摘 要:敘述了造紙生產(chǎn)過程的電氣傳動和自動控制應(yīng)用方面的情況及DCS集散控制系統(tǒng)的發(fā)展,介紹了保證造紙生產(chǎn)工藝和設(shè)備高效可靠運行重要手段的工業(yè)控制自動化技術(shù)。

關(guān) 鍵 詞:造紙生產(chǎn);傳動控制系統(tǒng);過程控制系統(tǒng);DCS集散控制

1 前 言

隨著造紙生產(chǎn)工藝和設(shè)備的不斷進(jìn)步,對造紙生產(chǎn)自動控制的要求越來越高,也使廠家對這方面越來越重視,如何更好地選擇和切合實際地配置性能價格比最高的自動控制系統(tǒng),已突出地擺在各生產(chǎn)廠家面前。

造紙生產(chǎn)的自動控制,過去只集中在電氣傳動方面,現(xiàn)在的范圍已擴(kuò)大到打漿控制系統(tǒng)、配漿控制系統(tǒng)、上漿流送控制系統(tǒng)、紙機(jī)干燥部多段通氣控制系統(tǒng)(熱泵控制)和水分定量檢測控制等方面,即通常說的DCS過程控制系統(tǒng)和QCS質(zhì)量檢測系統(tǒng),正朝著整廠集中控制的方向發(fā)展。

2 電氣傳動控制系統(tǒng)

造紙過程的自動化控制突出的表現(xiàn)在紙機(jī)的傳動控制方面。造紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)歷來是造紙裝備最重要的部分之一,是紙機(jī)運行的一個極為重要的環(huán)節(jié),直接影響造紙生產(chǎn)的正常運行。因紙種的變化,紙機(jī)的速比變化較大,漿料配比、紙張?zhí)匦浴⒓垯C(jī)運行情況的變化對紙機(jī)車速需要有較大范圍的調(diào)整;電網(wǎng)電壓、頻率和負(fù)荷的波動也會引起紙機(jī)車速的變化,紙在紙機(jī)的各部分受到不同的牽引力,在烘干部各段不同的加熱溫度,都會使紙頁產(chǎn)生縱向的伸縮率的變化。因此,要求造紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)是一個穩(wěn)定、精確、同步、協(xié)調(diào)的變速傳動系統(tǒng)。除此而外,上漿系統(tǒng)、蒸汽冷凝水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、損紙系統(tǒng)、涂料制備系統(tǒng)等也是造紙機(jī)十分重要的組成部分。

造紙生產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)備的電氣傳動分為定速傳動和變速傳動兩類。采用定速傳動的主要有泵類、攪拌類電機(jī)?，F(xiàn)在,對于大功率定速電機(jī)的控制,已逐步推廣采用具有良好起動功能的軟起動控制器。

由于紙機(jī)傳動控制目前幾乎毫無例外地采用多點分部傳動的傳動形式,客觀上的對自控制系統(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)傳動在造紙生產(chǎn)中的特殊重要地位,紙機(jī)電氣傳動控制的一般配置由較大型PLC控制單元、矢量型變頻單元和生產(chǎn)管理計算機(jī)組成。運用PROFIBUS通訊協(xié)議構(gòu)成先進(jìn)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),傳輸各種生產(chǎn)數(shù)據(jù),執(zhí)行生產(chǎn)指令;控制各傳動點的運行狀態(tài)。近年電氣傳動系統(tǒng)普遍采用國外進(jìn)口控制裝置以來,傳動系統(tǒng)的穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)和可靠性等方面都得到了大大的提高。尤其是交流變頻控制裝置的推廣,使生產(chǎn)廠家得到了很大的益處,使長期困擾廠家的國產(chǎn)模擬控制裝置的諸多問題有了根本性的改變,提高了生產(chǎn)效益。目前傳動系統(tǒng)

已由最初的模擬設(shè)定向全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通訊的方向過渡,后者分辨率更高、控制更精確,同時,作為整廠集中控制系統(tǒng)的一部分,便于與其它有關(guān)部分通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接,因此,一些著名品牌高檔次的控制器正越來越多地得到應(yīng)用。

目前全數(shù)字驅(qū)動單元大都是新型矢量控制的變頻器。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)用場合;能自動測試負(fù)載特性,實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化;能通過磁通電流控制自動進(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,卷徑計算等;其保護(hù)功能多,如過溫、過壓、欠壓、失步、接地錯誤等;內(nèi)裝斜波積分發(fā)生器,可產(chǎn)生各種積分時間等。紙機(jī)主傳動系統(tǒng)的操作現(xiàn)場可以安裝觸摸式彩色操作終端,也可以采用傳統(tǒng)的操作臺按鈕的形式。操作終端具有多個不同對象的畫面,如線速度,負(fù)荷,等棒圖與趨勢、文本或圖形列表,可進(jìn)行過程值的輸入,切換,如啟動、停止、運行、爬行、速度微調(diào)、負(fù)荷均衡等操作;故障報警及特殊狀態(tài)的提示。

實踐證明,紙機(jī)主傳動系統(tǒng)自普遍采用數(shù)字式驅(qū)動裝置以來,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。本公司造紙生產(chǎn)的自動工程項目,近些年選用西門子公司產(chǎn)品,成功地開發(fā)出不同的控制系統(tǒng),如選用西門子公司MDV型變頻器、西門子公司S7-200型PLC,采用USS數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。這種配置最大的特點

是結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實用。薄頁紙、特種紙生產(chǎn)線上,我們通常選用西門子公司6SE70工程型變頻器、西門子公司S7-200或S7300型PLC,采用USS數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。這種配置的特

點是結(jié)構(gòu)簡單、控制精度較高。

在較大型紙機(jī)或?qū)﹄姎鈧鲃酉到y(tǒng)的組網(wǎng)能力和配置水準(zhǔn)要求較高時,我們選用代表目前先進(jìn)水平的西門子公司6SE70工程型變頻器、西門子S7-400型PLC采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行通訊。這種配置的主要特點是通訊速率高,達(dá)12MBS,系統(tǒng)的容量大,現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線可接127個站。

3 生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)

制漿生產(chǎn)的自動控制系統(tǒng)最初可以認(rèn)為是儀表控制系統(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進(jìn)行單回路或多回路的自動控制,許多廠家一直延用至今,基本上是一種獨立、分離的控制。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,從80年代開始,以PLC為主流產(chǎn)品的控制器得到了普遍的應(yīng)用。由于最初的PLC控制器以邏輯、順序控制為主,因此,形成了一方面采用PLC控制器進(jìn)行電動機(jī)、電磁閥的聯(lián)鎖和控制;另一方面采用二次儀表作為控制器來進(jìn)行單回路或多回路的自動調(diào)節(jié)控制。從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,以一個過程控制系統(tǒng)的面貌出現(xiàn),而且組態(tài)方便性和靈活性有了很大改善,以其容量、速度、字長、周期等為指標(biāo),形成了系列產(chǎn)品,從而具備了從事復(fù)雜控制功能、自整定功能、中斷切換功能等等。PLC控制器在制漿造紙生產(chǎn)的局部自動控制中得到了普遍的應(yīng)用,但大部分并未實現(xiàn)整個工段自動化控制,大量的調(diào)節(jié)還是采用人工手動實現(xiàn)。

近年盤磨、擠漿機(jī)、熱分散等設(shè)備在自動化控制方面有了較大的進(jìn)步,設(shè)備性能有所改善;在配漿和上漿濃度調(diào)節(jié)部分的改造較多,對提高和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,取得了一定效果,但真正成功地實現(xiàn)與水分定量等檢測儀器構(gòu)成閉環(huán)自動控制的還不多。

新型操作終端的出現(xiàn)和CRT顯示技術(shù)的進(jìn)步特別是PLC控制器的通訊能力的加強(qiáng),智能的、動態(tài)的人機(jī)界面越來越多地在制漿生產(chǎn)的關(guān)鍵控制點,如:蒸球、磨漿、配漿等部分得到應(yīng)用,在被控現(xiàn)場配置液晶或等離子顯示真彩操作終端,可方便地與PLC聯(lián)接,融入控制器的操作系統(tǒng)中。觸摸式界面在用戶規(guī)定的刷新時間內(nèi)提供各種實時數(shù)據(jù),顯示相關(guān)狀態(tài)參數(shù)、設(shè)定值與實測值;可以數(shù)字量形式和以棒圖形式顯示,也可以組態(tài)顯示其他相關(guān)參數(shù)圖形;同時,觸摸式界面具有各種操作功能,可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和邏輯控制。為了在控制室可清楚地反映生產(chǎn)過程的整體和局部信息,利用上位計算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)測、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生產(chǎn)過程的各項工藝參數(shù)進(jìn)行控制。

制漿造紙的生產(chǎn)過程,從控制上來說,是一個多設(shè)備協(xié)調(diào)的聯(lián)動系統(tǒng),從電、氣等動力源,到水、汽等媒體;從各種原料,到添加劑;各設(shè)備、管道中介質(zhì)的物理參數(shù),都直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量,尤其是企業(yè)向著規(guī)?；陌l(fā)展,原有的落后的控制方式越來越不能滿足生產(chǎn)的要求。

DCS,即集散控制系統(tǒng),又名分布式計算機(jī)控制系統(tǒng),是利用計算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)測、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術(shù)。它是由計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量技術(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)展起來的。它既不同于分散的儀表控制,又不同于集中的計算機(jī)控制系統(tǒng),具備通用性、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完備、顯示操作集中、人機(jī)界面友好、運行安全可靠的顯著特點。對于提高生產(chǎn)過程的自動化水平,提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(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現(xiàn)場控制站,而將操作和監(jiān)視功能集中在一個或多個操作站。它從硬件上采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化產(chǎn)品,在系統(tǒng)中各工作站是通過網(wǎng)絡(luò)接口相聯(lián)接,各工作站能完全獨立運行。系統(tǒng)的實時控制網(wǎng)絡(luò)能使系統(tǒng)資源共享,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)進(jìn)行在線修正和在線維修。它的突出優(yōu)點是系統(tǒng)的硬件和軟件都具有靈活的組態(tài)和配置能力。

制漿造紙生產(chǎn)過程的DCS控制系統(tǒng)包括若干個子系統(tǒng):如濕法備料及連蒸工段控制系統(tǒng)、白水回收工段控制系統(tǒng)、洗、選、漂、打工段控制系統(tǒng)、抄紙配料供漿控制系統(tǒng)、烘缸三段通汽工段控制系統(tǒng)、上漿濃度和QCS控制系統(tǒng)等等?？刂葡到y(tǒng)的主要控制對象是造紙生產(chǎn)中的各種參數(shù),如:漿池的液位,汽和漿的流量,電機(jī)和各種調(diào)節(jié)閥等。每個控制系統(tǒng)既有相對的獨立性,又彼此互相聯(lián)系。因此整個系統(tǒng)采用控制環(huán)節(jié)分散、數(shù)據(jù)處理集中的方式,即多操作站的DCS系統(tǒng)。每個控制系統(tǒng)按生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)的一個控制站的原則建立,完成造紙各工段的過程自動控制。DCS通過系統(tǒng)總線與車間和各工段的DCS聯(lián)成一個網(wǎng)絡(luò)。各DCS系統(tǒng)主要由基本IO單元、過程主站、操作站、報警站、操作終端、顯示器、報警打印機(jī)和報告打印機(jī)組成,再加上生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成一個完整的造紙生產(chǎn)的自動控制系統(tǒng)。

目前的普遍配置是采用大型控制器組成自動化中心控制系統(tǒng),系統(tǒng)容易擴(kuò)展和具備網(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)等級的數(shù)字、模擬IO單元,可以集中放置,也可以分散安裝在現(xiàn)場。為使操作人員的方便,并考慮到工藝工程師和控制工程師的需要,每一個工段配置一臺上位監(jiān)控微機(jī),作為普通級操作員站,操作員可通過上位機(jī)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作和控制。

監(jiān)控系統(tǒng)是DCS系統(tǒng)的一個重要組成部分,采用的過程監(jiān)控系統(tǒng)的特點適合于對過程事件的快速反應(yīng)。過程監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能有:

(1)圖形系統(tǒng) 通過組態(tài),可構(gòu)成豐富多彩的動態(tài)參數(shù)控制畫面。

(2)趨勢歸檔 生產(chǎn)工藝過程中出現(xiàn)的事件和事故分析及趨勢均可記錄在系統(tǒng)中。

(3)信息報警 捕捉過程信息和本地事件,將這些內(nèi)容歸在檔案庫中,并在需要時有選擇的提取它們,或直接轉(zhuǎn)移到相關(guān)的過程畫面上產(chǎn)生報警信息。

(4)生產(chǎn)報表 提供一套報表系統(tǒng),可方便地產(chǎn)生黑白和彩色的生產(chǎn)報表。

系統(tǒng)顯示畫面內(nèi)容除包括文字、表格、圖形曲線及報警外,還有以下圖形:

(1)工藝布置圖 全屏顯示全廠的工藝布置狀況,使工作人員了解廠布局。

(2)工藝流程圖 動態(tài)顯示全廠工藝流程,使操作人員能了解全廠各工藝段的運行狀況,便于調(diào)度管理。

(3)設(shè)備工況運行圖 動態(tài)顯示廠內(nèi)各設(shè)備的實時運行狀態(tài),隨時了解廠內(nèi)的設(shè)備及生產(chǎn)情況。

4 前景展望

近年來,制漿造紙生產(chǎn)過程的自動化技術(shù)正在普及和提高之中。特別是DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用,正在迅速改變著造紙生產(chǎn)過程傳統(tǒng)落后的局面;同時,現(xiàn)代控制理念、控制產(chǎn)品、控制手段也在不斷發(fā)展。自動控制系統(tǒng)向綜合化、開放化發(fā)展已成必然,工廠自動化要求各類設(shè)備之間的通訊能力更強(qiáng),相互融合。以現(xiàn)場總線為核心的集散自動控制系統(tǒng)FCS正在興起,開放的結(jié)構(gòu)將方便地與所有控制設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,成為真正集成的、貫穿全系統(tǒng)的新型自動控制系統(tǒng)。

工業(yè)控制自動化技術(shù)是保證高效生產(chǎn)、可靠運行的重要手段。90年代,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)和應(yīng)用,標(biāo)志著自動化技術(shù)的又一次飛躍,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有其克服不了的問題,設(shè)備間的一對一聯(lián)線,不僅增加安裝維護(hù)費用,也降低了系統(tǒng)的可靠性,帶來安全隱患;模擬信號傳輸,限制了傳輸媒體和傳輸結(jié)構(gòu)的選擇,信號的精確度受到影響。因此,工廠構(gòu)建一個合理的局域網(wǎng)是十分重要的,不僅要考慮控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)的特點和安全性,還必須考慮與工廠原有控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和可能擴(kuò)建工程生產(chǎn)線的聯(lián)網(wǎng),以達(dá)到數(shù)據(jù)通訊資源共享的目的。

制漿造紙過程是一個連續(xù)的系統(tǒng)化的過程。自動化控制是根據(jù)生產(chǎn)工藝的特點和要求,實現(xiàn)全過程、切實有效的控制,更好地為生產(chǎn)工藝服務(wù)。因此,制漿造紙過程的控制內(nèi)容將進(jìn)一步擴(kuò)大,控制系統(tǒng)的控制模式或方法將更加符合或貼近生產(chǎn)實際,更加具有獨創(chuàng)性和專業(yè)性。在控制方式上,應(yīng)用如自適應(yīng)、自診斷、最優(yōu)化等手段,在軟件的設(shè)計中采用容錯等最新的技術(shù)成果,在增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性的同時,結(jié)合制漿造紙生產(chǎn)的設(shè)備與工藝實際,提高系統(tǒng)控制的實際效果,應(yīng)成為自動控制方面的努力目標(biāo)。

造紙生產(chǎn)行業(yè)是資金密集型的行業(yè),自動化水平的高低很大程度上取決于企業(yè)對自動化方面的重視程度和迫切性。目前生產(chǎn)過程如烘缸表面溫度的控制、烘箱干燥溫度的連續(xù)控制、壓榨輥的線壓力控制、紙頁的張力控制等還是采用間接的或手控的方式進(jìn)行的。這些都有待于自動化控制的推廣和應(yīng)用。

制漿造紙過程是一個復(fù)雜的工業(yè)過程,也是一項技術(shù)性很強(qiáng)的工作,具有高度不確定性,非線性,關(guān)連性,大滯后和狀態(tài)不完全性。目前,國內(nèi)造紙行業(yè)的自動化水平總的來說還是落后的,我們應(yīng)從生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制等底層自動化方面開始做起。在系統(tǒng)配置時,應(yīng)使廠家的有關(guān)技術(shù)人員充分了解所選的控制系統(tǒng)的硬件、軟件及其技術(shù)特性;結(jié)合工藝設(shè)備及其控制要求,應(yīng)充分考慮管理信息系統(tǒng)的要求,使全廠的控制系統(tǒng)構(gòu)成一個能夠相互通信、相互調(diào)閱的生產(chǎn)管理系統(tǒng),以使廠部生產(chǎn)指揮部門可更迅速、更全面地掌握全廠生產(chǎn)過程、狀態(tài),指揮調(diào)整工藝運行參數(shù),及時進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化,為企業(yè)的發(fā)展服務(wù)。