造纸生产过程控制集散系统

1 引言

    造纸是我国的传统产业。近几年，由于全世界环保意识的增强以及国际纸张行情对国内造纸行业的冲击，迫切要求我国造纸业必须向高质量、规模化发展，以便于污水集中处理、提高效益、降低成本。短短几年，上千家小纸厂和治污不达标的大中型纸厂被关闭，幸存的纸厂都力争改造原有的纸机或扩建大中型纸机生产线。大中型纸机车速快、产量高，要求生产过程自动化程度高，许多环节单靠人工不能保证正常生产，必须尽可能采用自动控制，甚至生产过程全线自动控制。我们利用网络技术为大中型纸厂设计了全线自动控制集散系统（TDCS），在国内造纸行业得到了广泛应用。

2 系统的主要特点

    （1）控制分散，信息集中

    系统结构上采用集散控制系统，实现了“分散控制、集中管理”，克服了“危险集中”的问题，并利用网络技术构成局域网，不但实现了车间内部的管理监控、资源共享、数据传输，而且可以实现全厂管理网络化。

    （2）可靠性高，实用性好

    该系统所有控制对象均有手动／自动无扰动切换，重要设备采用模块化设计，软件上采用容错策略、RAM 数据冗余和N 份程序冗余等措施。系统用户界面友好、易维护、操作简单。

    （3）高度的灵活性和可扩展性

    系统的软硬件均具有高度的灵活性和可扩展性。当增加硬件配置时，不需改变现有的硬件配置；由于系统采用了模块化、网络化设计，所以可在不同级别上的控制和管理系统进行扩展。

3系统结构及工作原理

    3. 1 系统整体结构（见图1 ）

    图1 系统整体结构示意图

    根据功能分布特点，按生产全过程划分，系统包括打浆控制分系统、配浆控制分系统、流送控制分系统及干燥控制分系统四大部分。各分系统的工作站经双绞线与一多端口集线器联接，实现资源共享，同时该多端口集线器还可联接车间（工厂）管理计算机等，也可扩充至广域网。

    3. 2 分系统结构及工作原理

    4个分系统分别独立完成各自的生产过程控制。每个分系统从控制系统结构上分为现场仪表部分（传感器、执行器）、控制室仪表柜（配电柜、继电器柜、操作台等）、控制中心（研华一体化工作站及可编程控制器）。各分系统的结构如图2所示。工作站安装在对应系统的控制操作台上，工作站同可编程控制器之间由RS-232 相连。现场仪表（流量计、浓度计、液位计、压力计、电流计等）模拟信号均为4 -20mA，该信号经电缆引入控制室的配电器柜上，经配电器隔离后送可编程控制器输入板。现场设备开关量输入信号直接引入可编程控制器DI 端子板（光电隔离）。

    工控机对各个阀门开大、关小控制均由可编程控制器DO输出控制，该控制信号经继电器柜转接至现场执行器。当现场某执行器由于各种原因（工控机故障、仪表故障、失调等）无法自动控制时，系统设计有一套手动操作机构，以保证工厂24 小时连续生产。现场模拟信号在采样、滤波后经串口送研华一体化工作站；研华一体化工作站经串口接收阀门开关指令、设备启停指令，控制相应设备动作。各种位置信号检测数据经串口送研华一体化工作站。各种连锁控制及重要设备的安全控制由PLC独立实现，其它设备的过程控制则经串口接受研华一体化工作站的控制指令。系统可按工艺要求建立逻辑控制关系，对工艺要求的设定参数均可操作研华一体化工作站的功能键盘实现修改，也可在自动控制方式下操作操作台按键区的按钮进行修改，各种控制参数及重要控制数据均可实现自动存储、实时查询、统计等，还可用数字及图形、曲线形象、直观、准确地进行显示。任意一台执行器开大或关小均可在手动方式下由人工操作，且被控对象数据均可在工控机上同步显示。

    图2 各分系统的结构示意图

    下面分别介绍各分系统：

    （1 ）打浆控制分系统

    实现对浆池的液位测量及浆池液位报警功能。对打浆过程中的浓度实施在线控制，使浓度控制在最佳工艺要求范围内。实现打浆设备自动进刀"自动退刀，使打浆设备主电机电流工作在最佳范围内。当浆管断浆（压力不足）时自动退刀，按工艺要求对打浆出口体积流量大小进行控制，且可按照浓度变化情况自动进行补偿。

    （2）配浆控制分系统

    根据所用浆的种类，有几种浆就有几路配浆控制。每一路由浓度控制和流量控制构成。根据合浆池的液位高低反映抄纸机用浆量的大小：当合浆池的液位偏高时，系统自动按绝干浆的配浆比成比例地减小各浆种配浆量；当合浆池的液位偏低时，系统自动按绝干浆的配浆比成比例地增加各浆种配浆量，以保持合浆池的液位稳定。不论配浆量增加还是减少，绝干浆的配浆比始终保持不变。浓度控制失调（配浆浓度过高或过低）时，系统自动调整配浆体积流量，确保绝干浆不变。

    （3）流送控制分系统

    根据压力筛本身的要求，其进口压力与出口压力一定要满足一定工艺要求，因此系统提供压力筛进出口差压测控功能；提供变频冲浆泵，当系统停机时，自动关闭冲浆泵进口浆阀，同时开启外循环浆阀（两只阀门动作要同步），并关闭冲浆泵出口浆阀；当系统开机时，自动开启冲浆泵进口浆阀，同时关闭外循环浆阀，并开启冲浆泵出口浆阀。冲浆池液位由控制清水管补水量实现。按工艺要求，先开四段除沙器（同时开冲水阀），再开三段除沙器，最后开一段除沙器。由于多段除沙器进口压力直接影响除沙效果，因此对每段除沙器进口阀门采用自动调节，并与对应的浆泵连锁。

    图3 系统的实时监控软件结构示意图

    （4）干燥控制分系统

    干燥控制包括压力（差压）控制和差压液位控制。压力控制通过调节主蒸汽管进汽阀开度实现，每个汽水分离器液位通过控制排水阀开度实现，从而实现各段烘缸编组间的差压稳定，达到汽水分离完全和节能的目的。该控制系统可确保两段烘缸编组间的工作压差在工艺要求的范围内，保证烘缸的冷凝水排除通畅。

4 系统的实时监控软件设计

    系统的实时监控软件是以Wi ndows 为平台，并配以面向对象编程的Visual basic 开发的。该监控软件的结构框架如图3所示，功能特点如下：

    （1）实时数据处理：按工艺要求实时采集全部工艺参数，建立一个实时数据库，实现数据共享，提高控制的实时性。同时对关键参数进行动冗余，防止操作数出错。

    （2）实时画面显示：实时地显示流程图画面，根据检测到的数据，对画面进行动态更新。显示方式多，画面友好、直观。

    （3）画面切换：在窗口系统下安排有画面切换数据按钮，用鼠标选择即可。

    （4）在线工艺参数修改：可通过键盘在线动态修改调节回路的工艺设定值和调节参数。

    （5）具有历史数据库：在生产过程中，将整个生产周期的数据存入硬盘的历史数据库，供生产中或生产结束后查阅。

    （6）具有操作事件和故障事件记录库：把生产过程中操作人员的操作事件和故障事件都记录在磁盘上，便于考察和故障分析。

    （7）安全监测和故障报警：安全监测参数或生产线出现异常时立即报警并采取相应措施。

    （8）在线打印：在线打印有关报表。

5结束语

    1998 年至今已有十多套系统投入使用，实现了大中型纸机全线自动控制，提高了造纸生产的自动化水平和纸厂的管理水平，取得较好的经济效益与社会效益。