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国内制浆造纸自控及仪表现状与发展

话题调查中国仪表网2009年06月29日 08:33人气:1138

  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、通信网络技术、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网络接口相联接的,各工作站能完全独立地运行。系统的实时控制网络使系统资源共享,对系统结构组态进行在线修正、在线维修。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联成一个网络。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,使用标准软件和网络,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,通过生产管理网络,接受中心PLC的生产数据,向经营管理网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网实现。与现场级的通讯由PROFIBUS-DP通讯网络实现,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网络通讯能力;采用分布式结构,远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站通过现场控制网络、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个客户的网上浏览,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/O状态应返回到工艺要求预设置的状态上。

  系统操作权限:整个监控系统应有多个操作级别,每个级别均应有各自的用户和口令,它能防止用户越权存取显示数据和系统功能,具有相当高的安全可靠性。

  1.2制造纸过程
  造纸过程的自动化控制突出地表现在纸机的传动控制方面。因纸种变化,纸机的速比变化较大,浆料配比、不同纸张特性等,使纸机车速需要有较大范围的调整;同时电网电压、频率和负荷的波动,也会引起纸机车速的变化,烘干部各段不同的加热温度,都会使纸页产生纵向的收缩,因此,要求纸机传动控制系统是一个稳定、精确、同步、协调的变速传动系统。造纸生产过程的电气传动,分为定速传动和变速传动。定速传动主要有泵类、搅拌类电机,现在对于大功率定速电机的控制,已逐步推广采用具备良好起动功能的软起动控制器。由于纸机传动控制目前几乎毫无例外地采用多点分部传动的形式,客观上对自动控制系统提出了快速、精确、稳定和可靠等较高的要求;又因纸机传动在生产中的特殊重要地位,纸机电气传动控制的一般配置由较大型PLC控制单元、矢量型变频单元和生产管理计算机组成。运用PROFIBUS通讯协议构成先进的现场总线网络,传输各种生产数据,执行生产指令;控制各传动点的运行状态。

  近些年电气传动系统普遍采用国外进口控制装置,传动系统的稳速精度、动态响应和可靠性等方面得到了大大提高。其通讯功能强,具有多种通讯协议;参数范围广,可适用于各种应用场合;能自动测试负载特性,实现系统的最优化;

  能通过磁通电流控制自动进行负载补偿,完善的保护功能如:过温、过压、欠压、失步、接地错误等等;如力矩控制、张力控制、卷径计算等,能满足造纸工业的各种特殊工艺要求,使长期困扰厂家的国产模拟控制装置的诸多问题有了根本性的改变,提高了生产效益。目前传动系统已由最初的模拟控制向全数字网络通讯方向过渡,后者分辨率更高、控制更精确,同时,作为整厂集中控制系统的一个子系统,便于与其它有关部分通过数据网络联接,因此,一些著名品牌高档次的控制器正越来越多地得到应用。

  与制浆过程所不同的是,纸机本体设备如:流浆箱、压光机、卷纸机、切纸机、复卷机等,设备本体配备的自动化技术水平是较高的。

  实践证明,纸机主传动系统自普遍采用数字式驱动装置以来,控制精度和系统的安全可靠性得到了极大提高,已完全能够满足纸机向大型、高速发展的需要。除此而外,上浆系统、蒸汽冷凝水系统、真空系统、损纸系统、涂料制备系统等控制也是十分重要的。

  QCS纸页质量检测控制系统是一种新型高技术产品,是纸机控制纸页质量的最有效的手段。目前国外产品占主要地位,国内研究开发多年,与国外产品尚有较大差距。目前在大中型纸机上的应用还是较为普遍的,为监测纸页水分定量,掌握工艺参数提供了很大帮助;便于产品质量的控制。但由于种种原因,绝大部分并未与上浆浓度和烘缸温度实现真正意义上的闭环自动控制。

  2.1制控制系统以现场总线为核心

  自动控制系统向综合化、开放化发展已成必然,工厂自动化要求各类设备之间的通讯能力更强,相互融合。以现场总线为核心的集散自动控制系统FCS正在兴起,开放的结构将方便地与所有控制设备系统进行数据交换,成为真正集成的、贯穿全系统的新型自动控制系统。

  2.1.1制全集成自动化思想

  随着工业自动化现代控制理论和计算机技术的迅速发展,使得工业自动化过程控制系统能够在系统各层次之间的数据交换量迅速增大,这就为实现一种全集成自动化控制思想提供了基础。

  全集成自动化思想就是用一种系统完成原来由多种系统搭配起来才能完成所有功能的系统。应用这种解决方案,可以大大简化系统的结构,减少了大量接口部件,应用全集成自动化可以克服上位机和工业控制器之间、连续控制和逻辑控制之间、集中与分散之间的界限。同时,全集成自动化解决方案还可以为所有的自动化应用提供统一的技术环境,主要包括:统一的数据管理、统一的通讯、统一的组态和编辑软件等。基于这种环境,各种各样不同的技术可以在一个用户接口下,集成在一个有全局数据库的系统中。

  2.1.2制现场总线

  工业控制自动化技术是保证生产高效可靠运行的重要手段,20世纪90年代,现场总线控制系统的出现和应用,标志着自动化技术的又一次飞跃,传统控制系统设备间的一对一联线,不仅增加安装维护费用,也降低了系统的可靠性,带来安全隐患;模拟信号传输,限制了传输媒体和传输结构的选择,信号的精确度受到影响。因此,工厂构建一个合理的局域网是十分重要的,不仅要考虑控制系统的通讯网络的特点和安全性,还必须考虑与工厂原有控制系统的通讯网络的互联和可能扩建工程生产线的联网,以达到数据通讯资源共享的目的。

  现场总线是现代控制系统的核心,本质上是一种数字化通信协议,是连接智能现场设备和自动化系统的数字化、全分散、双向传输、多分支结构的通信网;由于其在工业控制自动化的前沿地位,代表了技术发展的方向。

  PROFIBUS现场总线由于其高实时性及技术较为成熟,在全世界范围得到了广泛的应用,也是目前国内应用最普遍的一种。PROFIBUS现场总线是基于国际标准EN50170的开放的现场总线,它主要用于现场控制及检测采集单元的数据交换,采用令牌调度原理进行数据通讯,主要包括最高波特率可达12 M 的高速总线PROFIBUS-DP(H 2 )和用于过程的本安型低速总线P R O F I B U S - P A(H 1 )。D P 和P A的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优于其他现场总线。既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯,也可用于直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备,对现场信号进行采集、监控和处理,用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆。

  2.1.3制仪表(总线型变送器)

  由于控制系统发生了新的变革,为了适应现场总线控制系统的要求,仪表、变送器已经从模拟型、智能型发展到了现场总线型。现场总线作为一种数字式通信网络从控制室一直延伸到生产现场,使过去采用点到点式的模拟量信号传输变为多点一线的串行数字式传输。在现场总线型变送器中,其优越性是显而易见的:全数字传输,稳定性和精确度高于智能型变送器,除了保持智能型变送器优良的测量性能外,还增加了运算和控制功能,内嵌有PID控制、逻辑运算、算术运算、累加等模块,用户通过组态软件对这些功能模块进行任意调用,实现参数的现场控制。

  多变量测量是现场总线型变送器又一特点,即一台变送器可以同时测量多个过程变量。由于每台现场总线型变送器内配有多个感测元件,它就可以同时测量多个过程变量,并通过现场总线传输出去。目前,世界各大仪表生产厂都相继推出了现场总线型变送器,通过认证的变送器已经有60多种。

  综上所述,现场总线型变送器已经不是传统意义上的变送器了,它是一个集变送、控制和通信功能于一身的现场设备。现场总线型变送器的出现,必会给仪表和自动化领域带来新的革命性变革。

  2.2制控制内容的广泛性和控制方式的专业化

  制浆造纸过程是一个连续的过程,自动化控制是根据生产工艺的特点和要求,实现全过程、实时有效的控制,更好地为生产工艺服务,因此,控制内容将进一步扩大,控制系统的控制模式或方法将更加符合或贴近生产实际,更具有独创性和专业性。在控制方式上,应用如自适应、自诊断、最优化等手段,在软件的设计中采用容错等新的先进的技术成果,在增强系统可靠性的同时,结合制浆造纸生产的设备与工艺实际,提高系统控制的实际效果,成为自动控制方面努力的目标。

  按照系统分散控制的概念,生产过程的系统划分会更细、更单元化。随着制浆造纸生产设备的不断进步,单机本体设备的自动化程度会有所提高,控制系统的层次会更加分明,会形成既相互独立,又全系统贯通的自动控制结构。如造纸生产自动控制系统将分为过程控制DCS系统、设备控制MCS系统、质量控制QCS系统、断纸监测WMS系统、纸病监测WIS系统,马达控制中心MCC等,而这些系统又都将被集成在一个更大的网络中。

  麦草湿法备料和蒸煮工段近几年纷纷由间歇蒸煮向连续蒸煮变革。连续蒸煮工段应用DCS系统较为普遍。鉴于连蒸系统的工艺过程是一个高温高压过程,具有一定的危险性,控制系统的发展将首先高度重视系统的安全性和可靠性,除软件的设计中采用容错技术外,CPU双备冗余系统应被考虑;其次,通过销鼓计量器的草片量与加入“T”型管药液的流量的比值控制是蒸煮的关键,运行中比值的控制精度影响着产品的质量,因现采用以销鼓计量器的转速比间接检测草片量的方法,误差较大,有待改进;洗、选、漂工段,除砂器和压力筛的进浆和出浆压力的压力差,应得到有效的控制,以提高除砂和筛选的效果;对于双辊或双网挤浆机,采用双点传动、具有负荷均衡分配的变速控制会得到推广,使得浓缩过程变得容易调整;在漂白部分,对于进入混合器的氧化物漂剂,应实现流量的自动控制;在磨浆部分,无论是单盘磨、双盘磨或锥型磨,采用功率控制磨浆间距的方法是完全成熟的,主要受到进退刀传动机构精度的制约,如采用液压传动系统,将显著改善设备品质。

  国内废纸制浆中,热分散设备才开始应用,从系统上讲热分散生产线对自动控制的要求是较高的,控制的内容有温度、压力、位置间隙等,其控制系统有待于进一步完善。

  由于纸机生产向高产量、高品质的方向发展,对纸浆的配浆及浓度控制的要求不断提高,因此,上浆浓度的调节和控制将越来越普遍地得到应用。造纸过程的多分部传动近年应用变频控制技术效果显著,实现了电动机在长期恒定负载下的连续运行,系统的热稳定状态较为理想。各分部传动点应处于硬速度特性,由于纸页经过加热会出现收缩变化,在压光、卷取部需要一定幅度的软特性,除了加装张力传感器进行动态速度补偿外,在中小纸机上利用矢量型变频器具有的自适应功能块,根据输出转距的变化,通过速度补偿自适应调节,实现间接张力控制应得到推广应用,以减少断头和人工干预。

  但驱动器的动态参数优化功能没有充分发挥出来,在遇到负载扰动时,快速的抑制和调整的时间还不适应,特别在大型高速纸机上,变频器直流侧母线电压过高的情况时有发生,因此,采用公共直流母线作为各逆变器的馈电系统会得到更多的应用。

  纸机过程控制将归类于DCS系统:包括上浆系统、蒸汽冷凝水系统、真空系统、损纸系统和涂料制备系统。纸机设备本体的过程控制内容将统一规划,称为MCS。流浆箱的流速与压力、润滑油的循环、压榨部的线压、网部的摇振和移动喷水、网和毛毯的纠偏、压光机的液压系统、卷取部的气动系统等将在设备本体控制系统的基础上,集中管理。

  MCC马达控制中心将向智能化方向发展,如果条件允许,将摒弃MCC室内放置远程I/O的模式,每个电机控制单元,可看作FCS系统控制下的一个执行器。若采用PROFIBUS P联接,则每个电机就是一个DP站点。

  纸页质量控制系统QCS的应用会更广泛。为能帮助改善质量,提高产量和降低成本,除了纸页定量和水分的测量和控制外,还包括灰分、厚度、白度、光泽度、平滑度、透明度、涂布量等内容的测量和控制。重要的是QCS应与上浆浓度和烘缸温度等相关参数实现真正意义上的闭环自动控制。对于普通纸机,选用纵向质量测量和控制;对于大型或有特殊要求的纸机,还会增加横向质量测量和控制。
  断纸监测系统WMS目前在国内的应用还极少见,即采用摄像技术在纸机容易断纸的地方进行监测记录,断纸发生时,该系统将自动追溯存储在摄像机中的断纸前一定时区所捕捉到的断纸信号和相关纸病信号,图像会与生产同步,使技术人员快速判定断纸区域和断纸原因。纸病监测系统WIS,用于在线检验如斑点、孔洞、皱纹、裂口、条痕等纸病,可与切纸机联接,剔除次品。检验数据也用于质量管理,确定纸病的成因。

  目前制浆造纸企业的生产过程如烘缸表面温度控制、烘箱干燥温度连续控制、压榨辊线压力控制、纸页张力控制等还是采用间接的或手控的方式进行的。这些都有待于推广和应用。

  制浆造纸过程是一个复杂的工业过程,也是一项技术性很强的工作,具有高度不确定性、非线性、关连性、大滞后和状态不完全性。目前,国内造纸行业的自动化水平总的来说还属落后的,我们应从生产过程的优化控制等底层自动化方面开始做起。在系统配置时,应使厂家的有关技术人员充分了解所选的控制系统的硬件、软件及其技术特性;结合工艺设备及其控制要求,应充分考虑管理信息系统的要求,使全厂的控制系统构成一个能够相互通信、相互调阅的生产管理系统。以便使厂部生产指挥部门可更迅速、更全面地掌握全厂生产过程、状态,指挥调整工艺运行参数,及时进行生产调度和优化,为企业的发展服务。相信较短的时间内我国制浆造纸自控及仪表的控制水平会有一个飞跃。
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