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1  前言

    為了發展林業、農業，帶動造紙工業發展，并保護生態環境，國家近幾年相繼推出了林紙一體化、退耕還林、發展速生林等戰略措施和政策。在這些措施與政策的推動下，北方很多地區都大面積種植三倍體毛白楊等速生楊樹。這種速生材種生長迅速、材質良好。不但綠化了環境，而且為木材工業，特別是造紙工業提供了大量質優的原材料，延伸產業鏈，發展制漿、造紙業，大大緩解我國長纖維造紙原料不足的狀況。 

    我國速生楊、樺木林等速生材的堿性過氧化氫機械制漿（即APMP）工藝及其成套制漿設備與DCS系統配合。APMP制漿生產工藝及設備是在上世紀八十年代漂白化學熱磨機械漿（BCTMP）基礎上發展起來的九十年代新興制漿方法。APMP漿的原料是三倍體毛白楊采用制漿和漂白流程合二為一的工藝。PRC－APMP技術是近年集藥液處理、磨漿、漂白于一體的高得率制漿方法，利用磨漿機噴放管中高溫、高濃、高壓等條件，實現漿料與藥液的充分反應及均勻分布混合，且在HC高濃儲漿塔中完成漂白作用。它在木片化學藥液浸漬預處理之前用機械的方法將木片沿縱向紋路方向壓裂成為均勻的小木絲，然后再用氫氧化鈉和過氧化氫進行預浸漬處理，在磨漿之前，已開始漂白，在盤磨機中將磨漿和漂白過程綜合在一起完成，因而減少了磨漿時的動力消耗，從而降低了成本。生產流程為：木片經洗滌后，進行常壓汽蒸，然后經壓縮螺旋擠壓木片后，進行第二次汽蒸和二次壓縮螺旋擠壓，然后進行化學預浸漬，經過汽蒸后，再經過一段、兩段磨漿機磨漿，完成漂白、制漿過程，然后經洗滌篩選后制得楊木APMP漂白漿，本制漿系統得率高、污染小、耗水少，成品漿的質量也較高。APMP工藝流程一般工藝流程如圖1所示。

圖1  PRC-APMP工藝基本流程圖

2  工藝概述及控制要求

2.1  工藝概述

    本生產裝置全線為奧地利某公司制造，近年來有遼寧鴨綠江紙業有限公司、岳陽泰格林紙集團、四川宜賓紙業股份有限公司、河南焦作瑞豐紙業有限公司、河南濮陽龍豐紙業、黑龍江齊齊哈爾紙業公司等企業投運此套裝置。從PRC-APMP、APMP兩套裝置工藝流程比較來看，PRC-APMP 85%流程與APMP系統相同，但設備配置數量遠遠少于APMP系統，PRC-APMP系統增強了木片擠壓與預浸效果，取消中間漿池，設置高濃漂白塔，而達到同樣效果。PRC-APMP系統與APMP系統最大區別在于漂液加入點增加，從而提高漿白度，使控制更容易。

(1)  原料輸送車間
    原料輸送車間包括楊木、竹竿原料場、帶式輸送機、水平輸送機、八刀削片機、帶式輸送機、慣性篩、永磁除鐵器、原料儲存倉等工序?；竟に嚵鞒倘鐖D2所示。
 

圖2  PRC-APMP原料輸送基本流程圖

(2)  制漿車間
    在制漿車間，按照功能大致分為六部分：預蒸、洗滌工段、浸漬工段、磨漿工段、HC卸料壓榨工段、濃縮篩選過濾工段、打漿工段。

   預蒸、洗滌工段
    本工段由皮帶輸送機、1#預蒸倉、1#預蒸常壓螺旋擠漿機、木片洗滌機、木片泵、木片脫水螺旋、2#汽蒸倉、弧形篩等設備組成。
    浸漬工段
本工段由側喂料螺旋、木片壓榨機、一次浸漬器、螺旋輸送機、3#汽蒸倉、卸料螺旋、水平螺旋等設備組成。
   磨漿工段
本工段由料塞螺旋、一段磨漿機、帶刮刀旋風分離器、洗滌液冷凝器、空氣洗滌器、濃縮過濾池等設備組成。
   HC卸料、壓榨工段
本工段由料塞螺旋、水平輸送機、HC卸料塔、SF漿泵、真空泵、螺旋壓榨機等設備組成。
   濃縮篩選過濾工段
本工段由水平螺旋輸送機、鼓型濃縮機、一段二段三段壓力篩、多元盤過濾機等設備組成。
   打漿工段
本工段由雙盤磨組等設備組成。

2.2  控制要求與特點

(1)  APMP生產線自動化水平要求
    此生產裝置由于是企業供漿生產線，企業中的重要設備。生產線全流程自動化程度要求非常高，其目的就是充分發揮漿線生產能力，為企業創造更多的效益。由于采用進口設備、企業對自動化技術也不十分了解，一般全部自控設備由設備供貨商提供，企業省心但也花費了大量資金；另一方面，也可采取設備由供貨商提供，自動化控制設備企業自己招標的方式，可使企業節約了大量資金。然而，很長時間來國內所用此裝置的自動化系統即DCS全部采用進口。但實際進口DCS產品在生產線運行效果又是如何呢？有用戶表示：該DCS很先進，出現的問題也很難解決。售后服務跟不上，造成長時間停產，損失嚴重。
    北京和利時系統工程股份有限公司是國內最大DCS生產制造、集成供貨商，對國內某企業APMP生產線使用不足3年的進口DCS系統控制進行全線拆除改造，系統改造運行近一年來，企業產量猛增，收益明顯。

(2)  全流程控制特點：
    ①  全流程由于工藝設備決定漿緩沖池極少，因此設備控制連鎖保護要求較高。工藝參數要求連鎖控制；
    ②  設備動力源采用變頻調速較多，不僅要求速度控制連鎖，還有轉矩控制連鎖，功率負載控制連鎖，工藝控制連鎖等；
    ③  系統設備油路水密封、油溫、油壓、過濾差壓、油流量開關等控制連鎖較多；
    ④  全流程工藝加藥環節較多，加藥不僅流量計量要準確，而且流量與產量、設備負荷等連鎖，保證漿質量；
    ⑤  系統關鍵設備磨漿機，磨漿機油壓控制回路、水封、油溫、油壓、過濾差壓、油流量開關、軸承潤滑、進退刀、震動加速計、位移反饋等控制、連鎖；
    ⑥  壓力篩全閉環控制連鎖，流量比值連鎖控制、壓差自動反沖洗、水封壓力閉環控制、自動清洗控制；
    ⑦  雙盤磨漿機絕干漿、壓差、電流占空比、叩解度軟測量控制。

2.3  工段控制特點

(1)  預蒸洗滌工段主要控制點：

    1#預蒸倉溫度、時間自動控制；
    1#預蒸常壓螺旋送料速度、轉矩控制與2#預蒸倉料位連鎖控制；
    木片洗滌機排渣連鎖控制；
    洗滌水槽溫度、液位控制；
     斜篩自動清洗連鎖控制；
     2#預蒸倉壓力、溫度、流量、時間自動連鎖控制。

(2)  浸漬工段主要控制點：

?  側喂料螺旋、木片壓榨機自動控制：
    ①  速度連鎖控制、轉矩控制實現4 : 1高壓縮比；
    ②  負載電流、負載功率連鎖控制；
    ③  冷卻水壓力自動控制。
?  側喂料螺旋、壓榨機與1#浸漬器加堿量流量連鎖控制；
?  側喂料螺旋、壓榨機與3#汽蒸倉料位連鎖控制；
?  3#汽蒸倉溫度、時間自動控制；
?  側喂料螺旋、壓榨機與2#浸漬器加堿量流量連鎖控制；
?  側喂料螺旋、壓榨機與反應倉料位連鎖控制；
?  反應倉壓力、溫度、流量、時間自動連鎖控制；
?  帶壓螺旋輸送機入口開度液壓油泵壓力、液位檢測與控制；
?  帶壓螺旋輸送機溫度控制、輸送漿料速度連鎖控制。

(3)  磨漿工段主要控制點：

磨漿機控制國內進口產品有兩種配置方式：
    ①  設備本體帶單板機控制系統。
    ②  設備本體帶PLC控制系統。
    磨漿機主要控制點構成，80點（AI－10、AO－3、DI－42、DO－11、RTD－14）；
    磨漿機主要連鎖點構成如表1所示。

 

表1  磨漿機主要連鎖點構成
 

(4)  HC卸料、壓榨工段主要控制點

    料塞螺旋器速度、電流、轉矩、負載連鎖控制。
    料塞螺旋器壓縮空氣壓力連鎖控制。
    HC卸料塔、漿位、溫度等連鎖控制。
    螺旋壓榨機自動控制：
①  速度連鎖控制、轉矩控制；
②  負載電流、負載功率連鎖控制；
③  冷卻水壓力自動控制；
④  壓縮空氣連鎖控制；
⑤  自動清洗控制。
    流程濃度、流量連鎖控制。

(5)  濃縮篩選過濾工段主要控制點

  壓力篩控制：
  良漿出入口壓力差自動反沖洗控制；
  入口漿與渣漿流量比值控制；
  入口漿與良漿流量比值控制；
  渣漿與良漿流量比值控制；
  清洗水比例控制；
  水封壓力檢測控制；
  入口漿流量連鎖控制。
  自動反沖洗控制：
超過下限要自動停車，超過上限要自動報警；

(6)  打漿工段主要控制雙盤磨磨漿機控制：

    對打漿度的控制是打漿機控制的難點，也是打漿機控制的重點。首先，打漿機的磨電機、進/退刀電機均為變頻器控制。當打漿的量為一定值時，也就是說，當打漿的紙漿絕干量為一個常量時，磨電機的電流值與紙漿的打漿度（叩解度）成某一個曲線特性，當打漿度為一個常量時，磨電機的電流值與打漿的紙漿絕干量成一個正比的關系。因此，用紙漿絕干量（紙漿流量、濃度的乘積）乘以磨電機的電流值得出一個變量，然后把這個變量作為紙漿打漿度的一個表征變量，用這個信號來控制打漿機的進/退刀電機。這個控制方案對打漿機的控制能取得比較好的控制效果。
    為穩定漿料叩解度、濕重指標，保證紙張勻度、裂斷長、緊度、光澤度、撕裂度等物理指標的實現。紙漿游離度控制是打漿最重要的環節。一般具有如下特點：

    ①  對漿料流量至磨漿機動力均經過預測以最佳的電力設定值，使空耗時間減少；
    ②  對標定的電流－游離度信號進行輸入處理，具有高度可靠性；
    ③  根據壓差信號對游離度控制進行空耗補償；
    ④  磨漿機電力控制以輸入脈沖，防止空耗的控制輸出；
    ⑤  對不同漿種采用分別標定，DCS按給定漿種號，預測電力設定值進行類別管理；
    ⑥  采用模態開關進行控制，程序自動識別與轉換。

2.4  DCS系統規模

圖3  DCS系統配置圖

表2
 

    整個項目分兩個車間（原料、制漿），其控制測點均為常規測點，即：4~20mA模擬量輸入測點（AI測點），Pt100模擬量輸入測點（Pt100測點），4~20mA模擬量輸出測點（AO測點），干觸點開關量輸入測點（DI測點），繼電器開關量輸出測點（DO測點），事故追憶SOE開關量輸入模塊，具備帶電插拔功能可在系統加電的情況下直接插拔本模塊， 不會影響本模塊及系統的正常運行，模塊可以診斷現場SOE 信號觸點發生的抖動，具有看門狗定時器電路，在異常情況下自動復位模塊提供了過電壓保護DC24V， 反向保護通訊線箝壓保護可以采集16 路觸點型共地的SOE 信號，具有較大的數據采集緩沖區。控制規模如表2所示（產量規模不同下一般1600~2000點）。

3  控制系統的實現

(1)  控制系統的選擇
    利用在造紙行業應用比較成功的集散控制系統對生產過程中電氣、儀表等反映的工藝設備參數進行集中管理。四川某企業經過對國內外控制系統性能、價格、過程服務、工程能力的綜合分析比較，最后決定選用由北京和利時系統工程股份公司生產的新一代現場總線DCS產品―MACS系統。

(2)  控制系統的特點
    MACS系統是基于現場總線技術設計的新一代DCS系統。具有如下特點：

①  危險分散措施

    過程I/O單元采用的智能化設計方法，可有效地將部分控制或采集運算分散到各I/O單元，降低主控單元的負擔，提高可靠性；另一方面，一旦主控制器發生故障，各單元仍能完成基本的輸入輸出功能。如控制輸出的自動保持功能，回路控制的獨立執行等。

②  故障隔離措施

    所有過程輸入輸出單元都采用可靠的光電隔離技術，使各單元之間和單元與上位機之間的CPU無任何電氣聯系，從而提高系統的抗干擾能力、可靠性和安全性。在同一單元的不同通道間及邏輯功能側和現場信號側，也提供了隔離措施，可消除由于現場地電位差對系統造成的損壞。

③  迅速排除故障措施

    現場控制站的所有單元上均帶有CPU，每單元均可進行周期性自診斷。診斷主要包括CPU與內存等的自檢、開關量輸出回讀比較、模擬量輸入通道的正確性比較判斷、模擬量輸出通道的正確性比較等。診斷結果每秒鐘都上傳到上位機的系統狀態圖中顯示。

④  各種運行提示

    系統中所有單元上均有狀態指示燈包括運行燈、故障燈、網絡通信燈等。

⑤  可帶電插拔

    一旦發現故障，可帶電對故障單元進行更換。由于采用了特殊保護措施，系統中所有過程I/O單元均可帶電拔插，對系統的運行不會產生任何影響。

(3)  控制系統的結構

    該項目分為兩個車間，因此把DCS系統也劃分為兩個相互獨立又相互聯系的子系統。磨漿機系統又獨立分為兩個子系統OP270（分別現場開機操作），每個子系統各自成為一個完整的DCS系統，同時，通過MNET網段把四個子系統聯起來，實現數據和資源的共享，通過設置和登錄不同級別的用戶，可以在一個子系統上對其他子系統進行監視和操作。系統結構圖如圖3所示：
    工程師站（由操作員站兼任）完成組態修改及下裝，包括：數據庫、圖形、控制算法、報表的組態，參數配置，操作員站、服務站、現場控制站及過程I/O模塊的配置組態，數據下裝和增量下裝等。
    操作員站進行生產現場的監視和管理，包括：工藝流程圖顯示、報表打印、控制操作、歷史趨勢顯示、報警管理等。
    現場控制站又稱I/O站，是MACS系統實現數據采集和過程控制的重要站點，主要完成數據采集、工程單位變換、控制和聯鎖算法、控制輸出、通過系統網絡將數據和診斷結果傳送到系統服務器等功能。
    現場控制站由主控單元、智能IO單元、電源單元和專用機柜四部分組成，在主控單元和智能IO單元上，分別固化了實時控制軟件和IO單元運行軟件。
    現場控制站內部采用了分布式的結構，與系統網絡相連接的是現場控制站的主控單元，冗余配置。主控單元通過控制網絡（CNET）與各個智能IO單元實現連接。
    MACS系統采用FM1系列I/O模塊及DP主站組成現成控制站，采用PROFIBUS-DP現場總線技術，構成先進的、可靠的DCS分布式控制系統。I/O模塊和底座組成現場模塊單元（FMU），在現場總線控制系統中成為DP從站?，F場控制站主要由I/O模塊、底座、電源模塊、終端匹配器、DP主站接口卡組成。

(4)  MACS系統的網絡結構

    MACS系統的網絡由上到下分為管理網絡、系統網絡和控制網絡三個層次，管理網絡實現工程師站、操作員站、打印服務站、高級計算站與系統服務器的互連，系統網絡實現現場控制站與系統服務器的互連，控制網絡實現現場控制站與過程I/O模塊的通訊。
    MACS系統網絡采用可靠性高的雙冗余結構，應用時可以保證在任何一條網絡失效的情況下都不影響系統通信。系統的網絡的拓撲結構為星型，中央節點為服務器。
    管理網絡(MNET)由100M高速冗余以太網絡構成，用于系統服務器與工程師站、操作站、高級計算站的連接，完成工程師站的數據下裝，操作員站、打印服務站、高級計算站的在線數據通訊。
    系統網絡(SNET)由100M以太網構成，用于系統服務器與現場控制站、通信控制站的連接，完成現場控制站、通訊控制站的數據下裝，服務器與現場控制站、通訊控制站之間的實時數據通訊。
    控制網絡(CNET)由PROFIBUS-DP總線構成，用來實現過程I/O模塊與現場控制站主控單元的通信，完成實時輸入、輸出數據的傳送。PROFIBUS-DP是專門為自動控制系統與在設備級分散I/O之間進行通訊而設計的。既可滿足高速傳輸，又有簡單實用、經濟性強等特點。

4  部分設備的控制

   1#倉液位控制PID閉環控制，手自動切換條件：
    液位小于95%，并且1002M在運行狀態，1#倉液位開關無報警，切換到自動，否則手動并停掉進料電機。
   2#倉液位控制
    采用串級PID回路閉環控制，液位作為副調，螺旋壓榨機的速度作為主調。
    洗滌水液位控制
    PID閉環控制，和清水池控制輸出去控制閥門，手自動轉換條件：洗滌水泵1010M運行則切到自動，沒有運行則關閉閥門。
    喂料器速度控制控制方式
    PID閉環控制，ST206的值和木片壓榨機SIC209的速度相除，取比值顯示為C1，SIC209經比值運算和WR205的輸出轉換（WR）＞2500延時XX秒）控制205M。轉矩WR250的轉換：喂料器功率×9550×95%/（喂料器的速度×68）。轉矩再用PID控制，比值無PID。ST206只有顯示和運算。
    木片壓榨機速度控制
    串級PID控制，SC209作為主調，LIC216作為副調，主調的參數都設為零，主要靠副調來調。副調的輸出幅度在XX%和100%之間。手自動轉換條件：當2002M電機停止時切換到手動。
    反應倉卸料螺旋
    比值控制，喂料器的速度控制輸出乘以系數（在畫面上可改動）作為輸出控制SC237，如果2011M停止運行信號產生送0給2011M的變頻。
    盤磨稀釋水流量控制
    比值和PID控制，比值采用料塞螺旋喂料器的速度乘以系數（手動輸入）作為流量的給定值，來控制流量。切換條件：如果盤磨功率大于設定值，延時后，切換到比例控制方式。
    盤磨功率控制
    把盤磨打漿的功率消耗作為設定值，和轉化的值進行比較，可得出進退刀的邏輯。
    如果負荷小于2MW或沒有喂料信號則轉化到手動，可做自動切換按鈕，在屏幕上，供工程師操作。

5  結語

    該項目于2004年6月份開始安裝，在不影響正常生產情況下順利改造成功，系統運行穩定，控制效果良好，各項工藝指標均正常，產品質量穩定，為企業帶來了極大的經濟效益。