基于ProfiBus現(xiàn)場總線的堿回收車間DCS方案設(shè)計

0 引言

　　造紙工業(yè)的污染是世界上工業(yè)污染的主要來源之一，其中制漿造紙行業(yè)的污染負(fù)荷80%以上來自制漿黑液。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。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)濟效益?？梢妷A回收在制漿造紙行業(yè)具有十分重要的地位和意義。[1]

　　堿回收車間一般分為蒸發(fā)、燃燒和苛化三個工段。新型堿回收系統(tǒng)被列為造紙工業(yè)若干重要前沿問題之一。

　　現(xiàn)場總線技術(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)場總線技術(shù)主要有: Profibus、基金會現(xiàn)場總線FF 等。Profibus 是一種國際的、開放的、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)通過總線并行傳輸, 可使得傳感器和執(zhí)行機構(gòu)通過一根總線相連接, 主要用于單元級和現(xiàn)場級通訊; ③Profibus2FMS , 用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò), 是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主站網(wǎng)絡(luò)。

　　本文簡要介紹了作者在河南某造紙廠堿回收工段采用ProfiBus現(xiàn)場總線實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(shè)備是蒸發(fā)器，蒸發(fā)器串聯(lián)組成蒸發(fā)站。本設(shè)計中所控制的蒸發(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)的壓力測量環(huán)節(jié)11個，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)的液位測量環(huán)節(jié)17個，包括蒸汽、黑液溫度在內(nèi)的溫度測量環(huán)節(jié)18個，包括蒸汽、黑液、清水在內(nèi)的流量測量環(huán)節(jié)8個。

　　燃燒工段是利用煙氣和余熱進一步把蒸發(fā)工段帶來的濃黑液濃縮到65 %～70%的濃度以供燃燒。它的主要設(shè)備是堿回收噴射鍋爐，其運行情況的好壞決定了整個工段的生產(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)生蒸汽供全廠發(fā)電或造紙干燥之用;另一方面回收黑液中的無機堿鹽。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量，因此在調(diào)試過程中，經(jīng)過一段時間，就可得到合適的比例關(guān)系。引風(fēng)量根據(jù)爐膛負(fù)壓進行調(diào)節(jié)，在上述其他二個參數(shù)變更時，引風(fēng)量也必須作出反應(yīng)，進行相應(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，可以作精細的調(diào)節(jié)。本工段設(shè)置壓力測量環(huán)節(jié)17個、液位測量環(huán)節(jié)11個、溫度測量環(huán)節(jié)21個、流量測量環(huán)節(jié)8個。

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　整個控制系統(tǒng)的框架由分布式過程控制裝置、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。

　?。?） 分布式過程控制裝置

　　核心部分采用西門子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)行機構(gòu)的模擬驅(qū)動信號輸出。SM321模塊主要完成系統(tǒng)中數(shù)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(tǒng)中數(shù)字量信號的輸出（如電機的啟停、電動閥的開關(guān)驅(qū)動信號等）。具體模塊配置見表1。

　　表1 西門子模塊配置表

　?。?） 操作管理單元

　　工程師站由一臺DELL筆記本構(gòu)成，編程平臺采用西門子Step7 V5.3，主要完成數(shù)據(jù)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CPU進行數(shù)據(jù)交換，在每臺電腦上都可實時監(jiān)控整個堿回收各個工段的生產(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)軟件采用西門子WinCC V6.0 SP1。

　　系統(tǒng)主要包括以下的功能畫面：

　　控制主畫面?？刂浦鳟嬅姘凑樟鞒痰捻樞蝻@示各個控制環(huán)節(jié)的檢測值和設(shè)備的運行狀態(tài)。同時為每個控制回路設(shè)計了一個彈出式的控制面板，用戶在主畫面中點擊相應(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行現(xiàn)場的控制，包括設(shè)定值的改變，手動操作等。

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

　　報警畫面。對于系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，系統(tǒng)會出現(xiàn)相應(yīng)的報警信息。故障信息包括系統(tǒng)的硬件故障和軟件故障，硬件故障包括計算機同PLC間的通訊故障，電機無法啟動、DCS系統(tǒng)中的信號模塊故障等，軟件故障是由用戶定義的故障，包括檢測值超限，調(diào)節(jié)時間過長等。

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

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

　　報表打印畫面：該畫面提供了按班別累計生產(chǎn)流量并可隨時打印。

　?。?）通信系統(tǒng)

　　CPU414-2DP和CPU317各有兩個網(wǎng)絡(luò)通訊口，一個MPI/DP集成通訊口，一個DP專用通訊口。各工段CPU與各自的EM200M從站通過ProfiBus現(xiàn)場總線連接，接口為DP專用通訊口，通訊速率設(shè)為1.5Mbps。過程控制級與操作管理級之間也通過ProfiBus現(xiàn)場總線連接，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CPU和ET200M從站都設(shè)立ProfiBus-DP站地址，注意每個都必須分配獨立的站地址，相互之間不能重復(fù)。每個操作管理站配備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)屬于同一個網(wǎng)絡(luò)，但屬于不同的網(wǎng)段，因此工段內(nèi)總線通訊問題不會影響其他工段的正常運行。通訊速率遠高于MPI（多點接口）網(wǎng)絡(luò)，利于數(shù)據(jù)的實時顯示。網(wǎng)絡(luò)通訊線采用西門子專用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/有效供電時間）UPS，苛化工段采用3KVA穩(wěn)壓電源和3KVA/30min UPS。對于電機的狀態(tài)反饋等數(shù)字量輸入信號，采用光電隔離器實現(xiàn)了現(xiàn)場信號與控制柜內(nèi)信號的隔離，避免了現(xiàn)場異常干擾電壓影響西門子模塊的工作。對于普通數(shù)字量輸出信號，采用歐姆龍中間隔離器進行隔離;而對于電動閥開關(guān)的控制信號則采用零壓型（Z）SSR（固態(tài)繼電器）進行了隔離，消除了由于頻繁動作所引起的信號振蕩。[3]

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　針對堿回收工藝流程的特點，為每個工段編制采樣、濾波、PID控制、標(biāo)度變換、報警、累計等子程序，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、簡化程序調(diào)試的優(yōu)點，所以這里我們采用該方法編制控制程序。

　　下面對控制系統(tǒng)程序的各個基礎(chǔ)功能塊進行說明，通過在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)，存儲數(shù)據(jù)塊的塊號以及數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)塊中的存儲位置是可變的，可在調(diào)用時確定。

　　2）濾波子程序：采樣部分對每個通道連續(xù)采樣8次，順序存放在數(shù)據(jù)塊中。對8次采樣值進行求平均操作。在調(diào)用時需要指定數(shù)據(jù)塊號、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的程序庫中有通用的PID控制子程序，每一個子程序調(diào)用時必須為其指定一個背景數(shù)據(jù)塊，在被調(diào)用時，向邏輯塊傳遞參數(shù)值，在調(diào)用結(jié)束時，用來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，而操作人員在進行設(shè)定給定值時，為了直觀，使用的是具體的數(shù)值，或者用百分比來表示。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，為了使給定值與測量值能夠做比較，就應(yīng)該使測量值與設(shè)定值的標(biāo)度一致，那么就需要進行標(biāo)度變換。兩種標(biāo)度的數(shù)值是一一對應(yīng)的。

　　5）報警子程序：對模擬量進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，設(shè)置判斷死區(qū)。

　　6）流量累計子程序：為了考核各班效益，通常對重要流量（如進工段黑液流量等）要進行累計。對流量采樣信號進行時間積算，按照班別分別計入早班、中班、晚班，并累計當(dāng)日總和、昨日總和及本月總和。

　　7）電機控制：對電機的起停控制，是系統(tǒng)最基本的控制應(yīng)用。當(dāng)準(zhǔn)備信號就位時，可對電機直接進行啟停操作;當(dāng)準(zhǔn)備信號不到時，自動停止電機。電機電流過大時，電機報警。

　　每個工段根據(jù)本工段的實際情況，在調(diào)用子程序時賦予不同的參數(shù)值。對于燃燒工段上汽包液位的控制不能采用簡單的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作為輔助沖量。當(dāng)鍋爐系統(tǒng)處于物料平衡時，液位穩(wěn)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(fù)號相反，而互相抵消，因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制信號沒有變化。當(dāng)其中一個輔助沖量突然變化（例如蒸汽用量增加）、則破壞了物料平衡，這二個符號相反的輔助沖量差值作用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)及時改變控制信號，增加給水量、使鍋爐系統(tǒng)物料重新恢復(fù)平衡，可見，三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能在來自蒸汽流量或給水流量的波動干擾還未影響到汽包液位時，就得到了克服，從而減小了液位的大幅度波動，因而減小了液位的“虛假現(xiàn)象”。鍋爐給水閥門要用氣閉式閥門，這時積分調(diào)節(jié)器置于正（+）作用，液位信號為正（+），蒸汽流量信號為負(fù)（-），給水流量信號為正（+）。

　　每個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)泵的運行反饋信號沒有時，自動將蒸汽壓力調(diào)節(jié)打為手動狀態(tài)并關(guān)閉蒸汽閥門。燃燒工段的上汽包液位是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，它與給水泵，一、二、三次風(fēng)機和引風(fēng)機構(gòu)成連鎖。當(dāng)汽包液位超高限時，自動停止給水泵并報警;當(dāng)汽包液位超低限時，自動關(guān)閉引風(fēng)機、三次風(fēng)機、二次風(fēng)機和一次風(fēng)機。

4 結(jié)語

　　該系統(tǒng)是陜西科技大學(xué)微機應(yīng)用研究所為河南某造紙廠的堿回收車間而設(shè)計的。它的特點是：

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

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

　?。?） 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)場智能儀表或者執(zhí)行機構(gòu)的CPU 上去實現(xiàn), DCS 中相關(guān)自動處理單元中的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。

　?。?） 由于現(xiàn)場總線具有自診斷和簡單的故障處理能力, 并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室, 用戶可以查詢總線設(shè)備的運行狀態(tài)與診斷維護信息。

　　本系統(tǒng)成本較低，簡單易用，可靠性高，通訊能力強，有很強的模擬量運算能力和數(shù)字邏輯處理功能。實現(xiàn)了對蒸發(fā)、燃燒、苛化生產(chǎn)過程控制的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。目前該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)中的算法有效可行，達到了令人滿意的控制效果，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟價值。