟的一種手段，它不僅能有效的回收黑液中的堿，而且利用黑液燃燒產(chǎn)生的熱量生產(chǎn)蒸汽，而蒸汽和堿又可回用于造紙行業(yè)其它生產(chǎn)工序。因此堿回收系統是解決制漿企業(yè)黑液污染和資源循環(huán)利用的不可缺少的部分，具有很好的環(huán)保和經(jīng)濟效益�？梢�(jiàn)堿回收在制漿造紙行業(yè)具有十分重要的地位和意義。 堿回收車(chē)間一般分為蒸發(fā)、燃燒和苛化三個(gè)工段。新型堿回收系統被列為造紙工業(yè)若干重要前沿問(wèn)題之一。 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是目前正在興起的一種全新的控制技術(shù)。目前比較流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)主要有:Profibus、基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF等。Profibus是一種國際的、開(kāi)放的、不依賴(lài)于生產(chǎn)廠(chǎng)商的總線(xiàn)標準。它由互相兼容的3部分組成:①ProfibusS2DP;主站和從站之間采用輪換查詢(xún)的方式通訊,用于設備級控制系統和分散式I/O的通訊;②Profibus2PA,電源和通訊數據通過(guò)總線(xiàn)并行傳輸,可使得傳感器和執行機構通過(guò)一根總線(xiàn)相連接,主要用于單元級和現場(chǎng)級通訊;③Profibus2FMS,用于車(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò ),是一個(gè)令牌結構、實(shí)時(shí)多主站網(wǎng)絡(luò )。 本文簡(jiǎn)要介紹了作者在河南某造紙廠(chǎng)堿回收工段采用ProfiBus現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)施的計算機集散控制的控制方案。 1 工藝流程及控制策略 蒸發(fā)工段的主要設備是蒸發(fā)器，蒸發(fā)器串聯(lián)組成蒸發(fā)站。本設計中所控制的蒸發(fā)站是典型的五體五效蒸發(fā)系統，除了蒸發(fā)器的相關(guān)控制外，還有一些輔助的蒸發(fā)設備，如板式降膜蒸發(fā)器、溫水槽、黑液槽罐、冷凝水閃蒸罐、液位罐等。系統控制的目標是保持出效濃黑液濃度的穩定、總有效溫差的穩定和冷凝水罐液位的穩定。一般可分為蒸汽子系統、黑液子系統和冷凝水系統。本工段的主要控制目標是保證出效黑液的濃度、穩定總有效溫度差和冷凝水系統的穩定。本工段設立包括各效蒸汽壓力和真空度在內的壓力測量環(huán)節11個(gè)，包括各效蒸發(fā)器黑液液位、冷凝水閃蒸罐和液位罐及黑液存放槽罐在內的液位測量環(huán)節17個(gè)，包括蒸汽、黑液溫度在內的溫度測量環(huán)節18個(gè)，包括蒸汽、黑液、清水在內的流量測量環(huán)節8個(gè)。 燃燒工段是利用煙氣和余熱進(jìn)一步把蒸發(fā)工段帶來(lái)的濃黑液濃縮到65%～70%的濃度以供燃燒。它的主要設備是堿回收噴射鍋爐，其運行情況的好壞決定了整個(gè)工段的生產(chǎn)效率。其作用一方面是回收黑液中大量有機質(zhì)（脫木素）的有效熱值，以產(chǎn)生蒸汽供全廠(chǎng)發(fā)電或造紙干燥之用;另一方面回收黑液中的無(wú)機堿鹽。本工段還包括其他一些配套設備，如空氣加熱器、圓盤(pán)蒸發(fā)器、靜電除塵器等。一般可分為黑液子系統、供風(fēng)子系統、給水及蒸汽子系統和綠液子系統。在燃燒過(guò)程中，各系統三者互有關(guān)聯(lián)，在這里，首先要確定的是燃料/空氣的比率，適當的比率可獲得最好的鍋爐的效率，在本系統中，入爐黑液及空氣都有計量，因此在調試過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，就可得到合適的比例關(guān)系。引風(fēng)量根據爐膛負壓進(jìn)行調節，在上述其他二個(gè)參數變更時(shí)，引風(fēng)量也必須作出反應，進(jìn)行相應的調節。在本系統中，送風(fēng)、引風(fēng)都采用了變頻器，可以作精細的調節。本工段設置壓力測量環(huán)節17個(gè)、液位測量環(huán)節11個(gè)、溫度測量環(huán)節21個(gè)、流量測量環(huán)節8個(gè)。 苛化工段的主要設備是石灰消化提渣機和苛化器。輔助設備有白液澄清器、乳液澄清器、白泥洗劑器、真空過(guò)濾機、預掛過(guò)濾機等。本工段主要控制好綠液的濃度、流量和石灰加入量的配比以及苛化反應的時(shí)間和溫度。本工段設置壓力測量環(huán)節1個(gè)、液位測量環(huán)節10個(gè)、溫度測量環(huán)節12個(gè)、流量測量環(huán)節3個(gè)。 2 系統硬件設計 整個(gè)控制系統的框架由分布式過(guò)程控制裝置、操作管理單元和通信系統三部分組成。其結構如圖1所示。 （1）分布式過(guò)程控制裝置 核心部分采用西門(mén)子S7-300/400系列模塊，包括CPU414-2DP、CPU315-2DP，電源PS407、PS307，通訊模塊CP443-1、CP343-1，ET200M，SM331，SM332，SM321，SM322模塊等。SM31模塊主要完成溫度、壓力、流量、液位以及系統中其他模擬量的數據采集。SM332模塊主要完成執行機構的模擬驅動(dòng)信號輸出。SM321模塊主要完成系統中數字量輸入信號（如電機的狀態(tài)反饋、切斷閥閥位反饋等）的采集;SM322模塊主要完成系統中數字量信號的輸出（如電機的啟停、電動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)信號等）。具體模塊配置見(jiàn)表1。 表1西門(mén)子模塊配置表 （2）操作管理單元 工程師站由一臺DELL筆記本構成，編程平臺采用西門(mén)子Step7V5.3，主要完成數據采集、回路控制、連鎖控制、流量累計等的編程工作。 操作員站由5臺DELL工業(yè)控制計算機組成，其中蒸發(fā)工段和燃燒工段各分配2臺，苛化工段一臺。5臺計算機互為冗余，均可與三個(gè)CPU進(jìn)行數據交換，在每臺電腦上都可實(shí)時(shí)監控整個(gè)堿回收各個(gè)工段的生產(chǎn)狀況，避免了各工段之間數據不能交換與顯示的盲區。組態(tài)軟件采用西門(mén)子WinCCV6.0SP1。 系統主要包括以下的功能畫(huà)面： 控制主畫(huà)面�？刂浦鳟�(huà)面按照流程的順序顯示各個(gè)控制環(huán)節的檢測值和設備的運行狀態(tài)。同時(shí)為每個(gè)控制回路設計了一個(gè)彈出式的控制面板，用戶(hù)在主畫(huà)面中點(diǎn)擊相應的控制環(huán)節就可彈出該控制回路的控制面板，操作員利用該面板進(jìn)行現場(chǎng)的控制，包括設定值的改變，手動(dòng)操作等。 歷史曲線(xiàn)顯示。系統對主要控制量都進(jìn)行了歷史曲線(xiàn)的顯示，包括液位，流量，溫度，壓力等。 報警畫(huà)面。對于系統中出現的故障，系統會(huì )出現相應的報警信息。故障信息包括系統的硬件故障和軟件故障，硬件故障包括計算機同PLC間的通訊故障，電機無(wú)法啟動(dòng)、DCS系統中的信號模塊故障等，軟件故障是由用戶(hù)定義的故障，包括檢測值超限，調節時(shí)間過(guò)長(cháng)等。 參數集中顯示畫(huà)面。該畫(huà)面根據用戶(hù)的需要，以表格的形式集中顯示了重要的過(guò)程數據，便于用戶(hù)迅速地了解現場(chǎng)的運行情況。 參數設置畫(huà)面。該畫(huà)面只在工程師中設置，需要輸入口令方可進(jìn)入。主要用于修改PID控制參數等重要參數。 報表打印畫(huà)面：該畫(huà)面提供了按班別累計生產(chǎn)流量并可隨時(shí)打印。 （3）通信系統 CPU414-2DP和CPU317各有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )通訊口，一個(gè)MPI/DP集成通訊口，一個(gè)DP專(zhuān)用通訊口。各工段CPU與各自的EM200M從站通過(guò)ProfiBus現場(chǎng)總線(xiàn)連接，接口為DP專(zhuān)用通訊口，通訊速率設為1.5Mbps。過(guò)程控制級與操作管理級之間也通過(guò)ProfiBus現場(chǎng)總線(xiàn)連接，接口為MPI/DP集成通訊口，組態(tài)為ProfiBus-DP通訊，通訊速率為1.5Mbps。每個(gè)CPU和ET200M從站都設立ProfiBus-DP站地址，注意每個(gè)都必須分配獨立的站地址，相互之間不能重復。每個(gè)操作管理站配備CP5611通訊卡，組態(tài)為ProfiBus-DP通訊，通訊速率為1.5Mbps，分配獨立的站地址。各工段的ProfiBus網(wǎng)絡(luò )和操作管理級之間的ProfiBus網(wǎng)絡(luò )屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，但屬于不同的網(wǎng)段，因此工段內總線(xiàn)通訊問(wèn)題不會(huì )影響其他工段的正常運行。通訊速率遠高于MPI（多點(diǎn)接口）網(wǎng)絡(luò )，利于數據的實(shí)時(shí)顯示。網(wǎng)絡(luò )通訊線(xiàn)采用西門(mén)子專(zhuān)用DP線(xiàn)，保證了系統的通訊速率和通訊距離。 除了上述主體硬件框架外，系統硬件部分還包括給每個(gè)工段子系統供電的穩壓電源和UPS，蒸發(fā)工段和燃燒工段均采用6KVA穩壓電源和6KVA/30min（有效負荷/有效供電時(shí)間）UPS，苛化工段采用3KVA穩壓電源和3KVA/30minUPS。對于電機的狀態(tài)反饋等數字量輸入信號，采用光電隔離器實(shí)現了現場(chǎng)信號與控制柜內信號的隔離，避免了現場(chǎng)異常干擾電壓影響西門(mén)子模塊的工作。對于普通數字量輸出信號，采用歐姆龍中間隔離器進(jìn)行隔離;而對于電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)的控制信號則采用零壓型（Z）SSR（固態(tài)繼電器）進(jìn)行了隔離，消除了由于頻繁動(dòng)作所引起的信號振蕩。 3 系統軟件設計 針對堿回收工藝流程的特點(diǎn)，為每個(gè)工段編制采樣、濾波、PID控制、標度變換、報警、累計等子程序，由于結構化編程的方法具有程序結構層次清晰、部分程序通用化、標準化、易修改、簡(jiǎn)化程序調試的優(yōu)點(diǎn)，所以這里我們采用該方法編制控制程序。 下面對控制系統程序的各個(gè)基礎功能塊進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)在OB1、OB32、OB33、OB34、OB35（控制周期不同）等組織塊中調用這些基礎功能塊就構成了系統的控制程序。 1）采樣子程序：將模擬量輸入讀回并順序存入數據塊。其中模入模塊的起始地址，通道數，存儲數據塊的塊號以及數據在數據塊中的存儲位置是可變的，可在調用時(shí)確定。 2）濾波子程序：采樣部分對每個(gè)通道連續采樣8次，順序存放在數據塊中。對8次采樣值進(jìn)行求平均操作。在調用時(shí)需要指定數據塊號、數據存放首地址、相鄰兩次采樣值在數據塊中的間隔。 3）PID控制程序：STEP7的程序庫中有通用的PID控制子程序，每一個(gè)子程序調用時(shí)必須為其指定一個(gè)背景數據塊，在被調用時(shí)，向邏輯塊傳遞參數值，在調用結束時(shí)，用來(lái)保存邏輯塊輸出的結果數據。 4）標度變換：模擬量輸入經(jīng)過(guò)A/D轉換后，其數字化結果的標稱(chēng)變化范圍為0-27648，而操作人員在進(jìn)行設定給定值時(shí)，為了直觀(guān)，使用的是具體的數值，或者用百分比來(lái)表示。PID的采樣值有兩種形式:Word類(lèi)型或Float類(lèi)型，Word類(lèi)型范圍為0-27648，但不直觀(guān)。因此，為了使給定值與測量值能夠做比較，就應該使測量值與設定值的標度一致，那么就需要進(jìn)行標度變換。兩種標度的數值是一一對應的。 5）報警子程序：對模擬量進(jìn)行超上限或超下限判斷，若有則置位超限標志，為防止超限標志輸出抖動(dòng)，設置判斷死區。 6）流量累計子程序：為了考核各班效益，通常對重要流量（如進(jìn)工段黑液流量等）要進(jìn)行累計。對流量采樣信號進(jìn)行時(shí)間積算，按照班別分別計入早班、中班、晚班，并累計當日總和、昨日總和及本月總和。 7）電機控制：對電機的起�？刂�，是系統最基本的控制應用。當準備信號就位時(shí)，可對電機直接進(jìn)行啟停操作;當準備信號不到時(shí)，自動(dòng)停止電機。電機電流過(guò)大時(shí)，電機報警。 每個(gè)工段根據本工段的實(shí)際情況，在調用子程序時(shí)賦予不同的參數值。對于燃燒工段上汽包液位的控制不能采用簡(jiǎn)單的PID控制，一般采用三沖量控制。其中液位作為主沖量送調節器，而蒸汽和給水流量信號作為輔助沖量。當鍋爐系統處于物料平衡時(shí)，液位穩定，由于給水流量和蒸汽流量信號大小相等，引入加減器的正負號相反，而互相抵消，因此調節系統的控制信號沒(méi)有變化。當其中一個(gè)輔助沖量突然變化（例如蒸汽用量增加）、則破壞了物料平衡，這二個(gè)符號相反的輔助沖量差值作用于調節系統及時(shí)改變控制信號，增加給水量、使鍋爐系統物料重新恢復平衡，可見(jiàn)，三沖量調節系統，能在來(lái)自蒸汽流量或給水流量的波動(dòng)干擾還未影響到汽包液位時(shí)，就得到了克服，從而減小了液位的大幅度波動(dòng)，因而減小了液位的“虛假現象”。鍋爐給水閥門(mén)要用氣閉式閥門(mén)，這時(shí)積分調節器置于正（+）作用，液位信號為正（+），蒸汽流量信號為負（-），給水流量信號為正（+）。 每個(gè)工段按照工藝要求還設定有一定的連鎖子程序。蒸發(fā)工段的蒸汽壓力調節與I效黑液循環(huán)泵連鎖。當I效黑液循環(huán)泵的運行反饋信號沒(méi)有時(shí)，自動(dòng)將蒸汽壓力調節打為手動(dòng)狀態(tài)并關(guān)閉蒸汽閥門(mén)。燃燒工段的上汽包液位是整個(gè)系統的關(guān)鍵，它與給水泵，一、二、三次風(fēng)機和引風(fēng)機構成連鎖。當汽包液位超高限時(shí)，自動(dòng)停止給水泵并報警;當汽包液位超低限時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉引風(fēng)機、三次風(fēng)機、二次風(fēng)機和一次風(fēng)機。 4 結語(yǔ) 該系統是陜西科技大學(xué)微機應用研究所為河南某造紙廠(chǎng)的堿回收車(chē)間而設計的。它的特點(diǎn)是： （1）更新、擴充了DCS的功能。傳統的DCS中加入了現場(chǎng)總線(xiàn),不但保持了DCS的穩定性,且引入了現場(chǎng)總線(xiàn)的靈活性;同時(shí)可減少硬件數量,安裝、維護的工作量隨之減少。 （2）提高了系統的靈敏性、精確性。與此現場(chǎng)總線(xiàn)有關(guān)的信號,無(wú)需再像傳統的DCS在發(fā)送與接收過(guò)程中通過(guò)數模/模數反復轉換,而是直接進(jìn)行CPU間的通訊,從而提高了信號采集的品質(zhì)和系統的控制質(zhì)量。 （3）降低了DCS的負荷,提高了系統的控制品質(zhì)。由于一部分調節任務(wù)分配到現場(chǎng)智能儀表或者執行機構的CPU上去實(shí)現,DCS中相關(guān)自動(dòng)處理單元中的CPU的負載得到降低,相關(guān)設備的調節品質(zhì)得到提高。 （4）由于現場(chǎng)總線(xiàn)具有自診斷和簡(jiǎn)單的故障處理能力,并通過(guò)數字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室,用戶(hù)可以查詢(xún)總線(xiàn)設備的運行狀態(tài)與診斷維護信息。 本系統成本較低，簡(jiǎn)單易用，可靠性高，通訊能力強，有很強的模擬量運算能力和數字邏輯處理功能。實(shí)現了對蒸發(fā)、燃燒、苛化生產(chǎn)過(guò)程控制的聯(lián)網(wǎng)監控。目前該系統運行穩定，系統中的算法有效可行，達到了令人滿(mǎn)意的控制效果，創(chuàng )造了較好的經(jīng)濟價(jià)值。 |
