造纸DCS控制系统分析

沈华杰

摘 要：本文分析了造纸DCS控制系统，包括造纸工业生产过程特点，系统工程设计等。

关键词：造纸;控制;设计

随着生活水平的提高，造纸行业的发展更是日新月异，从现场操作到采用集散控制系统控制，从靠工人的经验判断纸张质量的好坏到用质量控制系统来控制产品质量，从靠工人的眼睛来判断纸张外观纸病到在线纸病检测系统，这些技术的发展带来造纸行业的变革，使造纸无论从质量还是从产量上都是有了质的飞跃。

1 造纸工业生产过程特点

造纸同其他行业一样，作为一个工厂、一个生产流程或某一个单元，都按照一定的要求和条件来组织生产和进行操作。为使整个生产过程不出偏差，这就要求有好的测量控制系统来保证。工业生产过程的控制系统设计，完全依赖于被控制的工业生产过程的特性和要求。所以，深入了解造纸工业生产过程特性，是进行集散型控制系统设计的基础。

对于一个造纸生产过程，从控制的观点来分析，可用生产过程扰动作用、生产过程特性和顺序控制要求三个方面来考虑。

1.1 过程扰动作用

造纸工业生产过程，往往会受到各种各样的干扰作用，使得生产过程不稳定，从而影响产品的质量和产量，最终影响生产过程的经济效益。这些干扰来自原料（包括浆料、化学品、添加剂）的质量和供应情况;产品质量标准和规格的变化;生产过程设备的稳定性;环境条件改变，比如季节的更换;与其它工厂或装置之间的连结关系;设备特性的漂移和衰减作用;过程物料的波动;控制系统的可靠性。质量问题，可以是原材料质量的波动，产品规格的改变，即物料或产品的组成化学成分和物理性质的变化，如长纤维及短纤维比例的变化。有些物流与其它工厂或生产过程相连结的，因前后连结的调度等原因，要求过程操作改变。典型的设备特性漂移和衰减作用，如热交换器随着生产的进行而结垢，从而影响传热效果;加入化学品的活性改变，这些都将影响纸张的物理特性。过程物料输送过程，常常因固体物料堵塞管道，或管道破损，而影响物料流量不稳定。同样，过程设备的事故也会引起扰动，如控制系统出故障，测量过程的测量噪声，控制系统不稳定以及操作者的失误，这些都会造成工业生产过程的扰动作用。

现代的造纸生产过程，对于扰动是很敏感的。现代工业生产过程的生产强化，中間贮存环节尽量省略不用，工厂内部物料再循环与能源再利用很普遍。比如造纸白水的回收和蒸汽冷凝系统的热交换器。

1.2 生产过程特性

在负反馈控制系统中，被控制过程的特性，直接影响到采用什么样的控制方案，以及控制（或控制算法）的形式和有关的参数。那么哪些过程特性影响着控制系统设计呢？主要有：

信号的测量问题、纯迟后问题、过程的时间常数很长或很短、非线性特性、时变特性、过程本征不稳定、过程具有强的耦合、过程灵敏度极高等。

造纸生产过程信息的测量是控制系统的关键问题。有些过程变量很难测量，有些可能测不准，噪声大，不可靠，有些无法在线测量，特别是那些成分分析，只能通过取样的办法，在实验室中分析才能获得，比如打浆度，在线测量的仪器的精度在±8%左右，因此这个测量数据只能用作参考，不能作为生产数据，还是要经过检测室获得准确的数据;有些即使可用间接的方法测到准确的信号，但是，不知其与真实变量的关系，随着在线分析仪（或质量控制系统）的逐步应用，使得原来有些不可测的量，变成可测，比如QCS在造纸上的普及，在线定量、水分、灰分、厚度、不透明度、色差等等。然而，有些在线分析仪（或质量控制系统）确实满足不了千变万化的工业生产过程的要求，所以有些过程变量用间接测量方法或称推断测量的方法，通过计算来获得过程的变量。

在造纸生产过程中，会有各种纯迟后和延迟存在，这可能由于管道物料传递过程所致，或者由取样分析所造成。纯迟后，对于过程控制来说是一个大敌，因为过程控制希望其控制作用响应要迅速及时。然而，有纯迟后存在，不等控制作用的进行，可能又有新的扰动到来。

若一个过程严重非线性，则在整个过程范围内，对于扰动作用的响应和校正作用，在不同的工作区域会有不同，这样就很难找到满意的控制器与PID参数。

此外，造纸生产过程中输入和输出之间的关系通常是很复杂的，各变量之间可能是具有很强的耦合性。一个输入可能会改变几个输出，反过来说，一个输出可能会受到多个输入的影响。因此，不管控制系统是单回路还是多回路，控制系统之间都会相互影响。

造纸过程参数的时变性，也会严重影响控制器参数的整定，有时会使得整个过程变得很难控制。

总之，对于造纸过程特性的了解，是造纸控制系统设计的基础。

1.3 造纸生产过程的特殊要求

对于造纸工业的飞速发展，其生产操作过程越来越复杂化和多样化，一般来说有下述的一些顺序操作和控制的问题。生产过程的开车和停车;间歇生产过程操作，比如化学品的熬制。

设备的切换，比如长短纤维打浆共用盘磨的切换;产品规格以及种类的变化;生产负荷的改变，如烘缸负荷的改变。

在连续生产过程和间歇生产过程，开车和停车都有自己的一套顺序和操作步骤，特别是大型的造纸生产过程，其开停车要化很长时间，若不按照一定的步骤和顺序进行，就将会出现生产事故。对于间歇生产过程，其往复循环操作更频繁，而在某些连续生产过程，也包含着间歇操作的设备和单元，如那些需要再生的系统。有时，要改变生产品种和生产负荷，这些都要求按一定的顺序规划进行操作。一般说来，顺序操作包括一系列的阶段或操作步骤。这些阶段，有些是由过程事件来触发，而有些根据特定的时间间隔来激发。

除了上述顺序操作要求之外，造纸生产过程还要求：

1）监视和管理整个生产过程;2）对生产过程进行规划，调度和决策;3）生产过程的优化操作与控制;监视和管理整个生产过程，在过程控制系统中往往是很重要的功能。监视生产过程的变化，收集生产过程的历史数据，对寻找出过程的扰动因素和分析过程操作都是极为有用，一个工厂可能由许多生产过程所组成，如何根据市场需求和原料状况，编排生产计划，调度全厂能源：浆料、水、电以及蒸汽的分配，对一个造纸厂来说具有很大的经济意义。

造纸生产过程中，从设备到单元的整个生产线，直至全厂都有优化操作点和控制点问题。而一个生产过程的优化操作点往往是时变的，因此，要针对造纸生产过程具体情况，进行连续寻优是十分重要的，通常优化问题是以经济效益最好为目标，它往往是用一组约束条件来描述。在这些约束条件之下操作，既使系统经济效益最好，又使系统处于安全运行。

2 系统工程设计

为了更好地使用集散型计算机控制系统，首先进行系统工程设计是极为重要的，这包括与集散型控制系统制造厂家联系，这些厂家会要求用户告诉各自应用集散型控制系统的目的是什么，被控制的是什么过程，以及想应用什么控制策略。

如果说，使用用户没有明确的目标，那么，系统供应商在不了解情况的前提下，将会提出各种各样不切合实际的方案。而且会导致错误的设备技术规格，不适用的控制程序。所以清楚了解应用集散型控制系统的目的是第一条。

建立一个计算机控制实施小组十分必要。在这个小组中，要求有了解实际生产过程工艺和设备的工程技术人员。当然，在这个小组中也应有熟悉过程控制回路设计和应用的工程技术人员，以及有经验的计算机工程技术人员。

在深入了解造纸生产过程的基础上，应将整个被控制的造纸生产过程分成几个功能单元和区域，要了解它们的区域特性。这些特性应考虑包括每个操作单元的关键部分。然后，要研究这些单元之间的相关性能，即一个单元对前面或后续单元的影响特征。

参考文献

[1]王树青等.集散型计算一机控制系统[M].浙江人学出版社，1994.

[2]邵裕森.过程控制及仪表[M].上海交通人学出版社，1995.