基于ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線在造紙廠堿回收車(chē)間的應(yīng)用研究

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(fù)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(yán)重污染了環(huán)境，而且造成了大量資源的浪費(fèi)。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(tǒng)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(jì)效益。可見(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(tǒng)被列為造紙工業(yè)若干重要前沿問(wèn)題之一。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(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(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)主要有：Profibus、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF等。Profibus是一種國(guó)際的、開(kāi)放的、不依賴于生產(chǎn)廠商的總線標(biāo)準(zhǔn)。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的方式通訊，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)和分散式I/O的通訊;②Profibus2PA，電源和通訊數(shù)據(jù)通過(guò)總線并行傳輸，可使得傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)一根總線相連接，主要用于單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊;③Profibus2FMS，用于車(chē)間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主站網(wǎng)絡(luò)。

本文簡(jiǎn)要介紹了河南某造紙廠堿回收工段采用ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施的計(jì)算機(jī)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(shè)備是蒸發(fā)器，蒸發(fā)器串聯(lián)組成蒸發(fā)站。本設(shè)計(jì)中所控制的蒸發(fā)站是典型的五體五效蒸發(fā)系統(tǒng)，除了蒸發(fā)器的相關(guān)控制外，還有一些輔助的蒸發(fā)設(shè)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(tǒng)控制的目標(biāo)是保持出效濃黑液濃度的穩(wěn)定、總有效溫差的穩(wěn)定和冷凝水罐液位的穩(wěn)定。一般可分為蒸汽子系統(tǒng)、黑液子系統(tǒng)和冷凝水系統(tǒng)。本工段的主要控制目標(biāo)是保證出效黑液的濃度、穩(wěn)定總有效溫度差和冷凝水系統(tǒng)的穩(wěn)定。本工段設(shè)立包括各效蒸汽壓力和真空度在內(nèi)的壓力測(cè)量環(huán)節(jié)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(nèi)的液位測(cè)量環(huán)節(jié)17個(gè)，包括蒸汽、黑液溫度在內(nèi)的溫度測(cè)量環(huán)節(jié)18個(gè)，包括蒸汽、黑液、清水在內(nèi)的流量測(cè)量環(huán)節(jié)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(shè)備是堿回收噴射鍋爐，其運(yùn)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(jī)質(zhì)（脫木素）的有效熱值，以產(chǎn)生蒸汽供全廠發(fā)電或造紙干燥之用;另一方面回收黑液中的無(wú)機(jī)堿鹽。本工段還包括其他一些配套設(shè)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(tǒng)、供風(fēng)子系統(tǒng)、給水及蒸汽子系統(tǒng)和綠液子系統(tǒng)。在燃燒過(guò)程中，各系統(tǒng)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(dāng)?shù)谋嚷士色@得最好的鍋爐的效率，在本系統(tǒng)中，入爐黑液及空氣都有計(jì)量，因此在調(diào)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(jù)爐膛負(fù)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，在上述其他二個(gè)參數(shù)變更時(shí)，引風(fēng)量也必須作出反應(yīng)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。在本系統(tǒng)中，送風(fēng)、引風(fēng)都采用了變頻器，可以作精細(xì)的調(diào)節(jié)。本工段設(shè)置壓力測(cè)量環(huán)節(jié)17個(gè)、液位測(cè)量環(huán)節(jié)11個(gè)、溫度測(cè)量環(huán)節(jié)21個(gè)、流量測(cè)量環(huán)節(jié)8個(gè)。

苛化工段的主要設(shè)備是石灰消化提渣機(jī)和苛化器。輔助設(shè)備有白液澄清器、乳液澄清器、白泥洗劑器、真空過(guò)濾機(jī)、預(yù)掛過(guò)濾機(jī)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(yīng)的時(shí)間和溫度。本工段設(shè)置壓力測(cè)量環(huán)節(jié)1個(gè)、液位測(cè)量環(huán)節(jié)10個(gè)、溫度測(cè)量環(huán)節(jié)12個(gè)、流量測(cè)量環(huán)節(jié)3個(gè)。

2、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)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(tǒng)三部分組成。其結(jié)構(gòu)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(tǒng)中其他模擬量的數(shù)據(jù)采集。SM332模塊主要完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。SM321模塊主要完成系統(tǒng)中數(shù)字量輸入信號(hào)（如電機(jī)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(tǒng)中數(shù)字量信號(hào)的輸出（如電機(jī)的啟停、電動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(tái)DELL筆記本構(gòu)成，編程平臺(tái)采用西門(mén)子Step7V5.3，主要完成數(shù)據(jù)采集、回路控制、連鎖控制、流量累計(jì)等的編程工作。

操作員站由5臺(tái)DELL工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，其中蒸發(fā)工段和燃燒工段各分配2臺(tái)，苛化工段一臺(tái)。5臺(tái)計(jì)算機(jī)互為冗余，均可與三個(gè)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在每臺(tái)電腦上都可實(shí)時(shí)監(jiān)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(shù)據(jù)不能交換與顯示的盲區(qū)。組態(tài)軟件采用西門(mén)子WinCCV6.0SP1。

系統(tǒng)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(jié)的檢測(cè)值和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)為每個(gè)控制回路設(shè)計(jì)了一個(gè)彈出式的控制面板，用戶在主畫(huà)面中點(diǎn)擊相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)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(xiàn)場(chǎng)的控制，包括設(shè)定值的改變，手動(dòng)操作等。

歷史曲線顯示。系統(tǒng)對(duì)主要控制量都進(jìn)行了歷史曲線的顯示，包括液位，流量，溫度，壓力等。

報(bào)警畫(huà)面。對(duì)于系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警信息。故障信息包括系統(tǒng)的硬件故障和軟件故障，硬件故障包括計(jì)算機(jī)同PLC間的通訊故障，電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)、DCS系統(tǒng)中的信號(hào)模塊故障等，軟件故障是由用戶定義的故障，包括檢測(cè)值超限，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。

參數(shù)集中顯示畫(huà)面。該畫(huà)面根據(jù)用戶的需要，以表格的形式集中顯示了重要的過(guò)程數(shù)據(jù)，便于用戶迅速地了解現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況。

參數(shù)設(shè)置畫(huà)面。該畫(huà)面只在工程師中設(shè)置，需要輸入口令方可進(jìn)入。主要用于修改PID控制參數(shù)等重要參數(shù)。

報(bào)表打印畫(huà)面：該畫(huà)面提供了按班別累計(jì)生產(chǎn)流量并可隨時(shí)打印。

（3）通信系統(tǒng)

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專用通訊口。各工段CPU與各自的EM200M從站通過(guò)ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線連接，接口為DP專用通訊口，通訊速率設(shè)為1.5Mbps。過(guò)程控制級(jí)與操作管理級(jí)之間也通過(guò)ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線連接，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(shè)立ProfiBus-DP站地址，注意每個(gè)都必須分配獨(dú)立的站地址，相互之間不能重復(fù)。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(dú)立的站地址。各工段的ProfiBus網(wǎng)絡(luò)和操作管理級(jí)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(nèi)總線通訊問(wèn)題不會(huì)影響其他工段的正常運(yùn)行。通訊速率遠(yuǎn)高于MPI（多點(diǎn)接口）網(wǎng)絡(luò)，利于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。網(wǎng)絡(luò)通訊線采用西門(mén)子專用DP線，保證了系統(tǒng)的通訊速率和通訊距離。

除了上述主體硬件框架外，系統(tǒng)硬件部分還包括給每個(gè)工段子系統(tǒng)供電的穩(wěn)壓電源和UPS，蒸發(fā)工段和燃燒工段均采用6KVA穩(wěn)壓電源和6KVA/30min（有效負(fù)荷/有效供電時(shí)間）UPS，苛化工段采用3KVA穩(wěn)壓電源和3KVA/30minUPS。對(duì)于電機(jī)的狀態(tài)反饋等數(shù)字量輸入信號(hào)，采用光電隔離器實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與控制柜內(nèi)信號(hào)的隔離，避免了現(xiàn)場(chǎng)異常干擾電壓影響西門(mén)子模塊的工作。對(duì)于普通數(shù)字量輸出信號(hào)，采用歐姆龍中間隔離器進(jìn)行隔離;而對(duì)于電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)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(hào)振蕩。

3 、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)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(biāo)度變換、報(bào)警、累計(jì)等子程序，由于結(jié)構(gòu)化編程的方法具有程序結(jié)構(gòu)層次清晰、部分程序通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、易修改、簡(jiǎn)化程序調(diào)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(duì)控制系統(tǒng)程序的各個(gè)基礎(chǔ)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(diào)用這些基礎(chǔ)功能塊就構(gòu)成了系統(tǒng)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(shù)據(jù)塊。其中模入模塊的起始地址，通道數(shù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊的塊號(hào)以及數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)塊中的存儲(chǔ)位置是可變的，可在調(diào)用時(shí)確定。

2）濾波子程序：采樣部分對(duì)每個(gè)通道連續(xù)采樣8次，順序存放在數(shù)據(jù)塊中。對(duì)8次采樣值進(jìn)行求平均操作。在調(diào)用時(shí)需要指定數(shù)據(jù)塊號(hào)、數(shù)據(jù)存放首地址、相鄰兩次采樣值在數(shù)據(jù)塊中的間隔。

3）PID控制程序：STEP7的程序庫(kù)中有通用的PID控制子程序，每一個(gè)子程序調(diào)用時(shí)必須為其指定一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，在被調(diào)用時(shí)，向邏輯塊傳遞參數(shù)值，在調(diào)用結(jié)束時(shí)，用來(lái)保存邏輯塊輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)。

4）標(biāo)度變換：模擬量輸入經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，其數(shù)字化結(jié)果的標(biāo)稱變化范圍為0-27648，而操作人員在進(jìn)行設(shè)定給定值時(shí)，為了直觀，使用的是具體的數(shù)值，或者用百分比來(lái)表示。PID的采樣值有兩種形式：Word類型或Float類型，Word類型范圍為0-27648，但不直觀。因此，為了使給定值與測(cè)量值能夠做比較，就應(yīng)該使測(cè)量值與設(shè)定值的標(biāo)度一致，那么就需要進(jìn)行標(biāo)度變換。兩種標(biāo)度的數(shù)值是一一對(duì)應(yīng)的。

5）報(bào)警子程序：對(duì)模擬量進(jìn)行超上限或超下限判斷，若有則置位超限標(biāo)志，為防止超限標(biāo)志輸出抖動(dòng)，設(shè)置判斷死區(qū)。

6）流量累計(jì)子程序：為了考核各班效益，通常對(duì)重要流量（如進(jìn)工段黑液流量等）要進(jìn)行累計(jì)。對(duì)流量采樣信號(hào)進(jìn)行時(shí)間積算，按照班別分別計(jì)入早班、中班、晚班，并累計(jì)當(dāng)日總和、昨日總和及本月總和。

7）電機(jī)控制：對(duì)電機(jī)的起停控制，是系統(tǒng)最基本的控制應(yīng)用。當(dāng)準(zhǔn)備信號(hào)就位時(shí)，可對(duì)電機(jī)直接進(jìn)行啟停操作;當(dāng)準(zhǔn)備信號(hào)不到時(shí)，自動(dòng)停止電機(jī)。電機(jī)電流過(guò)大時(shí)，電機(jī)報(bào)警。

每個(gè)工段根據(jù)本工段的實(shí)際情況，在調(diào)用子程序時(shí)賦予不同的參數(shù)值。對(duì)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(diào)節(jié)器，而蒸汽和給水流量信號(hào)作為輔助沖量。當(dāng)鍋爐系統(tǒng)處于物料平衡時(shí)，液位穩(wěn)定，由于給水流量和蒸汽流量信號(hào)大小相等，引入加減器的正負(fù)號(hào)相反，而互相抵消，因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制信號(hào)沒(méi)有變化。當(dāng)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(hào)相反的輔助沖量差值作用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)及時(shí)改變控制信號(hào)，增加給水量、使鍋爐系統(tǒng)物料重新恢復(fù)平衡，可見(jiàn)，三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(xiàn)象”。鍋爐給水閥門(mén)要用氣閉式閥門(mén)，這時(shí)積分調(diào)節(jié)器置于正（+）作用，液位信號(hào)為正（+），蒸汽流量信號(hào)為負(fù)（-），給水流量信號(hào)為正（+）。

每個(gè)工段按照工藝要求還設(shè)定有一定的連鎖子程序。蒸發(fā)工段的蒸汽壓力調(diào)節(jié)與I效黑液循環(huán)泵連鎖。當(dāng)I效黑液循環(huán)泵的運(yùn)行反饋信號(hào)沒(méi)有時(shí)，自動(dòng)將蒸汽壓力調(diào)節(jié)打?yàn)槭謩?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(tǒng)的關(guān)鍵，它與給水泵，一、二、三次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)構(gòu)成連鎖。當(dāng)汽包液位超高限時(shí)，自動(dòng)停止給水泵并報(bào)警;當(dāng)汽包液位超低限時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉引風(fēng)機(jī)、三次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)。

4 、結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)是陜西科技大學(xué)微機(jī)應(yīng)用研究所為河南某造紙廠的堿回收車(chē)間而設(shè)計(jì)的。它的特點(diǎn)是：

（1）更新、擴(kuò)充了DCS的功能。傳統(tǒng)的DCS中加入了現(xiàn)場(chǎng)總線，不但保持了DCS的穩(wěn)定性，且引入了現(xiàn)場(chǎng)總線的靈活性;同時(shí)可減少硬件數(shù)量，安裝、維護(hù)的工作量隨之減少。

（2）提高了系統(tǒng)的靈敏性、精確性。與此現(xiàn)場(chǎng)總線有關(guān)的信號(hào)，無(wú)需再像傳統(tǒng)的DCS在發(fā)送與接收過(guò)程中通過(guò)數(shù)模/模數(shù)反復(fù)轉(zhuǎn)換，而是直接進(jìn)行CPU間的通訊，從而提高了信號(hào)采集的品質(zhì)和系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

（3）降低了DCS的負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。由于一部分調(diào)節(jié)任務(wù)分配到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)的CPU上去實(shí)現(xiàn)，DCS中相關(guān)自動(dòng)處理單元中的CPU的負(fù)載得到降低，相關(guān)設(shè)備的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到提高。

（4）由于現(xiàn)場(chǎng)總線具有自診斷和簡(jiǎn)單的故障處理能力，并通過(guò)數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢總線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與診斷維護(hù)信息。

本系統(tǒng)成本較低，簡(jiǎn)單易用，可靠性高，通訊能力強(qiáng)，有很強(qiáng)的模擬量運(yùn)算能力和數(shù)字邏輯處理功能。實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸發(fā)、燃燒、苛化生產(chǎn)過(guò)程控制的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。目前該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)中的算法有效可行，達(dá)到了令人滿意的控制效果，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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