管式連續(xù)蒸煮制漿生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的開發(fā)
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)蒸煮是目前一項較先進的制漿技術(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，實現(xiàn)蒸氣和動力消耗均衡，正逐步替代立鍋、蒸球等間歇蒸煮的制漿生產(chǎn)方式。由于整個系統(tǒng)的生產(chǎn)是一個連續(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，再用以往簡單的人工操作方式很難實現(xiàn)，因此必須配備先進可靠的自動化控制系統(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。通過料倉的出料機構(gòu)，原料片從料倉出來，經(jīng)皮帶輸送機、鼓式洗滌機送往濕法凈化裝置——水 力洗滌機。在皮帶輸送機上方配有皮帶秤和電磁除鐵裝置，使麥草初次計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，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，水力洗滌機的排渣，螺旋脫水機的脫水排渣，水力洗滌機進水量，水力洗滌機、循環(huán)水槽的液位，皮帶秤的計量，電磁除鐵器的磁場強度。
2.2 連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的控制
經(jīng)凈化的原料片進入連續(xù)蒸煮系統(tǒng)。大部分原料片通過進料螺旋進入銷鼓計量器，多余部分原料片從另一出口送出進入溜槽送回到水力洗滌機。銷鼓計量器決定了連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的處理量，也是確定蒸煮藥液溫度、壓力、時間等參數(shù)的依據(jù)。經(jīng)銷鼓計量器計量后的原料片進入預(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。其主要控制對象有：銷鼓計量器的速度；預(yù)熱預(yù)蒸螺旋內(nèi)多點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，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)有氣動止逆閥。其主要控制對象有：對止逆閥啟閉進行自動和手動控制；蒸氣溫度、壓力的控制；止逆閥氣動壓力的控制及其壓力的監(jiān)控報警。
原料料塞離開料塞管后進入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，與銷鼓計量器的速度有著密切的關(guān)系。主要控制對象有：藥液的流量；銷鼓計量器的速度與藥液流量的比值(俗稱比值通)；蒸氣壓力、溫度的多點檢測和梯度場的控制。
原料片經(jīng)吸收蒸煮藥液后，進入蒸煮管，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入噴放鍋儲存，然后輸送至下一工段。
另外，進入連蒸車間后飽和蒸氣和清水的流量自動積算及壓力自動調(diào)節(jié)，壓縮空氣的自動調(diào)節(jié)，堿液、白液和黑液的流量計量及中間槽罐的自動檢測控制，蒸煮藥液的制備及自動配料，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)中所有傳動電機應(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控制方式，改由手動方式控制。
3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
根據(jù)連續(xù)蒸煮的實際要求，在選定方案時，要著重考慮控制系統(tǒng)的可靠性、安全性、先進性、合理性、經(jīng)濟性等方面的問題。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)場通訊網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為：生產(chǎn)管理級、自動控制級和現(xiàn)場控制級。生產(chǎn)管理級利用開放的工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與自動控制級的信息采集、系統(tǒng)通訊、對自動控制級發(fā)出指令；自動控制級(即中心控制級)以開放的現(xiàn)場總線與若干分布式I/O現(xiàn)場控制站，進行數(shù)據(jù)通訊，接收現(xiàn)場傳感檢測信號，對控制對象進行控制。
操作系統(tǒng) MicrosofWindows2000中文版 監(jiān)控軟件 WinCCV5.1
組態(tài)軟件 SIMATICSTEP75.1 實時控制網(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，人機界面友好，運行安全可靠，對于提高生產(chǎn)過程的自動化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(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現(xiàn)場控制站，而將操作和監(jiān)視功能集中在一個或多個操作站。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)的實時控制網(wǎng)絡(luò)可使系統(tǒng)資源實現(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、傳動裝置等，最終以模擬量、數(shù)字量2大類信號送到就近的站點。各站點又以數(shù)字方式，經(jīng)遠(yuǎn)程I/O站點，通過現(xiàn)場控制總線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，進行邏輯或數(shù)學(xué)運算，數(shù)據(jù)處理后再經(jīng)過各站點送到各執(zhí)行機械或顯示終端。
在制漿過程中，因其控制點多而復(fù)雜，PLC主站采用大型控制器組成自動化中心控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)容易擴展和具備各種網(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等級的數(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；變送器將液位、溫度、壓力、流量和濃度等實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，發(fā)送到遠(yuǎn)程I/O站上，對閥門、泵、電機等執(zhí)行器進行控制。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)臺觸摸屏或2臺上位監(jiān)控機，作為普通級操作員站或工程師站，對現(xiàn)場設(shè)備進行操作和控制。操作員在正常情況下，僅在控制室就可以對整個生產(chǎn)線進行控制，避免操作員在溫度、高蒸氣壓力等危險環(huán)境下工作。
我們目前主要開發(fā)和實現(xiàn)續(xù)蒸煮的產(chǎn)量與藥液的流量“比值通”函數(shù)關(guān)系，螺旋喂料器傳動的負(fù)荷檢測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)速遞度等級控制關(guān)系，立式卸料器黑液流量控制及自動階躍噴放調(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
長期以來，我院自動化室一直從事自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和制造。通過不斷實踐、總結(jié)，使得我們在軟硬件方面都到了豐富的經(jīng)驗。
4.1 在軟件方面
我們學(xué)習(xí)、掌握、應(yīng)用了新的先進的技術(shù)知識，使系統(tǒng)的設(shè)計更具合理性、科學(xué)性。對新技術(shù)的應(yīng)用，都經(jīng)過反復(fù)實驗、調(diào)試，在真正掌握其技術(shù)之后，才使用到生產(chǎn)中去。圖紙在生產(chǎn)之前，需經(jīng)專人審核。在設(shè)計中，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，遠(yuǎn)處的操作人員無法知道現(xiàn)場的情況，任何一種盲目的操作都會帶來不可估量損失，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、臺外觀以及無器件上進行嚴(yán)格篩選，還請有經(jīng)驗的老師傅對控制柜、臺進行接線。由技術(shù)人員對柜、臺的接線進行核查，發(fā)現(xiàn)問題及時修正。在出廠之前，還必須作通電試驗，以保證出廠設(shè)備質(zhì)量。
5 小結(jié)
備料和蒸煮是一個連續(xù)、系統(tǒng)化的生產(chǎn)過程，自動化控制水平要求較高，自動控制系統(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)適合對過程事件進行快速反應(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)成豐富多彩的動態(tài)參數(shù)控制畫面；動態(tài)參數(shù)的趨勢信息；實時狀態(tài)報警處理；生產(chǎn)統(tǒng)計報表及信息歸檔；系統(tǒng)的自診斷及適當(dāng)?shù)牟僮鳈?quán)限分級。
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，大大增強了生產(chǎn)自動化的水平，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強度，方便了工人的維修保養(yǎng)等等。正是諸多的優(yōu)點，這種控制方式已得到了越來越多地應(yīng)用。