基于DCS的紙機(jī)控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

陳奕樹(shù)

[摘? ? 要]造紙行業(yè)應(yīng)用的自動(dòng)化系統(tǒng)種類繁多，通常會(huì)將各類系統(tǒng)整合到技術(shù)成熟且兼容性高的DCS平臺(tái)上做集中控制，紙機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的系統(tǒng)集成代表。介紹紙機(jī)控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成和各部分子系統(tǒng)的特點(diǎn)，描述了一種以DCS為基礎(chǔ)對(duì)各部分系統(tǒng)進(jìn)行集成的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也對(duì)紙機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

[關(guān)鍵詞]造紙工業(yè);紙機(jī)控制系統(tǒng);DCS;PLC

[中圖分類號(hào)]TS736;TP29 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）07–0–02

Discussion on Integrated Design of Paper Machine Control System Based on DCS

Chen Yi-shu

[Abstract]There are many types of automation systems used in the paper industry， and various systems are usually integrated on a DCS platform with mature technology and high compatibility for centralized control. The paper machine control system is a typical system integration representative. Based on this background， the main composition of the paper machine control system and the characteristics of each part of the subsystem are introduced， and a design scheme for integrating various parts of the system on the basis of DCS is described. At the same time， the development direction of the paper machine control system is also carried out. Explore.

[Keywords]paper industry; paper machine control system; DCS; PLC

現(xiàn)代造紙業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已經(jīng)形成了一個(gè)系統(tǒng)工程。規(guī)?；脑旒垙S一般由漿廠、發(fā)電廠、化工廠和能源回收部等多區(qū)域構(gòu)成。通過(guò)對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行協(xié)調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、減排降耗、提高產(chǎn)品品質(zhì)的目標(biāo)。隨著廠區(qū)規(guī)模擴(kuò)大，通常需要購(gòu)買或升級(jí)大量來(lái)自不同設(shè)備商的工業(yè)設(shè)備，整個(gè)造紙大系統(tǒng)的集成性、可靠性、開(kāi)放性就顯得更為重要。DCS憑借其集中管理和分散控制的特點(diǎn)，在造紙行業(yè)中可謂具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性?，F(xiàn)代大型造紙廠通常以DCS作為操作平臺(tái)，并將其他控制系統(tǒng)信息集成至DCS顯示或參與控制。紙機(jī)控制系統(tǒng)作為造紙流程的關(guān)鍵系統(tǒng)，也是應(yīng)用此類方案的代表。本文介紹一種以ABB第四代DCS為基礎(chǔ)，將紙機(jī)工段多個(gè)子系統(tǒng)整合成大型控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)具有信息高度集成的特點(diǎn)，也便于后續(xù)升級(jí)接入ERP等企業(yè)信息管理系統(tǒng)，是當(dāng)前較為典型的紙機(jī)集成型控制系統(tǒng)。

1 紙機(jī)控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成

（1）DCS（集散式控制系統(tǒng)）。在紙機(jī)系統(tǒng)中，DCS主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程的整體流程控制，其分散采集和高速通訊能力有利于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門、流量計(jì)、烘箱風(fēng)機(jī)等諸多設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。另外現(xiàn)代紙機(jī)產(chǎn)能很高，DCS的冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能有效保障系統(tǒng)的運(yùn)行安全，同時(shí)其高度可擴(kuò)展性也對(duì)后續(xù)實(shí)施技術(shù)改造及兼容新型設(shè)備帶來(lái)便利。

（2）MCS（紙機(jī)控制系統(tǒng)）。MCS是指抄紙機(jī)本體的控制系統(tǒng)，其重點(diǎn)在于快速響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)變量變化并對(duì)紙機(jī)進(jìn)行及時(shí)調(diào)控。MCS的控制對(duì)象主要包括幾個(gè)壓區(qū)的比例閥、擺動(dòng)噴淋水閥、毛毯跑偏開(kāi)關(guān)、切邊水刀、蒸汽箱、液壓油泵等設(shè)備及相關(guān)的壓力、溫度、位置等參數(shù)。

（3）QCS（質(zhì)量控制系統(tǒng)）。QCS是大型紙機(jī)系統(tǒng)中非常重要的部分。它以橫向（Cross Drection）和縱向（Machine Drection）質(zhì)量檢測(cè)方案為基礎(chǔ)，利用掃描架Scanner在線測(cè)量紙張的定量、水分、灰度等參數(shù)，并通過(guò)紙機(jī)自身的閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)控上漿量、稀釋水量、蒸汽用量等，實(shí)現(xiàn)對(duì)紙張的質(zhì)量標(biāo)定生產(chǎn)。

（4）Drive（傳動(dòng)控制系統(tǒng)）。整個(gè)紙幅在紙機(jī)生產(chǎn)中會(huì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)部、壓榨部、烘箱部等多個(gè)工段，在各個(gè)工段紙幅的受熱程度和水分都有所不同，物理特性也會(huì)有差異，所以要用互相協(xié)調(diào)的變速分部傳動(dòng)鏈來(lái)控制紙機(jī)運(yùn)作，避免發(fā)生斷紙異常。另外不同的生產(chǎn)漿料配比和紙種選擇也會(huì)對(duì)車速有對(duì)應(yīng)要求，需要為此進(jìn)行匹配的速度控制。穩(wěn)定精確的傳動(dòng)控制系統(tǒng)可以保證紙幅的平整和受力均勻。

（5）檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)等。目前紙機(jī)的檢測(cè)方案一般是在軸承和齒輪箱等位置安裝振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)振動(dòng)頻率，從而推斷設(shè)備的機(jī)械磨損程度并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。監(jiān)控方案主要是在重要工段位安裝高清高速攝像機(jī)，對(duì)關(guān)鍵部位的紙幅變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，以及在發(fā)生斷紙異常時(shí)通過(guò)查看監(jiān)控錄像分析斷紙?jiān)颉?/p>

2 紙機(jī)控制系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)

2.1 以DCS作為集成平臺(tái)

DCS平臺(tái)采用ABB IndustrialIT系統(tǒng)構(gòu)建，該系統(tǒng)涵蓋了ABB公司專門為造紙自動(dòng)化開(kāi)發(fā)的各類方案，使用起來(lái)相當(dāng)便捷。在硬件方面，包括系統(tǒng)服務(wù)器、盤柜主電源、電源管理模塊、控制器、通訊模塊在內(nèi)的各類設(shè)備，均采用冗余設(shè)計(jì)方案，確保制程穩(wěn)定運(yùn)行?？刂破餍吞?hào)為AC800M PM864，主頻可達(dá)96MHz，能根據(jù)不同通訊協(xié)議需求接入不同型號(hào)的通訊卡。附加使用BC810模塊還能實(shí)現(xiàn)冗余CPU的可在線更換功能，利于后續(xù)維保工作的進(jìn)行。在程序方面，ABB DCS支持多種編程語(yǔ)言。實(shí)際使用中以FBD語(yǔ)言為主，其調(diào)用模塊簡(jiǎn)單高效，復(fù)用性強(qiáng)，便于快速編程和查詢聯(lián)鎖。實(shí)例中將程序根據(jù)工段劃分為篩選、上漿、紙機(jī)控制、輔助系統(tǒng)等多個(gè)部分，分別寫(xiě)入多個(gè)控制器分?jǐn)傔\(yùn)行負(fù)載，不同控制器間使用MMS協(xié)議進(jìn)行通訊。與紙機(jī)相關(guān)的MCS、QCS、傳動(dòng)系統(tǒng)等程序則集中于紙機(jī)段控制器，這樣變量調(diào)用更為方便。在通信方面，DCS主要使用PROFIBUS-DP協(xié)議，PROFIBUS-DP非常適用于現(xiàn)場(chǎng)分布式設(shè)備通訊，并且因?yàn)镸CS在建設(shè)時(shí)也使用PROFIBUS-DP通訊，統(tǒng)一通訊協(xié)議將便于進(jìn)行系統(tǒng)整合。

2.2 與MCS進(jìn)行集成

MCS使用西門子PLC構(gòu)建，具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。主站采用西門子400系列冗余CPU和通訊模塊CP443-5搭建，因與DCS均采用標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS通訊協(xié)議，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為在DCS通訊卡CI854和PLC通訊卡CP443-5間使用DP/DP Coupler模塊相連。DP-DP模塊可用于波特率不同的兩個(gè)網(wǎng)段通訊，且通訊區(qū)支持高達(dá)244字節(jié)的輸入和輸出。通過(guò)使用ABB CBM軟件和西門子STEP7軟件組態(tài)對(duì)應(yīng)DP-DP模塊地址和輸出位，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。對(duì)應(yīng)組態(tài)配置如圖1所示。DP-DP模塊通訊的數(shù)據(jù)包括了MCS現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備測(cè)量的模擬量和開(kāi)關(guān)量，以及MCS中聯(lián)鎖輸出的開(kāi)關(guān)量。實(shí)例中MCS的程序編寫(xiě)也以FBD編程語(yǔ)言為主，因此以MCS程序作為參考，使用這些數(shù)據(jù)在ABB DCS程序中調(diào)用對(duì)應(yīng)的FBD模塊進(jìn)行復(fù)寫(xiě)，便能在DCS中重新構(gòu)造操作畫(huà)面和設(shè)定實(shí)時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)在DCS就能對(duì)MCS所涵蓋設(shè)備進(jìn)行集中控制的功能。

2.3 與QCS進(jìn)行集成

QCS采用的是HONEYWELL4000系列掃描架及對(duì)應(yīng)的達(dá)芬奇質(zhì)量控制系統(tǒng)軟件。以組RAID硬盤的HP工作站作為服務(wù)器，通過(guò)兩個(gè)交換機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏、掃描架控制器、稀釋水閥頭箱控制器等設(shè)備連接通訊。QCS與DCS間通訊使用的是OPC通訊方案，OPC是一種采用了典型Client-Server結(jié)構(gòu)模式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的數(shù)據(jù)存取規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。其目的是解決不同廠商設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件間因通信協(xié)議不同等原因?qū)е碌耐ㄐ耪系K。利用建立OPC服務(wù)器的方法可將QCS采集的如水分、基重、掃描頭工況、歷史曲線等數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸BB OPC網(wǎng)絡(luò)，再?gòu)腛PC網(wǎng)絡(luò)抓取數(shù)據(jù)到CN控制網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)QCS與DCS的融合。

2.4 與Drive進(jìn)行集成

傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)例中也采用西門子PLC進(jìn)行構(gòu)建，但因控制器安裝在傳動(dòng)MCC室，與DCS主控制室距離較遠(yuǎn)，不適合直接用PROFIBUS線接DP/DP Coupler模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，否則通訊質(zhì)量將受到影響。兩主站間的通訊在此方案基礎(chǔ)上擴(kuò)展為采用光電轉(zhuǎn)換器作中繼及光纖傳輸數(shù)據(jù)是較為合適的選擇。實(shí)例中采用的中繼設(shè)備是赫斯曼G11光電轉(zhuǎn)換器OZD，該轉(zhuǎn)換器具備標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)ST光口和一個(gè)PROFIBUS接口。將光電轉(zhuǎn)換器配合DCS冗余系統(tǒng)組成光纖環(huán)形網(wǎng)，能進(jìn)一步確保通訊的穩(wěn)定性。

3 發(fā)展方向

隨著自動(dòng)化技術(shù)變革和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，以上以DCS為基礎(chǔ)的集成型紙機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)也在得到進(jìn)一步發(fā)展。

（1）向上可融合MES、ERP共同構(gòu)建CIPS體系，即流程工業(yè)的計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)。CIPS旨在利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將整個(gè)企業(yè)主要信息進(jìn)行集成，對(duì)過(guò)程控制、生產(chǎn)優(yōu)化和資源整合等多方面進(jìn)行綜合性管理。傳統(tǒng)紙機(jī)主要使用PID算法作為控制，但相對(duì)過(guò)長(zhǎng)的產(chǎn)線通常會(huì)面臨控制非線性、時(shí)滯性等問(wèn)題。CIPS的自動(dòng)化層涵蓋了先進(jìn)控制技術(shù)、儀表軟測(cè)量技術(shù)等，是當(dāng)前造紙業(yè)發(fā)展的必要趨勢(shì)。把紙機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)OPC接入含APC算法的信息處理系統(tǒng)，再將先進(jìn)算法的結(jié)果反饋回控制網(wǎng)絡(luò)，就能更加精確地對(duì)紙機(jī)進(jìn)行控制。CIPS也是工業(yè)4.0的框架基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上還能與先進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、云計(jì)算等進(jìn)一步融合，將經(jīng)營(yíng)決策管理、物料調(diào)度、生產(chǎn)控制等過(guò)程全線打通，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理的優(yōu)化。

（2）向下可結(jié)合FCS技術(shù)構(gòu)建具備更高開(kāi)放性和分散性的控制系統(tǒng)。FCS即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是采用了總線型的技術(shù)結(jié)構(gòu)以及使用數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)備。采用FCS的紙機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠支持更多不同類型的設(shè)備，并將信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，省去了大部分的I/O采集部件。雙向數(shù)字通信也具有互操作性更高，維護(hù)性更好等優(yōu)點(diǎn)。雖然一直以來(lái)都有成熟的FCS技術(shù)會(huì)取代DCS的觀點(diǎn)，但DCS經(jīng)過(guò)多年發(fā)展其功能也更加完善和先進(jìn)。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)客觀條件和經(jīng)濟(jì)原則，采用DCS結(jié)合FCS進(jìn)行建設(shè)或改造將會(huì)是今后更為主流和實(shí)用的做法。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，介紹了一種紙機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，為各從業(yè)者提供參考。目前該套系統(tǒng)在公司運(yùn)行穩(wěn)定，也能滿足當(dāng)前大批量的生產(chǎn)需求?？梢钥吹结槍?duì)不同的自動(dòng)化子系統(tǒng)通常需要根據(jù)實(shí)際情況采用不同的數(shù)據(jù)通訊方案，雖然說(shuō)當(dāng)下利用OPC技術(shù)可以破除自動(dòng)化通訊壁壘，但如果只用OPC通訊的方法對(duì)服務(wù)器也會(huì)有更高要求，還可能面臨安全配置復(fù)雜帶來(lái)的時(shí)間延遲、數(shù)據(jù)干擾等隱患。因此，加快構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)仍然是當(dāng)今業(yè)界的主流訴求。

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