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摘要 介紹了一種新的蒸發(fā)工段DCS控制方法，采用S7PLC CPU 414-2DP，連接ET200系列的分布式I/O系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)伺服系統(tǒng)所組成的DP控制網(wǎng)絡(luò)，對堿回收蒸發(fā)工段實施集散控制的優(yōu)化控制方案。
關(guān)鍵詞 堿回收 蒸發(fā) 集散控制
The Application of PLC to evaporation workshop on
alkali Recovery
(ZHAO Kai-kun WANG Jing Li Ming-hui)
(1. Shaan Xi Science And Technology University,China)
Abstract:This paper introduces a new control method. It applies S7 PLC CPU412-2DP and connects DP controlled network that is formed by distributed input & output (I/O) system belongs to ET200 series and standard auto server system .Using the method, The evaporation workshop about recycling allali can be integratedly and dispersedly controlled.
Key Words:recycling alkali , evaporation ,integrated and dispersed control.
0引言
黑液蒸發(fā)把洗選工段產(chǎn)生的副產(chǎn)品------稀黑液高度濃縮后送燃燒工段處理，堿回收設(shè)備的工況十分惡劣，尤其是腐蝕性和黑液結(jié)垢問題很為棘手，平穩(wěn)整個工藝過程的運行，使設(shè)備工作在合理，最優(yōu)的工藝參數(shù)范圍內(nèi)是減慢結(jié)垢速度、延長設(shè)備使用壽命的有效方法。
由于后續(xù)工段燃燒的要求，蒸發(fā)站的出濃液濃度不能低于某個極限，但出濃液濃度偏高也會帶來許多問題，如蒸汽消耗大、結(jié)垢速度加快，管道阻力大，易堵，惡化燃燒工段許多設(shè)備如圓盤蒸發(fā)器的工況等。我國制漿造紙堿回收設(shè)備中，對黑液蒸發(fā)濃度實施自動控制的比例很小，而不熟練的手工操作易出現(xiàn)出濃液深度偏低或偏高的情況，使設(shè)備工作在不合理的工況。本文簡要介紹作者在河南白云紙業(yè)五效蒸發(fā)站實施計算機集散控制的控制方案。
1控制方案
黑液蒸發(fā)的主要設(shè)備是蒸發(fā)器。蒸發(fā)器串聯(lián)組成蒸發(fā)站。本設(shè)計中所控制的蒸發(fā)站是由五臺板式降膜蒸發(fā)器串聯(lián)組成。除此之外，還有一些輔助的蒸發(fā)設(shè)備，如降膜板式冷凝器，溫水槽，稀黑液槽, 閃蒸罐，液位罐等。在黑液蒸發(fā)過程中包含以下三個基本的工藝流程，即蒸汽流程，黑液流程，冷凝水流程。本蒸發(fā)站中，外網(wǎng)來低壓蒸汽(0.4Mpa 151℃)，首先進(jìn)入I效蒸發(fā)器，I效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)閃蒸罐閃急蒸發(fā)后，再引入II效，為II效蒸發(fā)器提供熱源，以此類推直至末效。末效二次蒸汽經(jīng)冷凝后成冷凝水排出，不凝氣體則由真空泵排空。而黑液則采用逆流供液方式，即制漿車間來稀黑液，首先進(jìn)入稀黑液槽,經(jīng)稀黑液泵進(jìn)入末效蒸發(fā)器，然后再到IV效，III效，以此類推，直至I效。與蒸發(fā)流程反向而行。這樣隨著黑液濃度的提高，蒸發(fā)溫度也提高，而黑液粘度增加緩慢。蒸汽流與黑液流反向而行的供液方式，不僅可節(jié)省蒸汽消耗，部分程度上也可緩解黑液結(jié)垢問題。
在本蒸發(fā)工段的主要控制目標(biāo)是穩(wěn)定濃黑液的深度和降低蒸汽消耗，影響濃黑液波美度的因素主要是進(jìn)效稀黑液的濃度和流量及蒸發(fā)設(shè)備各效的總有效差壓。穩(wěn)定有效差壓首先要穩(wěn)定進(jìn)第I效的新鮮蒸汽的壓力和末效二次蒸汽的真空度，即穩(wěn)定總壓差。然后盡量減少和穩(wěn)定蒸發(fā)過程中的壓差損失，因此，必須要控制下列參數(shù)：
進(jìn)效稀黑液的濃度和流量；
（1） 出效濃黑液的濃度；
（2） 進(jìn)效新鮮蒸汽的壓力和流量；
（3） 末效的二次蒸汽的真空度；
（4） 出效黑液的液位；
（5） 出效冷卻水液位；
所以，我們選取壓力、流量、溫度、液位為主要的控制對象，共設(shè)置了8路壓力、6路流量、21路溫度、16路液位總計51個測控點。為防止流送過程中，因電機啟停不當(dāng)而造成的不良后果，我們又對所使用的22臺電機實行連鎖控制。
1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1.1本自動控制系統(tǒng)采用西門子先進(jìn)的S7-400可編程控制器。它是西門子公司開發(fā)的適合當(dāng)代計算機技術(shù)發(fā)展的新一代可編程控制系統(tǒng)。它具有更高的控制能力、運算速度、網(wǎng)絡(luò)功能和更優(yōu)的性能價格比。通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線可與ET200M I/0站相連。ET200M 可置于MCC低壓柜旁邊，從而可方便將電機和泵類的控制納入DCS中去。
1.1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)。其優(yōu)點：
抗干擾能力強，不需特殊的接地要求，不對其它電子設(shè)備產(chǎn)生影響。
中央處理單元型號為CPU 414-2DP。系統(tǒng)的輸入輸出模板的型號和數(shù)量由現(xiàn)場電氣和儀表信號的類型和數(shù)量決定。具體如下：
圖1 硬件控制系統(tǒng)示意圖
DI模板主要用于顯示電機啟停和過載指示；DO模板用于控制電機啟停；AI模板主要用于對電動機電流、功率以及各測控點如溫度、壓力、流量、液位進(jìn)行采樣顯示。DO模板在實際應(yīng)用中為提高抗干擾能力和控制容量要通過中間繼電器隔離，由中間繼電器觸點去控制電氣設(shè)備（如接觸器etc）。模擬量輸入模板在使用前要通過跳線組態(tài)成本方案所需要的輸入方式。
各模板的型號、數(shù)量確定后，再選擇放置模板的框架的型號和數(shù)量以及電源的型號和數(shù)量。最終選用長為530mm的導(dǎo)軌。據(jù)模板的數(shù)量選取擇4個機架，考慮到成本問題而選取用了3個S7-300機架，1個S7-400機架，一個為主框架（含3個機架、一個S7-400機架、2個S7-300機架）放在蒸發(fā)主控制拒中，另一個遠(yuǎn)程控制I/O框架(含一個S7-300機架)放在ET200蒸發(fā)控制柜中。
2控制措施
紙機堿回收控制中濃黑液在線測量一直是一個難題，而濃度控制是堿回收蒸發(fā)工段的最終控制目標(biāo)，其控制效果的好壞對后續(xù)燃燒工段起著舉足輕重的作用，雖然濃黑液的濃度無法直接測量，但在本項目中可利用黑液的沸點在一定的壓力下隨其濃度的增大而升高的特性進(jìn)行間接測量。即D= F（P，T）其中 D：濃度P：壓力T：溫度。為了使系統(tǒng)更穩(wěn)定，對濃黑液的濃度和進(jìn)效蒸汽實施串級控制方案。事實證明在對駐馬店遂平白云紙業(yè)的工程中不但效果穩(wěn)定而且節(jié)能。如圖：
圖2 濃黑夜?jié)舛瓤刂品桨?/DIV>
3軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300系列產(chǎn)品。在設(shè)計當(dāng)中，根據(jù)設(shè)備測控點的情況和廠方用戶的要求，系統(tǒng)以S7314-2DP控制器為核心，通過PROFIBUS-DP總線與2個ET200M遠(yuǎn)程站相連（如圖2 所示），用于采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)信息和控制算法的實現(xiàn)。在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，數(shù)字量輸入輸出，、模擬量輸入輸出都留有部分備用，已備系統(tǒng)將來擴充的需要。西門子公司的ET200系列是采用PROFIBUS-DP協(xié)議的分布式I/O，應(yīng)用時，S7PLC作為DP主站，通過帶有集成DP接口的CPU315-2DP接到PROFIBUS總線，而ET200作為DP從站接到PROFIBUS。整個控制系統(tǒng)采用兩個控制柜（主柜和副柜）。S7主站、#1 ET200M從站放在主柜，采集系統(tǒng)的模擬信號；#2 ET200M從站放在副柜，用來采集工段的電動機執(zhí)行機構(gòu)閥位反饋信號及輸出執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動信號。系統(tǒng)采用主站加從站的結(jié)構(gòu)，可使系統(tǒng)造價降低，并且擴展靈活。
據(jù)本工段的工藝特點和工藝要求，我們編制了采樣子程序，該程序主要用于對所設(shè)測控點的溫度壓力流量進(jìn)行信號采樣；受外界影響，在不同時刻所采樣的信號精確度不夠高，為此我們又編制了濾波子程序，以及PID控制程序和量程轉(zhuǎn)換子程序、電機啟停子程序、設(shè)備間連鎖子程序等。
4人機界面操作系統(tǒng)（HMI）
這部分主要由操作站、工程師站和打印機（外部設(shè)備）組成，實現(xiàn)人機接口。它的主要功能是集中各分散過程控制裝置送過來的信息，通過監(jiān)視和操作，把操作和命令下送到各分散控制裝置。工業(yè)控制PC以Wincc作為人機界面，并分別設(shè)置了操作員站和工程師站。操作員站（OPU）用于畫面顯示、報警、泵和電機的手/自動啟停以及現(xiàn)場各被控參數(shù)的采集、顯示和控制，而工程師站（ENG）用于工程師對生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)視、打印報表以及對工藝參數(shù)和控制器參數(shù)的修改等。操作員站和工程師站的畫面組態(tài)軟件選用SIEMEN公司的WINCC完成用戶二次軟件開發(fā)。PC的主要功能是顯示工藝流程、電機及閥門等的運行狀態(tài)及控制、故障報警、故障發(fā)生的部位及其處理方法；顯示溫度、液位等模擬量，并能通過打印機打印。WINCC是西門子公司專門為過程控制和現(xiàn)場監(jiān)控開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件，本系統(tǒng)分別制作了蒸發(fā)工段一、蒸發(fā)工段二個工藝畫面，畫面中的各參數(shù)的設(shè)定都是隨著PLC的改變而改變的。工作人員可以通過這些畫面監(jiān)控各個電動機的運行和池中液位的高低，而且可隨時根據(jù)系統(tǒng)運行狀況而直接控制電動機的運行。
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圖3 蒸發(fā)工段工藝圖
5 仿真結(jié)果
圖4～圖6是蒸發(fā)器液位、板式冷凝器冷凝水的溫度、蒸汽壓力的仿真結(jié)果。
圖4 蒸發(fā)器稀黑液液位
圖5 板式冷凝器冷凝水的溫度
圖6 進(jìn)效蒸汽的壓力
從圖4～圖6可看出：3個被控參數(shù)在階躍輸入信號作用下的響應(yīng)曲線的衰減比都近似于4：1，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時間短，能很快達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)超調(diào)量小，且控制精度都比較高，其動態(tài)性能、穩(wěn)定性能都能滿足廠方的要求，如精度為0.05,遠(yuǎn)小于廠方提出的0.02，蒸發(fā)器開機10秒左右，液位、溫度基本穩(wěn)定于設(shè)定值。
6 應(yīng)用體會
本S7-300具有以下顯著特點：（1）循環(huán)周期短、處理速度高；（2）程序結(jié)構(gòu)簡單、可用于復(fù)雜功能；（3）產(chǎn)品設(shè)計緊湊、可用于空間有限的場合；（4）模塊化結(jié)構(gòu)、適合緊密安裝；（3）無需電源備份，免維修；（4）可在惡劣氣候條件下露天使用。而且添加的分布式I/O與PLC站中的本地I/O具有同一的編址，因此在用戶程序中可以像訪問本地I/O一樣方便的訪問分布式I/O,這樣編程時就完全不必考慮一個I/O地址在物理上是通過何種方式連接的。本系統(tǒng)抗干擾能力強，控制精度高，傳輸數(shù)據(jù)及時可靠。高效、節(jié)能，已于2002年6月投入現(xiàn)場使用，經(jīng)過近半年來的現(xiàn)場運行，系統(tǒng)至今仍穩(wěn)定可靠。
參考文獻(xiàn)
【1】華南理工大學(xué) 天津輕工業(yè)學(xué)院合編.制漿造紙機械與設(shè)備[M].北京：中國輕工業(yè)出版社1999
【2】鄭冕，鞏建平，張學(xué).現(xiàn)代可編程控制器原理與應(yīng)用[M].北京：1999..科學(xué)出版社 | 
