管式連續蒸煮制漿生產線控制系統的開發
管式連續蒸煮制漿生產線控制系統的開發
1 引言
連續蒸煮是目前一項較先進的制漿技術，管式連續蒸煮系統能滿足系統的連續化、規模化生產，提高成漿的均勻性，保證產品質量，實現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方式。由于整個系統的生產是一個連續的過程，具有高溫、高壓等工作環境，人很難接近生產設備，再用以往簡單的人工操作方式很難實現，因此必須配備先進可靠的自動化控制系統。
2 工藝過程及控制要求
管式連續蒸煮系統主要由濕法備料系統、連續蒸煮系統及洗滌水回用系統組成。根據不同原料(麥草、蘆葦、竹片等)及產量，可配套不同規格的主、副設備。
2.1 濕法備料系統的控制
經干法備料初步凈化的原料片經輸送皮帶送入料倉。通過料倉的出料機構，原料片從料倉出來，經皮帶輸送機、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和水分經篩鼓被除去，滿足蒸煮系統螺旋喂料器的要求。其主要控制設備有：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 連續蒸煮系統的控制
經凈化的原料片進入連續蒸煮系統。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蒸煮系統的處理量，也是確定蒸煮藥液溫度、壓力、時間等參數的依據。經銷鼓計量器計量后的原料片進入預熱預蒸螺旋，料片經低壓蒸氣升溫軟化，并排除料片中的部分空氣，以利于化學藥品的浸入。其主要控制對象有：銷鼓計量器的速度；預熱預蒸螺旋內多點溫度和加熱蒸氣的壓力；預蒸螺旋的轉速。
原料片隨后進入系統的關鍵設備——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鍵技術。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產品的不同，與銷鼓計量器的速度有著密切的關系。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，脫去木素。蒸煮管的數量按設計工藝要求確定，各蒸煮管內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：蒸煮管內螺旋的轉速；各蒸煮管內螺旋的速度鏈控制；各蒸煮管內的溫度、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節，壓縮空氣的自動調節，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的監控內容。濕法備料系統和連續蒸煮系統中所有傳動電機應均具備互鎖功能，其連鎖關系可按需要投入和解鎖，關鍵部位可按工藝要求設置多套連鎖方案，且任意設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 控制系統的實現
根據連續蒸煮的實際要求，在選定方案時，要著重考慮控制系統的可靠性、安全性、先進性、合理性、經濟性等方面的問題。我們選擇了目前常用的DCS控制方式，應用PROFIBUS-DP通訊協議，組成現場通訊網絡。
網絡結構分為：生產管理級、自動控制級和現場控制級。生產管理級利用開放的工業以太網實現與自動控制級的信息采集、系統通訊、對自動控制級發出指令；自動控制級(即中心控制級)以開放的現場總線與若干分布式I/O現場控制站，進行數據通訊，接收現場傳感檢測信號，對控制對象進行控制。
操作系統 MicrosofWindows2000中文版 監控軟件 WinCCV5.1
組態軟件 SIMATICSTEP75.1 實時控制網 PROFIBUS-DP9.6Kbps～12Mbps
該系統具有通用性，系統可以靈活組態，控制功能完備，顯示操作集中，人機界面友好，運行安全可靠，對于提高生產過程的自動化水平，提高產品質量、提高勞動生產率具有特別重要的意義。
DCS控制系統，從結構上講就是將采集和控制分散在多個現場控制站，而將操作和監視功能集中在一個或多個操作站。它從硬件上采用標準化、模塊化和系列化產品，并具有熱插拔功能，維護方便。系統上各工作站通過網絡接口相聯接，系統的實時控制網絡可使系統資源實現共享。通訊總線的應用使原先復雜繁瑣的接線工作變得簡單了許多，也節省了大量的接線材料。
控制系統的控制對象是生產中的各種參數。這些參數通過不同的變送器、傳動裝置等，最終以模擬量、數字量2大類信號送到就近的站點。各站點又以數字方式，經遠程I/O站點，通過現場控制總線PROFIBUS-DP方式，以9.6K～12M的波特率，將相關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將相關的信息按工藝要求和連鎖關系，進行邏輯或數學運算，數據處理后再經過各站點送到各執行機械或顯示終端。
在制漿過程中，因其控制點多而復雜，PLC主站采用大型控制器組成自動化中心控制系統，使系統容易擴展和具備各種網絡通訊能力；采用分布式結構，遠程智能化接口提供了各種電壓和保護等級的數字、模擬I/O單元，可以集中放置，也可以分散安裝在現場遠程I/O站中。
采用變頻器完成制漿過程中變速設備的驅動；變送器將液位、溫度、壓力、流量和濃度等實時數據轉換成4～20mA的標準信號，發送到遠程I/O站上，對閥門、泵、電機等執行器進行控制。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。配置數臺觸摸屏或2臺上位監控機，作為普通級操作員站或工程師站，對現場設備進行操作和控制。操作員在正常情況下，僅在控制室就可以對整個生產線進行控制，避免操作員在溫度、高蒸氣壓力等危險環境下工作。
我們目前主要開發和實現續蒸煮的產量與藥液的流量“比值通”函數關系，螺旋喂料器傳動的負荷檢測和控制與安全活塞的反噴連鎖關系，蒸煮管壓力均衡控制問題，蒸煮管轉速遞度等級控制關系，立式卸料器黑液流量控制及自動階躍噴放調節控制等一系列關鍵技術。
4 控制系統質量的保證
長期以來，我院自動化室一直從事自動化控制系統的設計、調試和制造。通過不斷實踐、總結，使得我們在軟硬件方面都到了豐富的經驗。
4.1 在軟件方面
我們學習、掌握、應用了新的先進的技術知識，使系統的設計更具合理性、科學性。對新技術的應用，都經過反復實驗、調試，在真正掌握其技術之后，才使用到生產中去。圖紙在生產之前，需經專人審核。在設計中，集各人智慧，從多方面考慮系統的適用性，可靠性。在該系統中，因在高溫度、高汽壓環境中生產，有的位置人是不能靠近的，為了調試、生產、維修的需要，我們采用了“遠程/本地”兩種三地操作方式。“本地”操作也就是在設備附近操作，考慮到設備維修保養時，遠處的操作人員無法知道現場的情況，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慣，使操作人員真正感覺到系統先進性。
4.2 在硬件方面
為了保證成套設備的質量，不僅在柜、臺外觀以及無器件上進行嚴格篩選，還請有經驗的老師傅對控制柜、臺進行接線。由技術人員對柜、臺的接線進行核查，發現問題及時修正。在出廠之前，還必須作通電試驗，以保證出廠設備質量。
5 小結
備料和蒸煮是一個連續、系統化的生產過程，自動化控制水平要求較高，自動控制系統在改善產品質量、提高生產效率、保證生產安全等方面起到了重要作用。
自動控制系統的控制性能至關重要。它主要以控制器的功能塊運算能力、系統組態的方便性和靈活性來衡量；系統的可靠性和環境適應性同樣重要，可通過冗余配置，提高其可靠性，以滿足系統控制的要求。
監控系統的DCS系統的一個重要組成部分。應用于濕法備料系統和連續蒸煮系統的過程監控系統應適合對過程事件進行快速反應和準確控制。過程監控系統的基本功能應包括：可構成豐富多彩的動態參數控制畫面；動態參數的趨勢信息；實時狀態報警處理；生產統計報表及信息歸檔；系統的自診斷及適當的操作權限分級。
該類控制系統已多次使用在生產過程中，已形成了一套成熟的技術設備。該控制系統的應用，大大增強了生產自動化的水平，提高了產品質量和生產效率，減輕了操作人員的勞動強度，方便了工人的維修保養等等。正是諸多的優點，這種控制方式已得到了越來越多地應用。