ABB AC800F 控制系统在维纶纤维生产上的应用

廖勇前

(湖南省湘维有限公司，湖南 溆浦 419323)

0 引言

维尼纶纤维是聚乙烯醇缩甲醛纤维的商品名称，也叫维纶。湖南省湘维有限公司的维纶生产线是70年代末建成并投产的，为了适应生产维尼纶新品种的需要，对该线进行升级改造。为提升该生产线的自动化水平，提高生产效率和产品质量，在行业中维纶生产线上首次采用DCS 控制系统。最终选用ABB 公司的AC800F 控制系统，本文介绍该系统特点和组成以及实际应用，还有用高精度矢量型变频器直接改变电机转速的调速方式代替机械式无极调速器、变频器用现场总线Profibus－DP 协议与现场控制器AC800F 通信等一些新技术在维纶生产线上的应用方法。

1 工艺概述

维纶纤维的生产工艺过程:聚乙烯醇原料水洗、溶解、过滤、脱泡、纺丝与脱水、湿热拉伸、干热拉伸、热定型、切断、热水卷曲、缩醛化、上油剂、干燥、打包、成品入库。

2 系统特点

AC800F 控制系统是ABB 公司推出的一种全能综合型开放控制系统，该系统融传统的DCS 和PLC 优点于一体并支持多种国际现场总线标准。它既具备DCS 的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)及方便的工程软件，同时又具有与高档PLC 指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。

系统分为两级:操作管理级(操作站OS、工程师站ES 及网关GS)和过程控制级(现场控制器AC800F)。在操作管理级上不仅实现传统的控制系统监控操作功能(预定义及自由格式动态画面显示、趋势显示、弹出式报警及操作指导信息、报表打印、硬件诊断等)，而且完成配方管理及数据交换等管理功能。现场控制器AC800F 实现包括复杂控制在内的各种回路调节(各种PID、比值、Simith……)和高速逻辑控制、顺序控制以及批量间歇控制功能。

系统使用同一套简单易用的工程师站组态工具软件，完成过程级和操作级组态以及调试，并使用同一个全局数据库。

过程站、操作员站/工程师站之间的通讯是通过系统总线DigiNetS(工业以太网)实现的。

现场设备、远方I/O、PLC、称重系统等可通过Profibus、FF等协议与现场控制器AC800F 进行通迅。

3 维纶生产线系统硬件组成

3.1 控制站配置。配置两对冗余的现场控制器AC800F。热处理工序使用一对、原液工序和凝固浴工序及整理工序使用一对。

3.2 操作员站和工程师站配置。配置10个操作员站(源液工序、凝固浴工序、热处理工序、整理工序各两台，调度室和技术组各一台。操作员站上安装操作监控软件DigiVis，工程师站上安装组态调试软件Control Build F。另外还安装了权限锁定软件(DigiLock)、运行在管理PC 机上的生产数据浏览软件(DigiBrowse)等。

3.3 网络配置

现场控制器AC800F、操作员站/工程师站之间的通讯是通过系统总线DigiNetS(工业以太网)实现的。为了提高工业以太网的可靠性，采用冗余的环形光纤以太网。

现场控制器AC800F 与S800I/O 站、变频器的通信，通过安装在其上的Profibus－DP 协议现场总线接口卡件来实现。

在热处理工序AC800F 上插入2 对Profibus 协议现场总线接口卡件，一对用来采集来自总线的热处理工序S800I/O 站上过程数据和诊断信息，另一对用来采集来自总线的80 多台变频器上过程数据和诊断信息。为了减少电缆费用，提高工程进度，我们采用现场总线Profibus－DP 协议建立现场控制器AC800F 与变频器的通信。具体方法是:①我们使用的是西门子公司的变频器，在其上装一个Profibus－DP 接口板CB15，其就能支持Profibus－DP 协议。②我们把支持Profibus－DP 协议变频器的主数据文件GSD 文件拷入组态调试软件Control Build F 中，把报文中PZD 部分(包括控制字，设定值，状态字和实际值)的所需量(如启/停控制、运行/停止状态、设定值)进行定义。定义后的量就可进行显示、修改等操作。③为了能够有效通信，在组态软件和变频器中，必须为每一台变频器设定一样的地址，以便主站寻址。④在变频器进行相关的网络参数设置。

在原液工序AC800F 上插入2 对Profibus 协议现场总线接口卡件，一对用来采集来自总线的原液工序和凝固浴工序S800I/O 站上过程数据和诊断信息，另一对用来采集来自总线的整理工序S800I/O 站上过程数据和诊断信息。

3.4 系统结构图(见图1)

图1 系统结构图

4 控制方案

4.1 主要的模拟量控制系统(MCS)

4.1.1 纺丝调压槽液位控制。当原液进入密闭的调压槽后，槽内空气被压缩，其压力和空气体积的乘积为一常数。调压槽的液位(液量)变化，就必然引起槽内空间体积V 的变化和槽内空气压力P 的变化。P 的变化可以反映调压槽内液位的变化。控制P 一定，就能控制槽内液位一定。

4.1.2 热处理烘仓温度控制。烘仓用电热丝加热，其温度通过温度调节器的输出控制单相调功器的输出功率来实现。

4.1.3 速度控制。(1)采用变频器直接改变电机转速的调速方式。改造前，采用手动调整机械式无极调速器来控制速度，其主要存在机械式无极调速器故障率高、只能手动控制不能自动调节、速度波动大等缺点。改造后，采用变频器直接改变电机转速的调速方式，降低设备故障率，速度控制稳定，大大提高了产品产量和质量。(2)为了使新的调速方式的性能满足工艺要求，采取如下措施:为了提高速度测量精度，提高抗干扰性，在纺丝工序的所有电机上，增加了旋转编码器，用于各台电机的速度准确测量;计量泵、导辊、牵引机电机采用了永磁同步电机，相应的变频器采用速度精度很高的矢量型变频器，电机速度选择开环控制方案。速度控制精度达到了0.02%;3 预热机、延伸机、冷却机电机采用异步电机，相应的变频器采用速度精度很高的矢量型变频器，电机速度使用闭环控制，保证速度控制的精度、变频器的转矩性能。速度控制精度达到了0.1%。

4.2 主要的开关量控制系统(SCS)

原液工序有一些复杂的顺序控制系统，改造前是用传统的继电器控制系统实现的，改造后用DCS 系统中的软件来实现各种控制功能，组态时是用顺序功能图(简称SFC)来做的。从顺序功能图看整个顺序控制过程一目了然。另外，这种方法也为调试、试运行、监控及操作带来许多方便。

图2 压力溶解机的工艺流程图

4.2.1 溶解机加水控制。选择溶解机→打开进水阀→启给水泵→到水量给定值→关进水阀→停泵。

4.2.2 溶解机加料控制。选择溶解机→打开接受阀、真空阀、一、二列分配阀→真空度大于53kPa→打开总真空阀→选择秤→打开秤出料门→启动秤皮带→秤空→停止进料。

4.2.3 溶解机压力控制系统。溶解机的工艺流程图见图2。溶解工序包括调压、搅拌、排气三个过程。系统设置“自动”和“手动”两种控制方式。在“自动”控制方式时，按下起动按钮后，则自动执行压力溶解流程:调压3h→搅拌2h→排气2min→结束。

5 运行效果

湖南省湘维有限公司维纶生产线采用ABB 的AC800F 控制系统后，各类生产控制指标和生产线控制稳定性与过去使用的常规仪表相比明显提高，操作非常便捷，自动化程度大大提高，达到提高产品质量和产量，减少消耗、减少操作和维修人员从而降低生产成本，生产多品种产品的目的。

6 结束语

ABB 的AC800F 控制系统功能强大，运行稳定，在维纶生产线上的应用很成功。用高精度矢量型变频器直接改变电机转速的调速方式代替机械式无极调速和变频器用Profibus－DP 协议现场总线与现场控制器AC800F 通信在维纶生产线上使用是可行的。

［1］ABB 控制产品及系统部，控制系统培训资料，ABB 公司，2004.

［2］陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册(第三版)［M］.北京:化学工业出版社，2000.

［3］徐海.变频器原理及应用［M］.北京:清华大学出版社，2010.