管式連續(xù)蒸煮制漿生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的開發(fā)

1 引言
連續(xù)蒸煮是目前一項(xiàng)較先進(jìn)的制漿技術(shù)，管式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)的連續(xù)化、規(guī)模化生產(chǎn)，提高成漿的均勻性，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)蒸氣和動(dòng)力消耗均衡，正逐步替代立鍋、蒸球等間歇蒸煮的制漿生產(chǎn)方式。由于整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)是一個(gè)連續(xù)的過程，具有高溫、高壓等工作環(huán)境，人很難接近生產(chǎn)設(shè)備，再用以往簡(jiǎn)單的人工操作方式很難實(shí)現(xiàn)，因此必須配備先進(jìn)可靠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2 工藝過程及控制要求
管式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)主要由濕法備料系統(tǒng)、連續(xù)蒸煮系統(tǒng)及洗滌水回用系統(tǒng)組成。根據(jù)不同原料(麥草、蘆葦、竹片等)及產(chǎn)量，可配套不同規(guī)格的主、副設(shè)備。
2.1 濕法備料系統(tǒng)的控制
經(jīng)干法備料初步凈化的原料片經(jīng)輸送皮帶送入料倉。通過料倉的出料機(jī)構(gòu)，原料片從料倉出來，經(jīng)皮帶輸送機(jī)、鼓式洗滌機(jī)送往濕法凈化裝置——水力洗滌機(jī)。在皮帶輸送機(jī)上方配有皮帶秤和電磁除鐵裝置，使麥草初次計(jì)量和除去夾雜在其中的金屬物。經(jīng)洗滌后的原料片用泵送入斜螺旋脫水機(jī)，夾雜在原料片中的較小雜質(zhì)和水分經(jīng)篩鼓被除去，滿足蒸煮系統(tǒng)螺旋喂料器的要求。其主要控制設(shè)備有：輸送皮帶、水平輸送裝置、傾斜提升裝置、草片泵的速度，水力洗滌機(jī)的排渣，螺旋脫水機(jī)的脫水排渣，水力洗滌機(jī)進(jìn)水量，水力洗滌機(jī)、循環(huán)水槽的液位，皮帶秤的計(jì)量，電磁除鐵器的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
2.2 連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的控制
經(jīng)凈化的原料片進(jìn)入連續(xù)蒸煮系統(tǒng)。大部分原料片通過進(jìn)料螺旋進(jìn)入銷鼓計(jì)量器，多余部分原料片從另一出口送出進(jìn)入溜槽送回到水力洗滌機(jī)。銷鼓計(jì)量器決定了連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的處理量，也是確定蒸煮藥液溫度、壓力、時(shí)間等參數(shù)的依據(jù)。經(jīng)銷鼓計(jì)量器計(jì)量后的原料片進(jìn)入預(yù)熱預(yù)蒸螺旋，料片經(jīng)低壓蒸氣升溫軟化，并排除料片中的部分空氣，以利于化學(xué)藥品的浸入。其主要控制對(duì)象有：銷鼓計(jì)量器的速度；預(yù)熱預(yù)蒸螺旋內(nèi)多點(diǎn)溫度和加熱蒸氣的壓力；預(yù)蒸螺旋的轉(zhuǎn)速。
原料片隨后進(jìn)入系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備——螺旋喂料器。螺旋喂料器的主要作用：一是將料片推入T形管；二是使料片壓縮，在出口處形成緊密的料塞，從而封住蒸煮管內(nèi)的高壓蒸氣、防止物料反噴。料塞的形成與推進(jìn)是螺旋喂料器的關(guān)鍵技術(shù)。為防止在料塞不緊密或操作不正常時(shí)，蒸煮管中的蒸氣與藥液穿過喂料器反噴，在喂料器與T型管之間設(shè)有氣動(dòng)止逆閥。其主要控制對(duì)象有：對(duì)止逆閥啟閉進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)控制；蒸氣溫度、壓力的控制；止逆閥氣動(dòng)壓力的控制及其壓力的監(jiān)控報(bào)警。
原料料塞離開料塞管后進(jìn)入T形管，馬上膨脹并與加入T型管的藥液及高壓蒸氣接觸，開始吸收蒸煮藥液和高壓蒸氣，開始蒸煮。蒸煮藥液的流量根據(jù)產(chǎn)品的不同，與銷鼓計(jì)量器的速度有著密切的關(guān)系。主要控制對(duì)象有：藥液的流量；銷鼓計(jì)量器的速度與藥液流量的比值(俗稱比值通)；蒸氣壓力、溫度的多點(diǎn)檢測(cè)和梯度場(chǎng)的控制。
原料片經(jīng)吸收蒸煮藥液后，進(jìn)入蒸煮管，在飽和蒸氣作用下，蒸煮藥液與木素反應(yīng)，脫去木素。蒸煮管的數(shù)量按設(shè)計(jì)工藝要求確定，各蒸煮管內(nèi)的螺旋有一定的速度比要求。蒸煮完成后的漿料從蒸煮管末端進(jìn)入中間管，中間管與立式卸料器連接，由立式卸料器將漿料送入噴放鍋。其主要控制對(duì)象為：蒸煮管內(nèi)螺旋的轉(zhuǎn)速；各蒸煮管內(nèi)螺旋的速度鏈控制；各蒸煮管內(nèi)的溫度、壓力；立式卸料器的液位、溫度；黑液流量；噴放鍋的液位指示；出噴放鍋的流量、濃度；稀釋漿料的黑液流量。
經(jīng)噴放閥噴出的漿料通過噴放管進(jìn)入噴放鍋儲(chǔ)存，然后輸送至下一工段。
另外，進(jìn)入連蒸車間后飽和蒸氣和清水的流量自動(dòng)積算及壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，壓縮空氣的自動(dòng)調(diào)節(jié)，堿液、白液和黑液的流量計(jì)量及中間槽罐的自動(dòng)檢測(cè)控制，蒸煮藥液的制備及自動(dòng)配料，黑液換熱控制，堿液加熱控制，熱水槽罐的控制等都是自控系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容。濕法備料系統(tǒng)和連續(xù)蒸煮系統(tǒng)中所有傳動(dòng)電機(jī)應(yīng)均具備互鎖功能，其連鎖關(guān)系可按需要投入和解鎖，關(guān)鍵部位可按工藝要求設(shè)置多套連鎖方案，且任意設(shè)備均可在非正常情況下撤除自動(dòng)控制方式，改由手動(dòng)方式控制。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)連續(xù)蒸煮的實(shí)際要求，在選定方案時(shí)，要著重考慮控制系統(tǒng)的可靠性、安全性、先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性等方面的問題。我們選擇了目前常用的DCS控制方式，應(yīng)用PROFIBUS-DP通訊協(xié)議，組成現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為：生產(chǎn)管理級(jí)、自動(dòng)控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。生產(chǎn)管理級(jí)利用開放的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)控制級(jí)的信息采集、系統(tǒng)通訊、對(duì)自動(dòng)控制級(jí)發(fā)出指令；自動(dòng)控制級(jí)(即中心控制級(jí))以開放的現(xiàn)場(chǎng)總線與若干分布式I/O現(xiàn)場(chǎng)控制站，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，接收現(xiàn)場(chǎng)傳感檢測(cè)信號(hào)，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。
操作系統(tǒng) MicrosofWindows2000中文版 監(jiān)控軟件 WinCCV5.1
組態(tài)軟件 SIMATICSTEP75.1 實(shí)時(shí)控制網(wǎng) PROFIBUS-DP9.6Kbps～12Mbps
該系統(tǒng)具有通用性，系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，控制功能完備，顯示操作集中，人機(jī)界面友好，運(yùn)行安全可靠，對(duì)于提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率具有特別重要的意義。
DCS控制系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上講就是將采集和控制分散在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，而將操作和監(jiān)視功能集中在一個(gè)或多個(gè)操作站。它從硬件上采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化產(chǎn)品，并具有熱插拔功能，維護(hù)方便。系統(tǒng)上各工作站通過網(wǎng)絡(luò)接口相聯(lián)接，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)可使系統(tǒng)資源實(shí)現(xiàn)共享。通訊總線的應(yīng)用使原先復(fù)雜繁瑣的接線工作變得簡(jiǎn)單了許多，也節(jié)省了大量的接線材料。
控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是生產(chǎn)中的各種參數(shù)。這些參數(shù)通過不同的變送器、傳動(dòng)裝置等，最終以模擬量、數(shù)字量2大類信號(hào)送到就近的站點(diǎn)。各站點(diǎn)又以數(shù)字方式，經(jīng)遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)控制總線PROFIBUS-DP方式，以9.6K～12M的波特率，將相關(guān)的信息送到自動(dòng)控制主站可編程控制器PLC。主站可編程控制器PLC將相關(guān)的信息按工藝要求和連鎖關(guān)系，進(jìn)行邏輯或數(shù)學(xué)運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理后再經(jīng)過各站點(diǎn)送到各執(zhí)行機(jī)械或顯示終端。
在制漿過程中，因其控制點(diǎn)多而復(fù)雜，PLC主站采用大型控制器組成自動(dòng)化中心控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)容易擴(kuò)展和具備各種網(wǎng)絡(luò)通訊能力；采用分布式結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程智能化接口提供了各種電壓和保護(hù)等級(jí)的數(shù)字、模擬I/O單元，可以集中放置，也可以分散安裝在現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O站中。
采用變頻器完成制漿過程中變速設(shè)備的驅(qū)動(dòng)；變送器將液位、溫度、壓力、流量和濃度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，發(fā)送到遠(yuǎn)程I/O站上，對(duì)閥門、泵、電機(jī)等執(zhí)行器進(jìn)行控制。為方便操作人員，并考慮到工藝工程師和控制工程師的需要。配置數(shù)臺(tái)觸摸屏或2臺(tái)上位監(jiān)控機(jī)，作為普通級(jí)操作員站或工程師站，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操作和控制。操作員在正常情況下，僅在控制室就可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行控制，避免操作員在溫度、高蒸氣壓力等危險(xiǎn)環(huán)境下工作。
我們目前主要開發(fā)和實(shí)現(xiàn)續(xù)蒸煮的產(chǎn)量與藥液的流量“比值通”函數(shù)關(guān)系，螺旋喂料器傳動(dòng)的負(fù)荷檢測(cè)和控制與安全活塞的反噴連鎖關(guān)系，蒸煮管壓力均衡控制問題，蒸煮管轉(zhuǎn)速遞度等級(jí)控制關(guān)系，立式卸料器黑液流量控制及自動(dòng)階躍噴放調(diào)節(jié)控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

4 控制系統(tǒng)質(zhì)量的保證
長(zhǎng)期以來，我院自動(dòng)化室一直從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和制造。通過不斷實(shí)踐、總結(jié)，使得我們?cè)谲浻布矫娑嫉搅素S富的經(jīng)驗(yàn)。
4.1 在軟件方面
我們學(xué)習(xí)、掌握、應(yīng)用了新的先進(jìn)的技術(shù)知識(shí)，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更具合理性、科學(xué)性。對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用，都經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試，在真正掌握其技術(shù)之后，才使用到生產(chǎn)中去。圖紙?jiān)谏a(chǎn)之前，需經(jīng)專人審核。在設(shè)計(jì)中，集各人智慧，從多方面考慮系統(tǒng)的適用性，可靠性。在該系統(tǒng)中，因在高溫度、高汽壓環(huán)境中生產(chǎn)，有的位置人是不能靠近的，為了調(diào)試、生產(chǎn)、維修的需要，我們采用了“遠(yuǎn)程/本地”兩種三地操作方式。“本地”操作也就是在設(shè)備附近操作，考慮到設(shè)備維修保養(yǎng)時(shí)，遠(yuǎn)處的操作人員無法知道現(xiàn)場(chǎng)的情況，任何一種盲目的操作都會(huì)帶來不可估量損失，甚至傷及到人的生命，因此“遠(yuǎn)程/本地”的選擇只能在“本地”進(jìn)行。在程序的編制中，按照工藝要求盡量滿足操作人員的習(xí)慣，使操作人員真正感覺到系統(tǒng)先進(jìn)性。
4.2 在硬件方面
為了保證成套設(shè)備的質(zhì)量，不僅在柜、臺(tái)外觀以及無器件上進(jìn)行嚴(yán)格篩選，還請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的老師傅對(duì)控制柜、臺(tái)進(jìn)行接線。由技術(shù)人員對(duì)柜、臺(tái)的接線進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修正。在出廠之前，還必須作通電試驗(yàn)，以保證出廠設(shè)備質(zhì)量。

5 小結(jié)
備料和蒸煮是一個(gè)連續(xù)、系統(tǒng)化的生產(chǎn)過程，自動(dòng)化控制水平要求較高，自動(dòng)控制系統(tǒng)在改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)安全等方面起到了重要作用。
自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制性能至關(guān)重要。它主要以控制器的功能塊運(yùn)算能力、系統(tǒng)組態(tài)的方便性和靈活性來衡量；系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性同樣重要，可通過冗余配置，提高其可靠性，以滿足系統(tǒng)控制的要求。
監(jiān)控系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。應(yīng)用于濕法備料系統(tǒng)和連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的過程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)適合對(duì)過程事件進(jìn)行快速反應(yīng)和準(zhǔn)確控制。過程監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能應(yīng)包括：可構(gòu)成豐富多彩的動(dòng)態(tài)參數(shù)控制畫面；動(dòng)態(tài)參數(shù)的趨勢(shì)信息；實(shí)時(shí)狀態(tài)報(bào)警處理；生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表及信息歸檔；系統(tǒng)的自診斷及適當(dāng)?shù)牟僮鳈?quán)限分級(jí)。
該類控制系統(tǒng)已多次使用在生產(chǎn)過程中，已形成了一套成熟的技術(shù)設(shè)備。該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，大大增強(qiáng)了生產(chǎn)自動(dòng)化的水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，方便了工人的維修保養(yǎng)等等。正是諸多的優(yōu)點(diǎn)，這種控制方式已得到了越來越多地應(yīng)用。