当国内制浆造纸自控及仪表的现状与发展趋势

国内制浆造纸自控及仪表的现状与发展趋势

摘 要:制浆造纸过程是一个复杂的工业过程，具有高度不确定性、非线性、关连性、大滞后和状态不完全性等特点，目前控制系统以现场总线为核心，正朝着整厂集中控制的方向发展，控制内容更具广泛性，控制方式更具专业化。本文分析了我国制浆造纸自控及仪表的现状和发展趋势，阐述了自动控制系统在制浆造纸生产中的重要作用，对具体的控制方式进行了探讨。 关键词:自动控制；仪表；通讯；现场总线；PROFIBUS-DP；DCS济南新时期试金仪器有限公司冲击实验机我们根据国内外该领域的各种先进经验研制开发了这类专用拉床

制浆造纸生产的自动控制，过去应用的范围十分有限，主要集中在制浆过程的局部简单仪表控制和纸机的电气传动控制方面，大量的控制内容是通过现场人工调整实现的。改革开放以来，通过国外先进技术产品的引进，以及借鉴相关行业自动控制方面的经验，自动控制在造纸生产中逐步得到了应用,正朝着整厂集中控制的方向发展。近年来，许多厂家在生产过程的重点环节进行了自控系统的技术改造，如蒸煮控制、盘磨控制、配浆控制、上浆流送控制、纸机传动、纸机干燥部多段通气控制（热泵控制）和水分定量检测等方面，取得了明显的效果。

1.1制制浆过程

制浆过程的自动化控制主要集中在蒸煮、磨浆、配浆和打浆的控制，主要控制参数有：液位、温度、压力、流量和浓度等。从过程控制的层面上来说，一方面对生产过程的电动机和电磁阀进行逻辑、顺序的控制；另一方面对罐类和工艺管道上的各种阀门进行工艺参数的调节。制浆设备中，单体设备较多，由于种种原因，制浆设备本体的机电一体化产品不多，相当部分企业在制浆过程中自动化程度普遍不高。近些年盘磨、挤浆机、热分散等设备在自动化控制方面有了较大的进步，设备性能有所改善；在配浆和上浆浓度调节部分的改造较多，对提高和稳定产品质量，取得了一定效果。

制浆生产的自动控制系统最初可以认为是仪表控制系统和继电器逻辑控制系统的结合，主要由二次仪表作为控制器来进行单回路或多回路的自动控制。许多厂家一直延用至今，基本上是一种独立、分离的控制。随着电子技术的发展，从20世纪80年代开始，以PLC为主流产品的控制器得到了普遍的应用。由于最初的PLC控制器以逻辑、顺序控制为主，形成了一方面采用PLC控制器进行电动机、电磁阀的联锁和控制；另一方面采用二次仪表作为控制器来进行单回路或多回路的自动调节控制。从80年代末期开始，PLC控制器的功能和技术概念发生了重大变化，以一个过程控制系统的面貌出现；而且在组态方便性和灵活性上有了很大改善，以其容量、速度、字长、周期等为指标，形成了系列产品，从而具备了从事复杂控制的能力。PLC控制器在制浆造纸生产的局部自动控制中得到了普遍的应用。

新型操作终端的出现和CRT显示技术的进步，特别是PLC控制器通讯能力的加强，使智能的、动态的人机界面越来越多地应用在制浆生产的关键控制点，如蒸球、磨浆、配浆等部分，在被控现场配置液晶或等离子显示真彩操作终端，可方便的与PLC联接，融入控制器的操作系统中。触摸式界面在用户规定的刷新时间内提供各种实时数据，显示相关状态参数、设定值与实测值，且以数字量形式或棒图形式显示组态相关参数图形；同时，触摸式界面还具有各种操作功能，可进行参数的设定和逻辑控制。为了在控制室可清楚地反映生产过程的整体和局部信息，利用上位计算机，对生产过程进行集中监测、操作和管理。操作人员可以从控制室的显示器上所显示的不同画面中，观察到生产过程的状态，并在专用的操作终端上或直接在控制显示器上对生产过程的各项工艺参数进行控制。

制浆造纸的生产过程，从控制上来说，是一个多设备协调的联动系统，尤其是企业向着大规模化的方向发展，原有落后的控制方式越来越不能满足生产的要求。这样DCS就应运而生。

DCS，即集散控制系统，又名分布式的计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量技术、通信络技术、CRT显示技术和人机接口技术相互渗透发展起来的。DCS集散型控制系统，从结构上讲就是将采集和控制分散在多个现场控制站，而将操3)实验曲线框的数量从1个到3个可以任意选择作和监视功能集中在一个或多个操作站。它从硬件上采用标准化、模块化和系列化产品，系统上各工作站是通过络接口相联接的，各工作站能完全独立地运行。系统的实时控制络使系统资源共享，对系统结构组态进行修正、维修。它的突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力。软件的开放性尤为突出。

制浆造纸生产过程的DCS控制系统包括若干个子工段控制系统：如湿法备料及连蒸、白水回收、洗选漂、抄纸、烘缸三段通汽、上浆浓度和QCS等等。每个控制子系统既有着相对的独立性，又彼此互相联系。因此整个系统采用控制环节分散、数据处理集中的方式，即多操作站的DCS系统。DCS通过系统总线把车间和各工段的DCS联成一个络。各DCS子系统主要由基本I/O单元、过程主站、操作站、报警站、操作终端、显示器、报警打印机和报告打印机组成，再加上生产现场的检测仪表和执行机以及控制中心组成一个完整的造纸生产的自动控制系统。DCS控制系统的系统结构一般分为过程控制级、自动化级和大型样机可由吊车放置在底座旁边靠自重稳固进行抗冲击实验现场级。系统硬件配置一般为：

●工业控制计算机作为操作员站组成上位机管理系统。

●大型控制器组成自动化中心控制系统。

●操作显示终端作为现场人机界面。

●分布式远程控制站作为控制单元。

过程控制级的操作界面采用工业控制计算机，使用标准软件和络，以实现过程诊断、过程监视、控制及信息管理。标准的显示和操作窗口,实时显示工艺流程控制点的过程参数，操作员可以很方便地通过动态画面，实时监视设备状态，如液位高低，阀门开度、电机启停等；同时，根据该工段的工艺流程需要，及时对设备进行控制。对于调节回路有两种控制方式，即自动调节和手动调节。当点击画面上的自动手动旋转开关，可以切换自动手动方式。在自动状态下，调节回路由PLC进行控制，自动调节阀门的开度。此时，若点击阀门，将出现提示窗口，提示此时是处于自动状态下，不能手动调节阀门。若处于手动状态下，操作工可以自行调节阀门开度。发现异常事件，作出提示、报警及处理命令；并可调阅与修改控制参数，远程切换工作状态，故障诊断及报表打印；也可保存生产报表及报警信息。过程控制级的PC机，通过生产管理络，接受中心PLC的生产数据，向经营管理络传送各类生产数据及接受各类生产任务。过程控制站的控制能力至关重要，主要以控制功能块的能力、数量、组态方便性和灵活性来衡量；过程控制站的可靠性和环境适应性同样重要，可通过冗余配置使其可靠性更高，但目前在造纸生产线的应用还很少见，其主要考虑的是其性能价格比的原因。

自动化级均采用装有单处理器或多处理器的高性能大型PLC控制器。自动化级与过程控制级的通讯由工业以太实现。与现场级的通讯由PROFIBUS-DP通讯络实现，作为一部分的中心控制单元，根据工艺要求控制现场设备的运行状态。完成各现场PLC所组成的子系统之间的协调控制。目前较为普遍的配置是采用大型控制器组成自动化中心控制系统，即过程控制级。系统容易扩展和具备络通讯能力；采用分布式结构，远电子产物在研发期间中程智能化接口提供了各种电压和保护等级的数字、模拟 I/O单元，可以集中放置，也可以分散安装在现场。为使人员方便操作，并考虑到工艺工程师和控制工程师的需要，每一工段配置一台上位监控微机，作为普通级操作员站，操作员可通过上位机对现场设备进行操作和控制。

现场级，主要由标准的系统产品连接在现场总线上。

（1）现场操作面板。操作面板适合于分散的、与设备相关的控制和监视。不同的传动和传动组均可有标准的图形显示及相同的操作步骤。现场操作与显示终端以动态图形实时显示生产数据，现场操作人员可通过触摸屏操作现场设备。

（2)远程I/O站。远程I/O站通过现场控制络、联接中心控制PLC、交换各种实时信息；通过I/O口，联接智能过程控制仪、变送器等实施调节控制。根据现场设备的布局，采用分布式布局,就地实时响应生产过程事件，极大地减少了现场至控制室的电缆联线，使生产过程控制局部化、模块化，不仅提高了系统的性能，使风险系数降低，而且又有利于系统的扩展与维护。

（3)驱动单元，如变频控制器，调节阀等。

监控系统是DCS系统的一个重要组成部分，采用的过程监控系统的特点适合于对过程事件的快速反应。过程监控系统的基本功能：

图形系统：通过组态，可构成丰富多彩的动态参数控制画面。

信息报警：捕捉过程信息和本地事件，将这些内容归在档案库中，并在需要时有选择地提取它们，或直接转移到相关的过程画面上产生报警信息。

生产报表：提供一套报表系统，可方便地对历史数据或即时数据组合生成用户所需的生产报表。

工艺流程图：动态显示全厂工艺流程，使操作人员能了解全厂各工艺段的运行状况，便于调度管理。

设备工况运行图：动态显示各厂内设备的实时运行状态，随时了解厂内的设备及生产情况。

浏览系统：在自动化系统的服务器中，应支持3～10个客户的上浏览，这样，业主在一些管理或技术部门的办公室里，可以对整个工厂的运行情况进行浏览。

系统自诊断：集成控制系统应有一套完整的自诊断功能，可以在运行中自动地诊断出系统的任何一个部件是否出现故障，并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点及相关信息。在系统或工艺设备发生故障后，I