基于ProfiBus现场总线的碱回收车间DCS方案设计

0 引言

　　造纸工业的污染是世界上工业污染的主要来源之一，其中制浆造纸行业的污染负荷80%以上来自制浆黑液。若黑液不能得到有效治理，不仅严重污染了环境，而且造成了大量资源的浪费。碱回收是目前治理黑液最为有效和成熟的一种手段，它不仅能有效的回收黑液中的碱，而且利用黑液燃烧产生的热量生产蒸汽，而蒸汽和碱又可回用于造纸行业其它生产工序。因此碱回收系统是解决制浆企业黑液污染和资源循环利用的不可缺少的部分，具有很好的环保和经济效益。可见碱回收在制浆造纸行业具有十分重要的地位和意义。[1]

　　碱回收车间一般分为蒸发、燃烧和苛化三个工段。新型碱回收系统被列为造纸工业若干重要前沿问题之一。

　　现场总线技术是目前正在兴起的一种全新的控制技术。目前比较流行的现场总线技术主要有: Profibus、基金会现场总线FF 等。Profibus 是一种国际的、开放的、不依赖于生产厂商的总线标准。它由互相兼容的3 部分组成: ①ProfibusS2DP ; 主站和从站之间采用轮换查询的方式通讯, 用于设备级控制系统和分散式I/ O 的通讯; ②Profibus2PA , 电源和通讯数据通过总线并行传输, 可使得传感器和执行机构通过一根总线相连接, 主要用于单元级和现场级通讯; ③Profibus2FMS , 用于车间级监控网络, 是一个令牌结构、实时多主站网络。

　　本文简要介绍了作者在河南某造纸厂碱回收工段采用ProfiBus现场总线实施的计算机集散控制的控制方案。

1 工艺流程及控制策略

　　蒸发工段的主要设备是蒸发器，蒸发器串联组成蒸发站。本设计中所控制的蒸发站是典型的五体五效蒸发系统，除了蒸发器的相关控制外，还有一些辅助的蒸发设备，如板式降膜蒸发器、温水槽、黑液槽罐、冷凝水闪蒸罐、液位罐等。系统控制的目标是保持出效浓黑液浓度的稳定、总有效温差的稳定和冷凝水罐液位的稳定。一般可分为蒸汽子系统、黑液子系统和冷凝水系统。本工段的主要控制目标是保证出效黑液的浓度、稳定总有效温度差和冷凝水系统的稳定。本工段设立包括各效蒸汽压力和真空度在内的压力测量环节11个，包括各效蒸发器黑液液位、冷凝水闪蒸罐和液位罐及黑液存放槽罐在内的液位测量环节17个，包括蒸汽、黑液温度在内的温度测量环节18个，包括蒸汽、黑液、清水在内的流量测量环节8个。

　　燃烧工段是利用烟气和余热进一步把蒸发工段带来的浓黑液浓缩到65 %～70%的浓度以供燃烧。它的主要设备是碱回收喷射锅炉，其运行情况的好坏决定了整个工段的生产效率。其作用一方面是回收黑液中大量有机质（脱木素）的有效热值，以产生蒸汽供全厂发电或造纸干燥之用;另一方面回收黑液中的无机碱盐。本工段还包括其他一些配套设备，如空气加热器、圆盘蒸发器、静电除尘器等。一般可分为黑液子系统、供风子系统、给水及蒸汽子系统和绿液子系统。在燃烧过程中，各系统三者互有关联，在这里，首先要确定的是燃料/空气的比率，适当的比率可获得最好的锅炉的效率，在本系统中，入炉黑液及空气都有计量，因此在调试过程中，经过一段时间，就可得到合适的比例关系。引风量根据炉膛负压进行调节，在上述其他二个参数变更时，引风量也必须作出反应，进行相应的调节。在本系统中，送风、引风都采用了变频器，可以作精细的调节。本工段设置压力测量环节17个、液位测量环节11个、温度测量环节21个、流量测量环节8个。

　　苛化工段的主要设备是石灰消化提渣机和苛化器。辅助设备有白液澄清器、乳液澄清器、白泥洗剂器、真空过滤机、预挂过滤机等。本工段主要控制好绿液的浓度、流量和石灰加入量的配比以及苛化反应的时间和温度。本工段设置压力测量环节1个、液位测量环节10个、温度测量环节12个、流量测量环节3个。

2 系统硬件设计

　　整个控制系统的框架由分布式过程控制装置、操作管理单元和通信系统三部分组成。其结构如图1所示。

　　（1） 分布式过程控制装置

　　核心部分采用西门子S7-300/400系列模块，包括CPU414-2DP、CPU315-2DP，电源PS407、PS307，通讯模块CP443-1、CP343-1，ET200M，SM331，SM332，SM321，SM322模块等。SM31模块主要完成温度、压力、流量、液位以及系统中其他模拟量的数据采集。SM332模块主要完成执行机构的模拟驱动信号输出。SM321模块主要完成系统中数字量输入信号（如电机的状态反馈、切断阀阀位反馈等）的采集;SM322模块主要完成系统中数字量信号的输出（如电机的启停、电动阀的开关驱动信号等）。具体模块配置见表1。

　　表1 西门子模块配置表

　　（2） 操作管理单元

　　工程师站由一台DELL笔记本构成，编程平台采用西门子Step7 V5.3，主要完成数据采集、回路控制、连锁控制、流量累计等的编程工作。

　　操作员站由5台DELL工业控制计算机组成，其中蒸发工段和燃烧工段各分配2台，苛化工段一台。5台计算机互为冗余，均可与三个CPU进行数据交换，在每台电脑上都可实时监控整个碱回收各个工段的生产状况，避免了各工段之间数据不能交换与显示的盲区。组态软件采用西门子WinCC V6.0 SP1。

　　系统主要包括以下的功能画面：

　　控制主画面。控制主画面按照流程的顺序显示各个控制环节的检测值和设备的运行状态。同时为每个控制回路设计了一个弹出式的控制面板，用户在主画面中点击相应的控制环节就可弹出该控制回路的控制面板，操作员利用该面板进行现场的控制，包括设定值的改变，手动操作等。

　　历史曲线显示。系统对主要控制量都进行了历史曲线的显示，包括液位，流量，温度，压力等。

　　报警画面。对于系统中出现的故障，系统会出现相应的报警信息。故障信息包括系统的硬件故障和软件故障，硬件故障包括计算机同PLC间的通讯故障，电机无法启动、DCS系统中的信号模块故障等，软件故障是由用户定义的故障，包括检测值超限，调节时间过长等。

　　参数集中显示画面。该画面根据用户的需要，以表格的形式集中显示了重要的过程数据，便于用户迅速地了解现场的运行情况。

　　参数设置画面。该画面只在工程师中设置，需要输入口令方可进入。主要用于修改PID控制参数等重要参数。

　　报表打印画面：该画面提供了按班别累计生产流量并可随时打印。

　　（3）通信系统

　　CPU414-2DP和CPU317各有两个网络通讯口，一个MPI/DP集成通讯口，一个DP专用通讯口。各工段CPU与各自的EM200M从站通过ProfiBus现场总线连接，接口为DP专用通讯口，通讯速率设为1.5Mbps。过程控制级与操作管理级之间也通过ProfiBus现场总线连接，接口为MPI/DP集成通讯口，组态为ProfiBus-DP通讯，通讯速率为1.5Mbps。每个CPU和ET200M从站都设立ProfiBus-DP站地址，注意每个都必须分配独立的站地址，相互之间不能重复。每个操作管理站配备CP5611通讯卡，组态为ProfiBus-DP通讯，通讯速率为1.5Mbps，分配独立的站地址。各工段的ProfiBus网络和操作管理级之间的ProfiBus网络属于同一个网络，但属于不同的网段，因此工段内总线通讯问题不会影响其他工段的正常运行。通讯速率远高于MPI（多点接口）网络，利于数据的实时显示。网络通讯线采用西门子专用DP线，保证了系统的通讯速率和通讯距离。

　　除了上述主体硬件框架外，系统硬件部分还包括给每个工段子系统供电的稳压电源和UPS，蒸发工段和燃烧工段均采用6KVA稳压电源和6KVA/30min（有效负荷/有效供电时间）UPS，苛化工段采用3KVA稳压电源和3KVA/30min UPS。对于电机的状态反馈等数字量输入信号，采用光电隔离器实现了现场信号与控制柜内信号的隔离，避免了现场异常干扰电压影响西门子模块的工作。对于普通数字量输出信号，采用欧姆龙中间隔离器进行隔离;而对于电动阀开关的控制信号则采用零压型（Z）SSR（固态继电器）进行了隔离，消除了由于频繁动作所引起的信号振荡。[3]

3 系统软件设计

　　针对碱回收工艺流程的特点，为每个工段编制采样、滤波、PID控制、标度变换、报警、累计等子程序，由于结构化编程的方法具有程序结构层次清晰、部分程序通用化、标准化、易修改、简化程序调试的优点，所以这里我们采用该方法编制控制程序。

　　下面对控制系统程序的各个基础功能块进行说明，通过在OB1、OB32、OB33、OB34、OB35（控制周期不同）等组织块中调用这些基础功能块就构成了系统的控制程序。

　　1）采样子程序：将模拟量输入读回并顺序存入数据块。其中模入模块的起始地址，通道数，存储数据块的块号以及数据在数据块中的存储位置是可变的，可在调用时确定。

　　2）滤波子程序：采样部分对每个通道连续采样8次，顺序存放在数据块中。对8次采样值进行求平均操作。在调用时需要指定数据块号、数据存放首地址、相邻两次采样值在数据块中的间隔。

　　3）PID控制程序：STEP7的程序库中有通用的PID控制子程序，每一个子程序调用时必须为其指定一个背景数据块，在被调用时，向逻辑块传递参数值，在调用结束时，用来保存逻辑块输出的结果数据。

　　4）标度变换：模拟量输入经过A/D转换后，其数字化结果的标称变化范围为0-27648，而操作人员在进行设定给定值时，为了直观，使用的是具体的数值，或者用百分比来表示。PID的采样值有两种形式:Word类型或Float类型，Word类型范围为0-27648，但不直观。因此，为了使给定值与测量值能够做比较，就应该使测量值与设定值的标度一致，那么就需要进行标度变换。两种标度的数值是一一对应的。

　　5）报警子程序：对模拟量进行超上限或超下限判断，若有则置位超限标志，为防止超限标志输出抖动，设置判断死区。

　　6）流量累计子程序：为了考核各班效益，通常对重要流量（如进工段黑液流量等）要进行累计。对流量采样信号进行时间积算，按照班别分别计入早班、中班、晚班，并累计当日总和、昨日总和及本月总和。

　　7）电机控制：对电机的起停控制，是系统最基本的控制应用。当准备信号就位时，可对电机直接进行启停操作;当准备信号不到时，自动停止电机。电机电流过大时，电机报警。

　　每个工段根据本工段的实际情况，在调用子程序时赋予不同的参数值。对于燃烧工段上汽包液位的控制不能采用简单的PID控制，一般采用三冲量控制。其中液位作为主冲量送调节器，而蒸汽和给水流量信号作为辅助冲量。当锅炉系统处于物料平衡时，液位稳定，由于给水流量和蒸汽流量信号大小相等，引入加减器的正负号相反，而互相抵消，因此调节系统的控制信号没有变化。当其中一个辅助冲量突然变化（例如蒸汽用量增加）、则破坏了物料平衡，这二个符号相反的辅助冲量差值作用于调节系统及时改变控制信号，增加给水量、使锅炉系统物料重新恢复平衡，可见，三冲量调节系统，能在来自蒸汽流量或给水流量的波动干扰还未影响到汽包液位时，就得到了克服，从而减小了液位的大幅度波动，因而减小了液位的“虚假现象”。锅炉给水阀门要用气闭式阀门，这时积分调节器置于正（+）作用，液位信号为正（+），蒸汽流量信号为负（-），给水流量信号为正（+）。

　　每个工段按照工艺要求还设定有一定的连锁子程序。蒸发工段的蒸汽压力调节与I效黑液循环泵连锁。当I效黑液循环泵的运行反馈信号没有时，自动将蒸汽压力调节打为手动状态并关闭蒸汽阀门。燃烧工段的上汽包液位是整个系统的关键，它与给水泵，一、二、三次风机和引风机构成连锁。当汽包液位超高限时，自动停止给水泵并报警;当汽包液位超低限时，自动关闭引风机、三次风机、二次风机和一次风机。

4 结语

　　该系统是陕西科技大学微机应用研究所为河南某造纸厂的碱回收车间而设计的。它的特点是：

　　（1） 更新、扩充了DCS 的功能。传统的DCS 中加入了现场总线, 不但保持了DCS 的稳定性, 且引入了现场总线的灵活性; 同时可减少硬件数量, 安装、维护的工作量随之减少。

　　（2） 提高了系统的灵敏性、精确性。与此现场总线有关的信号, 无需再像传统的DCS 在发送与接收过程中通过数模/ 模数反复转换, 而是直接进行CPU间的通讯, 从而提高了信号采集的品质和系统的控制质量。

　　（3） 降低了DCS 的负荷, 提高了系统的控制品质。由于一部分调节任务分配到现场智能仪表或者执行机构的CPU 上去实现, DCS 中相关自动处理单元中的CPU 的负载得到降低, 相关设备的调节品质得到提高。

　　（4） 由于现场总线具有自诊断和简单的故障处理能力, 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室, 用户可以查询总线设备的运行状态与诊断维护信息。

　　本系统成本较低，简单易用，可靠性高，通讯能力强，有很强的模拟量运算能力和数字逻辑处理功能。实现了对蒸发、燃烧、苛化生产过程控制的联网监控。目前该系统运行稳定，系统中的算法有效可行，达到了令人满意的控制效果，创造了较好的经济价值。