徐琳芳，薛鈞義，于詠梅

1  引言
目前，國內(nèi)很多制漿造紙廠還是采用基于簡單機(jī)械設(shè)備的傳統(tǒng)生產(chǎn)加工方式，或者采用集中式控制系統(tǒng)，這些方式只能適用于小型控制任務(wù)，可靠性較低，承受負(fù)荷能力小，數(shù)據(jù)處理慢，生產(chǎn)效率也較低。江門甘蔗化工廠（集團(tuán)）股份有限公司為進(jìn)一步提高生產(chǎn)能力，以滿足市場需要，對紙漿篩洗及紅液提取工段進(jìn)行技改，引進(jìn)國外先進(jìn)的紙漿生產(chǎn)設(shè)備，全套改造生產(chǎn)流水線，并開發(fā)了基于西門子目前最先進(jìn)的“全集成自動化”過程控制系統(tǒng)PCS7的集散控制系統(tǒng)，這是國內(nèi)首次將西門子的過程控制系統(tǒng)PCS7應(yīng)用于甘化行業(yè)中，改造后的系統(tǒng)生產(chǎn)能力從原來的170噸/天提高到255噸/天，提高了技術(shù)水平和勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了能源，降低了消耗，保障了生產(chǎn)的可靠性、安全性。該系統(tǒng)的投入運(yùn)行，不但實(shí)現(xiàn)了紙漿篩選和洗滌兩個基本過程的工業(yè)自動化控制，更重要的是達(dá)到了蒸煮廢液即紅液的高濃提取和回收利用的目的，改變了傳統(tǒng)紙漿加工過程中將紅液作為廢液排棄的狀況，既保證了紙漿的高度潔凈，又使紅液中的化學(xué)藥品與熱能得到綜合利用，變廢為寶，同時解決了制漿廠蒸煮廢液污染環(huán)境的重大問題，該項(xiàng)目成為國家環(huán)保改造項(xiàng)目。
2  工藝簡介
整個制漿工藝流程包括原料貯存、備料、蒸煮、篩選、洗滌和漂白六個基本過程。紅液提取生產(chǎn)線DCS自動化測控系統(tǒng)主要完成兩個環(huán)節(jié)：廢液提取和紙漿篩選洗滌。工藝流程如圖1所示。

 
圖1  紙漿篩洗及紅液提取工藝流程圖

本系統(tǒng)采用的是奧地利ANDRITZ公司的先進(jìn)紙漿篩洗設(shè)備。該設(shè)備具有纖維原料損失少，雜質(zhì)剔除效果好，紙漿洗滌潔凈度高，水、電、汽消耗少的特點(diǎn)。紙漿篩選工段粗篩系統(tǒng)主要由一段除節(jié)機(jī)、二段除節(jié)機(jī)、高濃除砂器等設(shè)備組成，從兩個放漿鍋出來的不同原料的蒸煮漿經(jīng)混和漿池混和后，進(jìn)行粗篩，完全除去樹脂、泥沙、碎石、鐵屑等非纖維性雜質(zhì)和粗纖維束、木節(jié)等粗大纖維性雜質(zhì)，良漿送入精篩系統(tǒng)中的一段壓力篩；尾渣進(jìn)入中濃水力碎漿機(jī)，經(jīng)碎漿后送往它處再利用。紙漿篩選工段精篩系統(tǒng)主要由一段壓力篩、二段壓力篩、三段壓力篩和低濃除砂器等設(shè)備組成，對粗篩得到的良漿進(jìn)行精選，最大效率的除去纖維性雜質(zhì)，良漿送入洗滌工段中的雙網(wǎng)壓濾洗漿機(jī)（TWWP），它是洗滌工段的主要設(shè)備，完成逆流置換洗滌，壓榨脫水的工作，用溫水將紅液從良漿中置換出來，盡量與紙漿分離，以保證紙漿的潔凈，并使紅液保持盡可能高的濃度，以利于回收利用。經(jīng)脫水后的漿層進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，預(yù)稀釋后送入除砂系統(tǒng)。除砂系統(tǒng)包括四級錐形除砂器，進(jìn)一步除去良漿中的細(xì)小泥沙，濃度由高到低，凈化后送至多圓盤濃縮機(jī)進(jìn)行脫水濃縮，再加水稀釋保證濃度達(dá)到漂白工段要求，儲存在貯存漿池，供漂白工段使用。
3  總體控制策略
本制漿廢液治理技改工程DCS測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分散控制，集中監(jiān)控管理的工作模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 
圖2  紙漿篩洗及紅液提取DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)分別由1個AS（自動化系統(tǒng)）控制站，工程師站（兼作操作員站）和操作員站組成。AS控制站以西門子的S7-400可編程控制器作為核心，具有速度快，內(nèi)存容量大，安全可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，下掛6個ET200M遠(yuǎn)程I/O站，采集現(xiàn)場智能儀表數(shù)據(jù)信息，選用專門的有源背板總線，具有帶電熱插拔特性，大大提高了系統(tǒng)的可用性和靈活性。其中一個ET200M遠(yuǎn)程I/O站配有一個通訊處理器CP340，中控室配置有一臺大型模擬控制屏，利用此通訊處理器的RS232串行接口實(shí)現(xiàn)模擬屏與控制器的通訊，提供動態(tài)顯示生產(chǎn)流程實(shí)時信息及故障報警功能。操作員站完成現(xiàn)場監(jiān)測控制與管理，包括用戶管理、工藝流程顯示、控制操作、參數(shù)修改、故障報警顯示、數(shù)據(jù)歸檔及歷史趨勢圖顯示、報表及報警打印。整個系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。AS控制站與工程師站、操作員站之間采用MPI系統(tǒng)總線，工程師站和操作員站配有通訊卡CP5611，提供MPI/DP接口。S7-400控制器與遠(yuǎn)程I/O站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊。整個DCS測控系統(tǒng)又可以通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與公司的企業(yè)管理網(wǎng)連接。
該測控系統(tǒng)采用西門子公司最先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)PCS7作為自動化系統(tǒng)的軟件平臺。具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用模塊化結(jié)構(gòu)，由多級部件組合而成。功能覆蓋分散過程控制級、集中監(jiān)控管理級和通信部分，提供了進(jìn)行集散控制系統(tǒng)配置時的最優(yōu)支持。融入現(xiàn)場總線技術(shù)，將PLC真正融入到DCS中，實(shí)現(xiàn)了集成過程控制。開放性強(qiáng)，具有較高的可擴(kuò)展性和可聯(lián)接性，靈活性大。
因?yàn)樵撓到y(tǒng)是對整個生產(chǎn)線的控制，工藝較為復(fù)雜，控制對象又多，所以控制回路之間聯(lián)鎖關(guān)系復(fù)雜，通過互鎖信號建立之間的關(guān)系。同一類型的被控對象自身完成的基本控制相似，根據(jù)這一特點(diǎn)，采用模塊化的編程思想，編寫PID、電機(jī)、開關(guān)閥標(biāo)準(zhǔn)控制模塊，利用PCS7特有的連續(xù)功能流程圖（CFC）編程環(huán)境，分別在模擬量、電機(jī)、開關(guān)閥控制程序中調(diào)用各功能模塊。CFC編程基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，以功能塊為基礎(chǔ)進(jìn)行程序開發(fā)，功能塊包含在元件庫中，當(dāng)調(diào)用功能塊時，生成含局部數(shù)據(jù)的實(shí)例數(shù)據(jù)塊(Instance Data Block)。
4  幾個關(guān)鍵控制問題的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化
(1)  風(fēng)干漿產(chǎn)量的控制
本系統(tǒng)改用國外先進(jìn)的制漿設(shè)備系統(tǒng)，采用集散控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化控制，目的在于提高紙漿的產(chǎn)量和質(zhì)量，所以產(chǎn)量和質(zhì)量是衡量自動控制效果的一個重要指標(biāo)。要保證雜質(zhì)剔除率高，纖維損失少，生產(chǎn)效率高，各篩洗設(shè)備的進(jìn)漿、出漿和稀釋水流量、濃度都必須按照設(shè)備篩洗效率進(jìn)行嚴(yán)格配比和精確控制。根據(jù)工藝要求，采用比值加多級串聯(lián)控制方法。
本系統(tǒng)產(chǎn)量范圍在0～170噸/天，設(shè)計產(chǎn)量為255噸/天，要使雙網(wǎng)壓濾洗漿機(jī)出來的風(fēng)干漿達(dá)到設(shè)定的產(chǎn)量值，必須保證TWWP的上漿濃度和流量達(dá)到要求值，因?yàn)楫a(chǎn)量由紙漿流量和濃度決定。一段壓力篩段流程示意圖如圖3所示。

 
圖3  一段壓力篩段流程示意圖

生產(chǎn)中首先給定產(chǎn)量的設(shè)定值和上漿濃度的設(shè)定值，為了達(dá)到期望值，必須控制上漿流量。這里根據(jù)產(chǎn)量的設(shè)定值，反算出TWWP進(jìn)口流量，該流量又是一段壓力篩的良漿出口流量，對其的控制又是通過控制一段壓力篩的良漿進(jìn)口流量和稀釋水進(jìn)口流量來實(shí)現(xiàn)的，計算出的TWWP進(jìn)口流量加上一段壓力篩尾漿出口1實(shí)際流量和尾漿出口2實(shí)際流量得到的總流量，按一定的配比關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算作為一段壓力篩良漿進(jìn)口流量和稀釋水進(jìn)口流量的PID控制的外部設(shè)定值（SPR），從而達(dá)到控制產(chǎn)量的目的。
這里，一段壓力篩良漿進(jìn)口流量和稀釋水進(jìn)口流量控制回路采用不完全微分的PID控制算法，其它大部分流量、濃度、液位和壓力模擬量的控制都采用此算法。該算法實(shí)用、有效，加入了慣性環(huán)節(jié)，以克服完全微分的缺點(diǎn)。其傳遞函數(shù)表達(dá)式為：
    (1)
不完全微分的PID位置算式為：
     (2)
其中， ， ，
式(1)、(2)中，u(k)為第k次調(diào)節(jié)器的輸出，e(k)為偏差信號，KP為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，KD為微分增益。在偏差信號送入PID調(diào)節(jié)之前，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，變?yōu)?～100之間的數(shù)，變換公式為：
            (3)
其中，SP為設(shè)定值，PV為過程值（測量值），PVHR為過程值上限，PVLR為過程值下限，可以人為設(shè)定。輸出也為0～100之間的數(shù)，經(jīng)過工程量變換，得到實(shí)際物理意義的值。這里的PID輸出與現(xiàn)場閥門開度的位置一一對應(yīng)。
一段壓力篩良漿進(jìn)口流量控制回路是在滿足一段除節(jié)機(jī)出口水泵和一段壓力篩出口水泵啟動的條件下才開始PID調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)前輸出保持為零。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)此控制回路滿足條件開始工作時，輸出從0開始變化，初始階段閥門調(diào)節(jié)動作大，這樣產(chǎn)生的流量波動大，影響系統(tǒng)的平衡。所以，對此進(jìn)行了優(yōu)化，程序中增加了一個強(qiáng)迫值輸入，作為手動給定輸出，不經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，直接控制閥門開度，在一段除節(jié)機(jī)出口水泵和一段壓力篩出口水泵都啟動后的一小段時間內(nèi)給定閥門開度35％，然后閥門開度再由PID調(diào)節(jié)控制，這樣，PID的輸出初始值由原來的0變?yōu)?5％，在此基礎(chǔ)上開始調(diào)節(jié)，保證在目標(biāo)范圍內(nèi)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，提高了控制精度和速度。在生產(chǎn)過程中，一段除節(jié)機(jī)出口水泵會因?yàn)楣に囈蟮穆?lián)鎖關(guān)系或故障而停機(jī)，此時意味著無良漿向后繼部分送出，后繼部分應(yīng)該做出相應(yīng)的反映。所以增加了聯(lián)鎖關(guān)系，通過在程序中增加手動給定信號來實(shí)現(xiàn)對輸出的直接控制。在一段除節(jié)機(jī)出口水泵停機(jī)的最初一段時間內(nèi)，禁止PID控制，一段壓力篩稀釋水流量控制回路、一段壓力篩尾漿出口1流量控制回路和尾漿出口2流量控制回路的手動給定值作為輸出控制閥門開度，保證后繼部分處理完之前流入的漿；這段時間過后，自動回到PID控制。
(2)  紅液濃度及溫度的控制
紅液提取是該系統(tǒng)主要解決的一個問題，提取出的紅液要達(dá)到一定的溫度和濃度，從而減少后繼紅液蒸發(fā)工段的工作時間，節(jié)約能源，此過程是通過雙網(wǎng)壓濾洗漿機(jī)完成的。先進(jìn)行預(yù)脫水形成漿層，再利用真空吸水原理完成四次逆流置換洗滌過程；然后漿層借著壓力進(jìn)行脫水和吸水式洗滌；最后通過三個線壓區(qū)壓至最高干度，從而得到高的抽提洗滌效率。在逆流置換過程中，用洗滌水置換出紅液，既要盡可能的洗凈紙漿，又要保證提取出的紅液的一定濃度，所加的洗滌水量要嚴(yán)格控制。按照每噸風(fēng)干漿需要多少升洗滌水來計算洗滌水的流量的外部設(shè)定值，進(jìn)行洗滌水流量PID調(diào)節(jié)。提取出的紅液的溫度要控制在60℃左右，所以要用至少60℃的洗滌水作為置換水。
(3)  水力碎漿機(jī)內(nèi)漿濃度的控制
二段除節(jié)機(jī)和三段壓力篩排出的尾渣一般還攜帶了一些粗大纖維性物質(zhì)，可經(jīng)過再處理用于加工粗紙，以節(jié)約資源。尾渣送入水力碎漿機(jī)，加水稀釋，利用水力碎漿機(jī)體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)葉輪攪拌切割，將大而粗的木節(jié)或草節(jié)打碎，為了能讓旋轉(zhuǎn)葉輪達(dá)到最佳的切割效果，水力碎漿機(jī)內(nèi)尾漿的濃度必須控制在合適的大小，既不會使?jié)舛忍笤斐尚D(zhuǎn)葉輪的負(fù)荷加大，無法充分切割，也不會使?jié)舛忍≡斐尚D(zhuǎn)葉輪觸及不到需要切割打碎的粗大物質(zhì)。本系統(tǒng)水力碎漿機(jī)內(nèi)尾漿濃度設(shè)計值為8％，是通過控制尾渣累積時間來實(shí)現(xiàn)的。三段壓力篩排出的尾漿的濃度較大，一般為21％，流入水力碎漿機(jī)尾渣表面分布不均勻，測得的水力碎漿機(jī)內(nèi)尾漿的液位值不準(zhǔn)，所以要打開入水閥加白水稀釋，并且間歇式的運(yùn)行攪拌電機(jī)進(jìn)行均勻攪拌，運(yùn)行時間通過定時器控制；尾渣不斷流入水力碎漿機(jī)，待達(dá)到一定濃度，連續(xù)運(yùn)行攪拌電機(jī)一段時間，進(jìn)行碎漿，隨后打開出口閥排渣，同時打開稀釋水閥加水稀釋，保證出渣口不被堵塞，順利排渣。在調(diào)試過程中根據(jù)實(shí)際情況對一些定時器的計時時間進(jìn)行了整定和優(yōu)化，將尾渣累積時間定時器的計時時間加長，以提高濃度，隨之將攪拌電機(jī)攪拌時間定時器的計時時間和碎漿時間加長，碎漿效果明顯變好，從而排渣堵塞現(xiàn)象也減少了。
(4)  組群的啟停控制
為了保證生產(chǎn)流水線的連續(xù)運(yùn)行和系統(tǒng)的均衡，在正常全線生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線上的設(shè)備必須嚴(yán)格按照一定的順序開機(jī)與關(guān)機(jī)。這里將現(xiàn)場的電機(jī)、泵和開關(guān)閥按工藝特點(diǎn)分組，進(jìn)行群組啟停控制。在整組設(shè)定為自動工作模式時，手動啟動該組運(yùn)行或停止信號，該組內(nèi)設(shè)備按固定的順序自動依次啟或停。為了更加符合工藝和現(xiàn)場的要求，保證生產(chǎn)流水線的通暢，方便操作，保護(hù)設(shè)備，在優(yōu)化過程中程序里增加了組與組之間的聯(lián)鎖關(guān)系，在除砂段組啟動后，脫水濃縮段組自動啟動；在脫水濃縮段組停止后，除砂段組自動停止。這里，利用PCS7特有的順序功能流程圖（SFC）作為群組啟停程序的實(shí)現(xiàn)方法。SFC是將一種圖形編程，順序控制的單元按控制要求放在流程中，只用將注意力集中在轉(zhuǎn)移條件的配置方面，程序結(jié)構(gòu)清楚；同時無需任何額外的編程，生成的SFC流程圖可以在WINCC人機(jī)界面組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控畫面上顯示，供操作員使用和監(jiān)控。
5  結(jié)語
本制漿廢液治理技改工程DCS測控系統(tǒng)2002年10月底成功投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了全線的監(jiān)測及控制。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、紙漿的篩選和洗滌控制效果好，極大地減輕了生產(chǎn)操作的難度和強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)的安全性、管理水平、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。