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徐琳芳，薛鈞義，于詠梅

1  引言
目前，國內很多制漿造紙廠還是采用基于簡單機械設備的傳統生產加工方式，或者采用集中式控制系統，這些方式只能適用于小型控制任務，可靠性較低，承受負荷能力小，數據處理慢，生產效率也較低。江門甘蔗化工廠（集團）股份有限公司為進一步提高生產能力，以滿足市場需要，對紙漿篩洗及紅液提取工段進行技改，引進國外先進的紙漿生產設備，全套改造生產流水線，并開發了基于西門子目前最先進的“全集成自動化”過程控制系統PCS7的集散控制系統，這是國內首次將西門子的過程控制系統PCS7應用于甘化行業中，改造后的系統生產能力從原來的170噸/天提高到255噸/天，提高了技術水平和勞動生產率，節約了能源，降低了消耗，保障了生產的可靠性、安全性。該系統的投入運行，不但實現了紙漿篩選和洗滌兩個基本過程的工業自動化控制，更重要的是達到了蒸煮廢液即紅液的高濃提取和回收利用的目的，改變了傳統紙漿加工過程中將紅液作為廢液排棄的狀況，既保證了紙漿的高度潔凈，又使紅液中的化學藥品與熱能得到綜合利用，變廢為寶，同時解決了制漿廠蒸煮廢液污染環境的重大問題，該項目成為國家環保改造項目。
2  工藝簡介
整個制漿工藝流程包括原料貯存、備料、蒸煮、篩選、洗滌和漂白六個基本過程。紅液提取生產線DCS自動化測控系統主要完成兩個環節：廢液提取和紙漿篩選洗滌。工藝流程如圖1所示。

 
圖1  紙漿篩洗及紅液提取工藝流程圖

本系統采用的是奧地利ANDRITZ公司的先進紙漿篩洗設備。該設備具有纖維原料損失少，雜質剔除效果好，紙漿洗滌潔凈度高，水、電、汽消耗少的特點。紙漿篩選工段粗篩系統主要由一段除節機、二段除節機、高濃除砂器等設備組成，從兩個放漿鍋出來的不同原料的蒸煮漿經混和漿池混和后，進行粗篩，完全除去樹脂、泥沙、碎石、鐵屑等非纖維性雜質和粗纖維束、木節等粗大纖維性雜質，良漿送入精篩系統中的一段壓力篩；尾渣進入中濃水力碎漿機，經碎漿后送往它處再利用。紙漿篩選工段精篩系統主要由一段壓力篩、二段壓力篩、三段壓力篩和低濃除砂器等設備組成，對粗篩得到的良漿進行精選，最大效率的除去纖維性雜質，良漿送入洗滌工段中的雙網壓濾洗漿機（TWWP），它是洗滌工段的主要設備，完成逆流置換洗滌，壓榨脫水的工作，用溫水將紅液從良漿中置換出來，盡量與紙漿分離，以保證紙漿的潔凈，并使紅液保持盡可能高的濃度，以利于回收利用。經脫水后的漿層進入螺旋輸送機，預稀釋后送入除砂系統。除砂系統包括四級錐形除砂器，進一步除去良漿中的細小泥沙，濃度由高到低，凈化后送至多圓盤濃縮機進行脫水濃縮，再加水稀釋保證濃度達到漂白工段要求，儲存在貯存漿池，供漂白工段使用。
3  總體控制策略
本制漿廢液治理技改工程DCS測控系統實現分散控制，集中監控管理的工作模式。系統結構如圖2所示。

 
圖2  紙漿篩洗及紅液提取DCS系統結構圖

整個系統分別由1個AS（自動化系統）控制站，工程師站（兼作操作員站）和操作員站組成。AS控制站以西門子的S7-400可編程控制器作為核心，具有速度快，內存容量大，安全可靠性強的特點，下掛6個ET200M遠程I/O站，采集現場智能儀表數據信息，選用專門的有源背板總線，具有帶電熱插拔特性，大大提高了系統的可用性和靈活性。其中一個ET200M遠程I/O站配有一個通訊處理器CP340，中控室配置有一臺大型模擬控制屏，利用此通訊處理器的RS232串行接口實現模擬屏與控制器的通訊，提供動態顯示生產流程實時信息及故障報警功能。操作員站完成現場監測控制與管理，包括用戶管理、工藝流程顯示、控制操作、參數修改、故障報警顯示、數據歸檔及歷史趨勢圖顯示、報表及報警打印。整個系統采用兩層網絡結構，實現數據傳輸。AS控制站與工程師站、操作員站之間采用MPI系統總線，工程師站和操作員站配有通訊卡CP5611，提供MPI/DP接口。S7-400控制器與遠程I/O站之間采用PROFIBUS-DP現場總線通訊。整個DCS測控系統又可以通過標準以太網與公司的企業管理網連接。
該測控系統采用西門子公司最先進的過程控制系統PCS7作為自動化系統的軟件平臺。具有以下優點：采用模塊化結構，由多級部件組合而成。功能覆蓋分散過程控制級、集中監控管理級和通信部分，提供了進行集散控制系統配置時的最優支持。融入現場總線技術，將PLC真正融入到DCS中，實現了集成過程控制。開放性強，具有較高的可擴展性和可聯接性，靈活性大。
因為該系統是對整個生產線的控制，工藝較為復雜，控制對象又多，所以控制回路之間聯鎖關系復雜，通過互鎖信號建立之間的關系。同一類型的被控對象自身完成的基本控制相似，根據這一特點，采用模塊化的編程思想，編寫PID、電機、開關閥標準控制模塊，利用PCS7特有的連續功能流程圖（CFC）編程環境，分別在模擬量、電機、開關閥控制程序中調用各功能模塊。CFC編程基于面向對象技術，以功能塊為基礎進行程序開發，功能塊包含在元件庫中，當調用功能塊時，生成含局部數據的實例數據塊(Instance Data Block)。
4  幾個關鍵控制問題的實現及優化
(1)  風干漿產量的控制
本系統改用國外先進的制漿設備系統，采用集散控制系統進行自動化控制，目的在于提高紙漿的產量和質量，所以產量和質量是衡量自動控制效果的一個重要指標。要保證雜質剔除率高，纖維損失少，生產效率高，各篩洗設備的進漿、出漿和稀釋水流量、濃度都必須按照設備篩洗效率進行嚴格配比和精確控制。根據工藝要求，采用比值加多級串聯控制方法。
本系統產量范圍在0～170噸/天，設計產量為255噸/天，要使雙網壓濾洗漿機出來的風干漿達到設定的產量值，必須保證TWWP的上漿濃度和流量達到要求值，因為產量由紙漿流量和濃度決定。一段壓力篩段流程示意圖如圖3所示。

 
圖3  一段壓力篩段流程示意圖

生產中首先給定產量的設定值和上漿濃度的設定值，為了達到期望值，必須控制上漿流量。這里根據產量的設定值，反算出TWWP進口流量，該流量又是一段壓力篩的良漿出口流量，對其的控制又是通過控制一段壓力篩的良漿進口流量和稀釋水進口流量來實現的，計算出的TWWP進口流量加上一段壓力篩尾漿出口1實際流量和尾漿出口2實際流量得到的總流量，按一定的配比關系進行運算作為一段壓力篩良漿進口流量和稀釋水進口流量的PID控制的外部設定值（SPR），從而達到控制產量的目的。
這里，一段壓力篩良漿進口流量和稀釋水進口流量控制回路采用不完全微分的PID控制算法，其它大部分流量、濃度、液位和壓力模擬量的控制都采用此算法。該算法實用、有效，加入了慣性環節，以克服完全微分的缺點。其傳遞函數表達式為：
    (1)
不完全微分的PID位置算式為：
     (2)
其中， ， ，
式(1)、(2)中，u(k)為第k次調節器的輸出，e(k)為偏差信號，KP為比例系數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數，KD為微分增益。在偏差信號送入PID調節之前，進行了標準化處理，變為0～100之間的數，變換公式為：
            (3)
其中，SP為設定值，PV為過程值（測量值），PVHR為過程值上限，PVLR為過程值下限，可以人為設定。輸出也為0～100之間的數，經過工程量變換，得到實際物理意義的值。這里的PID輸出與現場閥門開度的位置一一對應。
一段壓力篩良漿進口流量控制回路是在滿足一段除節機出口水泵和一段壓力篩出口水泵啟動的條件下才開始PID調節的，調節前輸出保持為零。在調試過程中發現，當此控制回路滿足條件開始工作時，輸出從0開始變化，初始階段閥門調節動作大，這樣產生的流量波動大，影響系統的平衡。所以，對此進行了優化，程序中增加了一個強迫值輸入，作為手動給定輸出，不經過PID調節，直接控制閥門開度，在一段除節機出口水泵和一段壓力篩出口水泵都啟動后的一小段時間內給定閥門開度35％，然后閥門開度再由PID調節控制，這樣，PID的輸出初始值由原來的0變為35％，在此基礎上開始調節，保證在目標范圍內進行PID調節，提高了控制精度和速度。在生產過程中，一段除節機出口水泵會因為工藝要求的聯鎖關系或故障而停機，此時意味著無良漿向后繼部分送出，后繼部分應該做出相應的反映。所以增加了聯鎖關系，通過在程序中增加手動給定信號來實現對輸出的直接控制。在一段除節機出口水泵停機的最初一段時間內，禁止PID控制，一段壓力篩稀釋水流量控制回路、一段壓力篩尾漿出口1流量控制回路和尾漿出口2流量控制回路的手動給定值作為輸出控制閥門開度，保證后繼部分處理完之前流入的漿；這段時間過后，自動回到PID控制。
(2)  紅液濃度及溫度的控制
紅液提取是該系統主要解決的一個問題，提取出的紅液要達到一定的溫度和濃度，從而減少后繼紅液蒸發工段的工作時間，節約能源，此過程是通過雙網壓濾洗漿機完成的。先進行預脫水形成漿層，再利用真空吸水原理完成四次逆流置換洗滌過程；然后漿層借著壓力進行脫水和吸水式洗滌；最后通過三個線壓區壓至最高干度，從而得到高的抽提洗滌效率。在逆流置換過程中，用洗滌水置換出紅液，既要盡可能的洗凈紙漿，又要保證提取出的紅液的一定濃度，所加的洗滌水量要嚴格控制。按照每噸風干漿需要多少升洗滌水來計算洗滌水的流量的外部設定值，進行洗滌水流量PID調節。提取出的紅液的溫度要控制在60℃左右，所以要用至少60℃的洗滌水作為置換水。
(3)  水力碎漿機內漿濃度的控制
二段除節機和三段壓力篩排出的尾渣一般還攜帶了一些粗大纖維性物質，可經過再處理用于加工粗紙，以節約資源。尾渣送入水力碎漿機，加水稀釋，利用水力碎漿機體內的旋轉葉輪攪拌切割，將大而粗的木節或草節打碎，為了能讓旋轉葉輪達到最佳的切割效果，水力碎漿機內尾漿的濃度必須控制在合適的大小，既不會使濃度太大造成旋轉葉輪的負荷加大，無法充分切割，也不會使濃度太小造成旋轉葉輪觸及不到需要切割打碎的粗大物質。本系統水力碎漿機內尾漿濃度設計值為8％，是通過控制尾渣累積時間來實現的。三段壓力篩排出的尾漿的濃度較大，一般為21％，流入水力碎漿機尾渣表面分布不均勻，測得的水力碎漿機內尾漿的液位值不準，所以要打開入水閥加白水稀釋，并且間歇式的運行攪拌電機進行均勻攪拌，運行時間通過定時器控制；尾渣不斷流入水力碎漿機，待達到一定濃度，連續運行攪拌電機一段時間，進行碎漿，隨后打開出口閥排渣，同時打開稀釋水閥加水稀釋，保證出渣口不被堵塞，順利排渣。在調試過程中根據實際情況對一些定時器的計時時間進行了整定和優化，將尾渣累積時間定時器的計時時間加長，以提高濃度，隨之將攪拌電機攪拌時間定時器的計時時間和碎漿時間加長，碎漿效果明顯變好，從而排渣堵塞現象也減少了。
(4)  組群的啟停控制
為了保證生產流水線的連續運行和系統的均衡，在正常全線生產過程中，生產線上的設備必須嚴格按照一定的順序開機與關機。這里將現場的電機、泵和開關閥按工藝特點分組，進行群組啟停控制。在整組設定為自動工作模式時，手動啟動該組運行或停止信號，該組內設備按固定的順序自動依次啟或停。為了更加符合工藝和現場的要求，保證生產流水線的通暢，方便操作，保護設備，在優化過程中程序里增加了組與組之間的聯鎖關系，在除砂段組啟動后，脫水濃縮段組自動啟動；在脫水濃縮段組停止后，除砂段組自動停止。這里，利用PCS7特有的順序功能流程圖（SFC）作為群組啟停程序的實現方法。SFC是將一種圖形編程，順序控制的單元按控制要求放在流程中，只用將注意力集中在轉移條件的配置方面，程序結構清楚；同時無需任何額外的編程，生成的SFC流程圖可以在WINCC人機界面組態軟件開發的監控畫面上顯示，供操作員使用和監控。
5  結語
本制漿廢液治理技改工程DCS測控系統2002年10月底成功投入運行，實現了全線的監測及控制。系統運行穩定、紙漿的篩選和洗滌控制效果好，極大地減輕了生產操作的難度和強度，提高了生產的安全性、管理水平、產品產量和質量，取得了顯著的經濟和社會效益。