浅谈造纸工业中涉及到的集成自动化控制系统

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随着制浆造纸行业规模的扩大，产量的提高，一个大型且完整的制浆造纸体系囊括了：备木，制浆，抄浆，纸机，锅炉，石灰窑，碱回收，化工厂，水处理厂等不同的工序厂区组成，要从众多不同的控制系统中选择出相适应的系统，我们就必须了解工艺的流程、设备的控制要求、不同控制系统的技术性能及控制方向。

而在制浆造纸行业中，以纸机(PM：Paper Machine)和抄浆机(PM：Pulp Machine，又称浆板机)所涉及到的工业控制系统难度最为复杂、系统种类最多、最完整。笔者以自身安装、调试、优化的印尼OKI浆纸厂中抄浆线为案例，对所涉及到的各类系统进行介绍和分析。

抄浆是将液体浆制成商品浆板的过程，它的基本组成工段及形状、结构与造纸机没有本质的区别。

纸和纸板的区别在于它的定量和厚度。在我国，一般200g/m2以下，厚度500μm以下的，称之为纸。在此之上的称之为纸板。国际标准化组织(ISO/R66—1958)则规定一般超过250g/m2的称之为纸板。

1 DCS系统

1.1 DCS系统的概念及基本特点 DCS：Distributed Control System，集散控制系统，又名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种控制技术，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本的思想是分散控制、集中管理、分级管理、配置灵活、组态方便。

1.2 DCS系统在实例中的应用 实例中DCS系统是基于ABB的AC800M控制器的集成系统，在PM区域中，主要应用于备浆、流送系统、浆料筛选、上浆、损纸系统、真空系统、喷淋水系统、水系统(白水/清水/密封水/冷却水/冷凝水)、蒸汽系统、烘箱系统、循环风系统等过程控制。基于对阀门开度、泵、风机、电机转速、加热器等设备调节来控制流量、压力、液位、浓度、PH、导电度、温度等参数。同时也用于对电机的启/停控制、连锁控制、设备的群启/停Group start/stop自动控制等。

ABB DCS系统，常用System 800x A Engineering Workplace工程师软件，可对不同的架构Structure进行编辑、定义：Admin Structure、Aspect System Structure、Function Structure、Control Structure、Library Structure、Maintenance Structure等。

编程软件以Control Builder M Professional为主，包含Libraries库、Application应用、Controllers控制器三大架构，涵盖了ABB基础库调用、功能块调用、自行编辑设计打包块、数据类型定义、功能块类型定义、项目程序编辑、变量编辑、硬件组态、参数配置等功能。

画面编辑软件，PhotoGraph Edit，对画面、变量、链接等进行编辑。

2 MCS系统

2.1 MCS系统的概念及基本特点 MCS：Machine Control System纸机控制系统，专用于纸机及抄浆机(工艺流程相似)，对纸机本体上主传动以外的电动执行元件、气动执行元件和液压执行元件以及纸张张力检测器件、断纸检测器件、压区闭合检测器件等控制的系统。与DCS系统相比较，MCS系统更偏向于纸机主体传动系统相互间的连锁控制，同时，该系统能够直观了解纸机本体各设备及区域本体的运行状态，并实现自动化远程操作、监控而实现操作的简单化及设对备的保护。

2.2 MCS系统在实例中的应用 本案例PM项目中，每条浆板机所产浆板基重达到1200g/m2，浆板幅度1065mm，设计车速达到250m/min。MCS控制系统控制主要体现在流浆箱Head Box、脱水箱Dewatering Section、网部Wire Section、压部Press Section、靴压Shoe Press、引纸系统Tail Threading System、润滑系统Lubrication、液压系统Hydraulic System等工艺段的控制。

编程软件：PM案例中，MCS系统基于西门子S7-400 PLC，以SIMATIC Manager STEP 7作为项目的编程软件。STEP 7是SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的Win AC，是提供它们编程、监控和参数设置的标准工具。具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。用SIMATIC Manager来对项目集中管理。

操作系统及画面编辑软件TIA Portal：Totally Integrated Automation Portal全集成自动化软件，是西门子工业自动化集团发布的新一代全集成自动化软件，几乎适用于所有的自动化任务。

3 QCS系统

3.1 QCS系统的概念及基本特点

QCS：Quality Control System质量控制系统。主要对生产过程中纸张品质的测控的系统，控制指标有：基重、水分、厚度、光泽、灰份、涂布量、光泽度、白度等。用于对产品质量的改善、产量的提升、成本的降低。同时包括横向控制(Cross Drection-CD控制)和纵向控制(Machine Drection-MD控制)。

3.2 QCS系统在实例中的应用

本案例中，QCS系统涉及到CD控制和MD控制，如下图：

(实例中QCS系统示意图)

3.2.1 CD横向控制

(1)通过对定量的Profile，对流浆箱Headbox唇板横向执行器(共计安装70个)的自动控制，通过稀释水自动调节来达到对浆板绝干重Oven Dry Weight的定量控制。

(2)根据水份的Profile，对在网压部蒸汽箱Steambox执行器(共计64个)的自动控制，来对蒸汽量的控制，达到对浆板水分Moisture的控制。

3.2.2 MD纵向控制

(1)对车速的设定，实现抄车过程中参数的自动调节，包括上浆量、稀释水量、脱水量等。

(2)对上浆前成浆池浆浓度、进浆流速的控制，来控制绝干重或基重。

(3)对烘箱蒸汽压力的控制，调节横幅水分。

ABB QCS系统，常用软件Smart Platform 1200，System 800x A，Mattikon OPC Explorer及一些工具软件。

4 DNA系统

4.1 DNA系统的概念及基本特点

DNA系统：The Dynamic Network of Applications，应用动态会聚网络。由过程站、操作站、工程师站、备份站、报警站、诊断站以及I/O单元组成。DNA系统是美卓的DCS系统。

4.2 DNA系统在实例中的应用 本案例中，DNA系统主要应用在维美德的IQ_Dilution和IQ_Steam的控制中，包括硬件及网络架构的组态，程序、画面的编辑等。使用DNA Explorer、DNA OPerate Client、DNAuse、HW&SeqCAD来进行程序、画面的编辑，以及操作画面。

5 BQS/BQM/BCU/RAS

(实例中浆包质量控制系统架构)

BCU：Bale Control Unit浆包控制单元

BQS：Bale Quality System 浆包质量系统

BQM：Bale Quality Management 浆包质量管理

RAS：Remote Access Server远程访问服务器

以上控制单元及系统应用在抄浆线，组成了一个完整的控制、管理系统：包括成品的浆包从压包、折包、捆包、喷码、叠包、入库等流程中的控制，及各浆包重量、水份、吧、品质等级、生产日期、纸种等对所有的信息化管理。

6 PQV系统(WBAS&WIS)

6.1 PQV系统的概念及基本特点

PQV：Process and Quality Vision过程质量视觉系统。

美卓Metso将断纸分析系统(WBAS：Web Break Analysis System)和纸病检测系统(WIS：Web Inspection System)这两个传统的独立系统结合在一个技术平台下。PQV系统通过程质量视觉相机带来了真实的机器视觉，以其高分辨率、高速数字成像技术、帮助改进运行性能的完美品质。

美卓PQV过程质量视觉系统包括两个“子系统”：过程视觉用于检测机器内部的过程干扰，质量视觉用于使用相机、图像分析、信号传输等可用的最新技术对最终产品进行高度精确的网络缺陷检测。将这些系统连接在一起，客户可以看到过程干扰是如何在机器内部发展的，以及它们是如何出现在最终产品中的，从而能够有效地找出问题并解决问题。

6.2 PQV系统在实例中的应用 由于浆板的高基重性，在本案例抄浆机上，只是使用了PQV系统中WBAS断纸分析系统，对浆板纸幅状态的查看及断纸时原因的查找及分析。通过高性能的相机视觉，大大方便了生产操作人员对生产过程中产品及设备状态的实时了解，并能做到对一些异常进行预防性处理，提高了生产效益及运行的稳定。

7 实践心得

如何才能为不同的工艺流程选择出最合适的控制系统，就要求我们对工艺流程的掌握，对不同控制系统的认识。

制浆造纸行业本身是一个工艺复杂的、环境污染大的行业，自动控制技术应用于制浆造纸工业是工业和经济发展的必然。它提高了生产过程中的自动化程度，实现了生产过程的自动化，提高了产量、保证了质量、减少了原材料和能量的消耗、降低了生产成本、改善工作及劳动条件、确保了生产的安全、减轻了环境的污染、收到良好的经济效益和社会效益。