PCS7過程控制系統(tǒng)在重質(zhì)碳酸鈣泡漿線中的應(yīng)用

王曉勇 向 平

（金東紙業(yè)（江蘇）股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212132）

0 引言

重質(zhì)碳酸鈣是文化紙中僅次于植物纖維的第二大造紙?jiān)希谠旒堖^程中可用作填料、涂料等，能顯著提高紙張松厚度、白度及印刷適性。因此，重質(zhì)碳酸鈣的使用不但提高了紙張的物理性能，而且降低了纖維用量，有利于環(huán)境保護(hù)。DCS控制系統(tǒng)是整個(gè)重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程的核心，它能對(duì)整個(gè)干磨、泡漿配料、濕磨、發(fā)料、球洗等生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)邏輯控制。其中，泡漿配料工藝具有控制難度大、控制系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)。目前，重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程DCS控制系統(tǒng)均由國外公司壟斷，金東紙業(yè)先后上了2條重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線，它們的DCS控制系統(tǒng)均由奧地利GAW公司設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)利用AutomationX Batch系統(tǒng)完成配料控制，實(shí)現(xiàn)了干粉、分散劑和白水的不同比例混合。

為了滿足生產(chǎn)要求，我們自主開發(fā)了一套當(dāng)前最流行的SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)Make down泡漿的順序控制及異常處理控制。

1 重質(zhì)碳酸鈣泡漿工藝

控制流程：根據(jù)工藝流程及配方，自動(dòng)計(jì)算出碳酸鈣干粉、清水、白水及分散劑的配比，按順序控制程序，分步投料、攪拌，生產(chǎn)出不同固含的半成品。

第一步加水、分散劑。根據(jù)稱重器反饋的數(shù)值（0～20mA對(duì)應(yīng)0～15t）計(jì)算水的添加量，當(dāng)達(dá)到需要的量時(shí)停止加水。根據(jù)分散劑流量計(jì)的積分計(jì)算分散劑的添加量，當(dāng)達(dá)到需要的量時(shí)停止添加。完成水和分散劑的添加后，開啟攪拌機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)干粉下料絞龍，由AS實(shí)時(shí)監(jiān)控泡漿桶槽的重量，當(dāng)達(dá)到需要的量時(shí)停止加干粉。第一步投配完成后，繼續(xù)攪拌50s，AS進(jìn)行計(jì)時(shí)，時(shí)間到進(jìn)行第二步投配，直至整個(gè)主順序程序完成。配好的物料將通過卸料閥卸入預(yù)儲(chǔ)罐，根據(jù)預(yù)儲(chǔ)罐的液位（＜80%）自動(dòng)判斷是否繼續(xù)進(jìn)行泡漿。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制硬件組成

采用最簡潔、最常用的結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)控制架構(gòu)（圖1），即操作站與控制器之間使用以太網(wǎng)通訊，控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間使用Profibus通訊。

SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)由 OS（操作站）、AS（控制器）、遠(yuǎn)程I／O站ET200M（包含數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量模塊）、變頻器等組成。

2.2 控制元件功能

在控制方柜（圖2）中，OS、AS、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)分別有如下功能：（1）OS：主要負(fù)責(zé)配方輸入。配方的主要參數(shù)：產(chǎn)品固含40.0%～70.0%；產(chǎn)品體積5～10m3；分散劑投配量2.5～5.3kg／t；干粉投項(xiàng)次、比例。（2）AS：根據(jù)配方生成控制方案，根據(jù)檢測機(jī)構(gòu)回饋的信號(hào)、數(shù)據(jù)完成順序控制及異常處理控制。（3）檢測機(jī)構(gòu)：通過AI（模擬量模塊）實(shí)時(shí)檢測泡漿桶槽重量、分散劑流量、ST（存儲(chǔ)罐）液位。（4）泡漿桶槽稱重器：4～20mA信號(hào)送入模擬量模塊，對(duì)應(yīng)的工程量為0～15t。（5）分散劑流量計(jì)：4～20mA信號(hào)送入模擬量模塊，對(duì)應(yīng)的工程量為0～60L／min。（6）ST液位：4～20mA信號(hào)送入模擬量模塊，對(duì)應(yīng)的工程量為0～100%。（7）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括碳酸鈣干粉下料絞龍變頻器及馬達(dá)、分散劑變頻器及馬達(dá)、水閥、卸料閥。

圖1 控制架構(gòu)

圖2 控制方柜

2.3 控制硬件選型

根據(jù)泡漿工藝控制要求，一組泡漿線需要模擬量輸入信號(hào)（AI）3個(gè)，數(shù)字量輸入信號(hào)（DI）4個(gè)，數(shù)字量輸出信號(hào)（DO）3個(gè)；攪拌馬達(dá)、干粉進(jìn)料絞龍馬達(dá)及分散劑進(jìn)料馬達(dá)皆采用Profibus－DP通訊（PZD）控制；AI、DI、DO信號(hào)選用SIEMENS ET200M模塊。如表1所示。

表1 控制功能描述

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 操作站可視化操作畫面設(shè)計(jì)

利用西門子PCS7的 WinCC組件，研究Make down的配方，編寫 Make down的系統(tǒng)程序、過程控制程序，編寫相應(yīng)的異常處理程序、人機(jī)界面程序。人機(jī)畫面可視化，系統(tǒng)完全開放，自動(dòng)化程度高，操作與維護(hù)人員熟練程度高，故障處理速度快。

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

利用圖形控制語言（CFC）、順序控制語言（SFC）及人機(jī)界面軟件（WinCC）分別編寫 AS及OS程序，實(shí)現(xiàn)Make down泡漿的批次控制，即對(duì)干粉下料絞龍、水閥、攪拌器、卸料閥、泡漿（Make down）桶槽稱重、分散劑流量、ST液位的控制（圖3）。由PCS7過程控制系統(tǒng)檢測泡漿桶槽的實(shí)時(shí)重量、分散劑流量、ST液位，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)干粉下料絞龍、水閥、攪拌器、卸料閥的控制。

圖3 控制過程

3.3 泡漿系統(tǒng)主控制程序

依照工藝要求，設(shè)計(jì)出重質(zhì)碳酸鈣主控制流程（圖4），參照主控制流程，結(jié)合西門子PCS7控制技術(shù)，編寫相應(yīng)的邏輯控制程序及順序控制程序。

3.4 異常處理程序設(shè)計(jì)

異常處理子程序控制（圖5），主要是在異常狀況下為確保產(chǎn)品質(zhì)量而執(zhí)行的安全處理程序。當(dāng)設(shè)備異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)用子程序，保存各閥門、電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，后關(guān)閉所有閥門及絞龍電動(dòng)機(jī)，防止罐內(nèi)物料沉積，啟動(dòng)攪拌馬達(dá)；當(dāng)異常處理完畢后，恢復(fù)各設(shè)備的狀態(tài)，并跳轉(zhuǎn)到主程序的中斷點(diǎn)，繼續(xù)按順序執(zhí)行。

圖4 主控制流程

圖5 異常處理子程序控制

4 結(jié)語

該系統(tǒng)自投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定，控制準(zhǔn)確，自動(dòng)配制重質(zhì)碳酸鈣溶液，濃度誤差±0.5%。生產(chǎn)的產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到了預(yù)期要求，異常處理程序的設(shè)置大大方便了維護(hù)工作的進(jìn)行，同時(shí)減少了原料的浪費(fèi)。

［1］SIEMENS.PCS7深入淺出（版本1.0），2007