經(jīng)濟(jì)適用型DCS系統(tǒng)在紙機(jī)上的應(yīng)用

劉承棟 段靜波

(1.ABB(中國(guó))有限公司制漿造紙部，北京，100015;2.山西強(qiáng)偉紙業(yè)有限公司，山西壽陽，045400)

經(jīng)濟(jì)適用型DCS系統(tǒng)在紙機(jī)上的應(yīng)用

劉承棟1段靜波2

(1.ABB(中國(guó))有限公司制漿造紙部，北京，100015;2.山西強(qiáng)偉紙業(yè)有限公司，山西壽陽，045400)

文章介紹了作為紙機(jī)的過程控制 (DCS)與全廠自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)的800xA系統(tǒng)方案在山西某廠新紙機(jī)項(xiàng)目上的應(yīng)用。該方案通過軟件功能以保證系統(tǒng)的實(shí)用性，并對(duì)系統(tǒng)的高端配置進(jìn)行了精簡(jiǎn)優(yōu)化，詳細(xì)研究工程設(shè)計(jì)、實(shí)施中可以節(jié)約投資的細(xì)節(jié)，提高了DCS系統(tǒng)的的投資回報(bào)率。

過程控制;自動(dòng)化系統(tǒng);經(jīng)濟(jì)性

山西強(qiáng)偉紙業(yè)有限公司 (以下簡(jiǎn)稱強(qiáng)偉紙業(yè))是太原齊興偉業(yè)紙業(yè)有限公司的全資子公司，是中小型私有造紙企業(yè)向大型造紙企業(yè)發(fā)展的典型代表。強(qiáng)偉紙業(yè)有限公司年產(chǎn)30萬t石膏板護(hù)面紙項(xiàng)目是山西省造紙行業(yè)的大型項(xiàng)目，該項(xiàng)目以廢紙為原料，熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)資源和能源的綜合利用，形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，追求低碳、環(huán)保、高效、節(jié)能，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。該項(xiàng)目配置了ABB公司800xA DCS系統(tǒng)，在保持國(guó)際先進(jìn)過程控制 (DCS)系統(tǒng)品質(zhì)的同時(shí)，有針對(duì)性地對(duì)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、組態(tài)和調(diào)試細(xì)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)上的優(yōu)化和功能上的客制化。本文著重介紹了該自動(dòng)化系統(tǒng)中DCS的應(yīng)用。

1 強(qiáng)偉紙業(yè)PM1自動(dòng)化系統(tǒng)介紹

圖1為強(qiáng)偉紙業(yè)PM1自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，本自動(dòng)化系統(tǒng)采用了一個(gè)800xA Core作為全廠系統(tǒng)平臺(tái)，在此平臺(tái)上集成了 DCS、質(zhì)量控制(QCS)和紙機(jī)分布傳動(dòng)控制3個(gè)子系統(tǒng)，是ABB公司在制漿造紙行業(yè)特有的自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案。

本系統(tǒng)在制漿操作室配置2臺(tái)PPA操作員站，在紙機(jī)操作室配置1臺(tái)工程師站和3臺(tái)PPA操作員站。按照流程區(qū)域，全廠分為制漿和造紙2個(gè)過程區(qū)域，制漿配置2套AC800M高性能控制器，紙機(jī)過程控制配置1套AC800M高性能控制器，紙機(jī)傳動(dòng)控制配置2套AC800M高性能控制器。

參與過程控制的儀表和電機(jī)控制單元 (MCC)按照設(shè)備安裝位置，就近將信號(hào)線接至3個(gè)機(jī)柜室。碎漿機(jī)柜室配置4個(gè)遠(yuǎn)程IO站、制漿機(jī)柜室和紙機(jī)機(jī)柜室分別配置16個(gè)遠(yuǎn)程IO站，共計(jì)4016個(gè)IO通道，控制著全廠1296臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表、508個(gè)控制回路和259臺(tái)電機(jī)。紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)通過ABB的Drive-Bus控制67個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)。

圖1 強(qiáng)偉紙業(yè)PM1自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 生產(chǎn)流程及操作組

2 系統(tǒng)實(shí)用性

800xA是一款內(nèi)涵豐富、外延廣闊的自動(dòng)化系統(tǒng)，它源于ABB公司的常規(guī)DCS系統(tǒng)，逐步發(fā)展為擴(kuò)展性和集成性非常高的通用自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)。800xA包括了諸多可選的自動(dòng)控制組件。根據(jù)造紙行業(yè)的通用性和本項(xiàng)目的具體情況，選擇了一些符合當(dāng)前科技發(fā)展?fàn)顩r并且適用性強(qiáng)的特性和組件，應(yīng)用于強(qiáng)偉紙業(yè)PM1的DCS系統(tǒng)。

2.1 集成性

在紙機(jī)項(xiàng)目中，自動(dòng)化系統(tǒng)通常包括過程控制(DCS)、紙機(jī)本體邏輯控制 (MCS)、復(fù)卷機(jī)MCS、傳動(dòng)控制 (Drives)系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng) (QCS)、紙病檢測(cè)系統(tǒng) (WIS)、設(shè)備自帶可編程邏輯控制器(PLC)等。各個(gè)系統(tǒng)往往相互孤立，或者使用IO信號(hào)、總線通信等方式進(jìn)行少量數(shù)據(jù)的交換，甚至數(shù)據(jù)的重復(fù)采集。

本項(xiàng)目中采用了800xA作為工廠主要自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，除集成了過程控制DCS的基礎(chǔ)控制功能外，還集成了QCS和傳動(dòng)控制系統(tǒng)的信息。表象上，工廠的操作和管理人員能夠在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上瀏覽DCS過程畫面、QCS曲線、紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中全部傳動(dòng)點(diǎn)的主要狀態(tài)和診斷信息。本質(zhì)上，工廠DCS、QCS和傳動(dòng)的全部信息都使用了統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)，為全廠信息集成和管控一體化提供了便捷的實(shí)現(xiàn)通路。

2.2 生產(chǎn)過程的分組與自動(dòng)化

全廠主流程按照工藝分為ONP制漿、OCC制漿、流送、流漿箱和紙機(jī)輔助系統(tǒng)5個(gè)工段，共35個(gè)操作組 (如圖2所示)，操作員通過組啟動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)順序開機(jī)，也可以通過對(duì)應(yīng)的組停止實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的工藝流程的自動(dòng)停機(jī)。

2.3 高效的操作性能

系統(tǒng)的人機(jī)接口提供個(gè)性化的操作環(huán)境，以操作員為中心，重點(diǎn)幫助操作人員實(shí)現(xiàn)便利的操作和迅速的信息訪問。

操作界面分為應(yīng)用欄Application Bar、顯示欄Display Bar、顯示區(qū)域Display area、狀態(tài)欄Status Bar。

應(yīng)用欄位于操作屏幕的最上部，顯示系統(tǒng)報(bào)警列表、過程報(bào)警列表等需要固定顯示的重要信息，也用于顯示操作人員使用頻率高的系統(tǒng)導(dǎo)航按鍵組等。

顯示欄和顯示區(qū)域用于顯示操作流程畫面，占據(jù)了屏幕最大的中間區(qū)域。顯示區(qū)域根據(jù)工藝流程設(shè)有流程導(dǎo)航鍵和組操作鍵，操作員能在任意畫面調(diào)取其他相關(guān)畫面并隨時(shí)操作對(duì)應(yīng)的流程組。

流程所顯示的被控對(duì)象，采用 ABB的“目標(biāo)屬性”結(jié)構(gòu)，任一臺(tái)設(shè)備和任一個(gè)控制回路均可由鼠標(biāo)右鍵直接調(diào)取其相關(guān)的屬性，比如一個(gè)閥門目標(biāo)的閥位、操作狀態(tài) (手自動(dòng))、操作面板、操作記錄、趨勢(shì)圖、報(bào)警記錄等屬性。

圖3 操作畫面

系統(tǒng)采用ABB的制漿造紙功能庫(kù) (PPL)，PPL提供的目標(biāo)顯示包含了模擬量顯示、數(shù)字量顯示、PID回路、電機(jī)、變頻器等常見應(yīng)用項(xiàng)目。特別是其目標(biāo)連鎖的指示，提供了被控目標(biāo)的連鎖狀態(tài)和連鎖信息，操作員不但能瀏覽到目標(biāo)是否在連鎖狀態(tài)，而且可以按照連鎖信息的指導(dǎo)進(jìn)行操作，逐條解除連鎖，達(dá)到設(shè)備和流程的正常生產(chǎn)，減少了操作員的分析和決策時(shí)間，從而大大提高了生產(chǎn)效率。

為了擴(kuò)展操作視野，系統(tǒng)配置了雙屏顯示，從而減少了操作員調(diào)取畫面消耗的時(shí)間。

2.4 故障診斷

在系統(tǒng)的任何一個(gè)站點(diǎn)均可通過Plant Explore訪問系統(tǒng)狀態(tài)顯示器，如圖4所示。

圖4800 xA系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器

系統(tǒng)狀態(tài)顯示器將整個(gè)800xA系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件組建均對(duì)應(yīng)映射到了圖4所示的樹狀結(jié)構(gòu)中，使用不同顏色來標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)，并在右側(cè)提供了故障的詳細(xì)描述和產(chǎn)生時(shí)間，方便維護(hù)工程師檢查和判斷故障點(diǎn)，減少相應(yīng)的維護(hù)停機(jī)時(shí)間。

2.5 審計(jì)追蹤

系統(tǒng)提供了安全訪問和訪問控制功能，允許工程師定義操作人員的訪問范圍和操作權(quán)限，并提供審計(jì)追蹤功能。系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)變化、操作員的操作行為、系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)行為等均可以記錄在審計(jì)日志中，而審計(jì)日志又可以通過報(bào)警列表和事件列表進(jìn)行顯示。

審計(jì)日志中可以包含非常詳細(xì)的信息，例如:操作的日期和時(shí)間、操作產(chǎn)生的客戶端名稱和地址、操作產(chǎn)生的用戶名、操作的類型、操作所涉及的目標(biāo)名稱和屬性、與目標(biāo)屬性系統(tǒng)相關(guān)的其他信息。

通過Windows系統(tǒng)的訪問設(shè)置，可以組態(tài)相關(guān)的控制權(quán)限，使得非指定用戶不能訪問審計(jì)日志所在屬性服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，以防止審計(jì)信息被非法纂改。

3 在工程執(zhí)行過程中提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性

以上描述的DCS功能是基于ABB公司的800xA擴(kuò)展自動(dòng)化系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于強(qiáng)偉紙業(yè)中等規(guī)模紙機(jī)生產(chǎn)線而言，配備如此高端的DCS系統(tǒng)通常是會(huì)被認(rèn)為投資大而造成浪費(fèi)。而事實(shí)上，系統(tǒng)在項(xiàng)目實(shí)施過程中充分分析了系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，目的是對(duì)系統(tǒng)盡量精簡(jiǎn)，在保證系統(tǒng)功能的前提下節(jié)約投資，以提高投資回報(bào)率。

3.1 關(guān)于供配電

在原始設(shè)計(jì)方案上，DCS系統(tǒng)是一個(gè)完全隔離的系統(tǒng)，除兩線制變送器和控制閥外，不對(duì)外輸出電能。這使得現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)閥接收到干接點(diǎn)信號(hào)后再串接1個(gè)24VDC電源提供動(dòng)作能量，現(xiàn)場(chǎng)儀表就需額外配備1套現(xiàn)場(chǎng)220VAC/24VDC供電系統(tǒng)，不但成本上升，而且造成了電能及信號(hào)的流向更加復(fù)雜。為了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和電能與DCS系統(tǒng)的隔離而額外增加了投資。

本項(xiàng)目生產(chǎn)的是石膏護(hù)面紙，工藝流程中不具有大規(guī)模易燃易爆的流程區(qū)域。ABB公司的DCS系統(tǒng)已經(jīng)配備了足量的24VDC供電功率，且不需要進(jìn)行大規(guī)模的信號(hào)隔離。經(jīng)討論分析，決定采用DCS統(tǒng)一提供24VDC給現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量設(shè)備的方式，為工廠節(jié)約了1套現(xiàn)場(chǎng)24VDC供電系統(tǒng)，同時(shí)減少了故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的可用率。

3.2 關(guān)于中間繼電器

在DCS直接驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)24VDC設(shè)備的同時(shí)，DCS不再使用24VDC的繼電器和干觸點(diǎn)，節(jié)約了大約500個(gè)繼電器，同時(shí)節(jié)省了繼電器的安裝機(jī)柜和機(jī)柜所占建筑空間。每個(gè)繼電器按照1W計(jì)算，在投資節(jié)省的同時(shí)，每年節(jié)電大約4000 kWh。

3.3 關(guān)于網(wǎng)絡(luò)和通信

在項(xiàng)目建設(shè)初期，QCS和紙機(jī)分布傳動(dòng)控制系統(tǒng)均為單獨(dú)訂貨，雖然均是ABB公司的系統(tǒng)，但為獨(dú)立系統(tǒng)，只預(yù)留了相應(yīng)的系統(tǒng)接口。在引入ABB公司的800xA DCS系統(tǒng)后，ABB公司的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一為一個(gè)整體的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，由ABB公司的3個(gè)系統(tǒng)共用。一是完成了系統(tǒng)集成，二是節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)敷設(shè)，3個(gè)系統(tǒng)之間的通信改走800xA的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還節(jié)省了系統(tǒng)之間的通信接口軟硬件。

3.4 關(guān)于操作站

DCS系統(tǒng)在800xA平臺(tái)上集成了QCS和傳動(dòng)控制系統(tǒng)，使得原有的系統(tǒng)操作站更具通用性，能夠展示更多的系統(tǒng)信息，在某種意義上也是節(jié)約。

3.5 關(guān)于控制器

DCS配有3臺(tái)AC800M控制器，QCS配有1臺(tái)AC800M控制器，DCS系統(tǒng)和QCS系統(tǒng)集成后，系統(tǒng)原有的應(yīng)用也可以集成，使得系統(tǒng)在保持CPU容量足夠的情況下，節(jié)省出1臺(tái)控制器作為備件。

4 結(jié)語

強(qiáng)偉紙業(yè)石膏護(hù)面紙項(xiàng)目DCS系統(tǒng)已于2010年10月安裝并投入使用。該系統(tǒng)采用的800xA系統(tǒng)為國(guó)際上技術(shù)領(lǐng)先的、適用于大型紙機(jī)的控制系統(tǒng)，本文介紹的系統(tǒng)功能是生產(chǎn)過程中最實(shí)用的功能選項(xiàng)，可供項(xiàng)目工程師在項(xiàng)目初期設(shè)計(jì)與采購(gòu)時(shí)參考。系統(tǒng)在項(xiàng)目執(zhí)行過程中的部分工程細(xì)節(jié)是在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的可行性工程方法。

綜上所述，本項(xiàng)目DCS系統(tǒng)屬于“經(jīng)濟(jì)適用型”，做到了物盡其值，相關(guān)系統(tǒng)特性和工程方法適用于關(guān)注投資回報(bào)率的中小型企業(yè)和初次涉足大型紙機(jī)的私營(yíng)企業(yè)。

［1］徐廣新．企業(yè)自動(dòng)化與信息化平臺(tái)技術(shù)的研究與開發(fā)［C］．首屆全國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)工程師論文大賽．電氣時(shí)代2006增刊．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］金以慧．過程控制［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1999．

［3］劉承棟．800xA平臺(tái)上的制漿過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施與優(yōu)化［D］．北京:北京工業(yè)大學(xué)，2010．

［4］鐘益聯(lián)．造紙機(jī)控制系統(tǒng)及QCS、DCS的選擇［J］．中國(guó)造紙，2002，21(3):65．

［5］王孟效，湯 偉，姚 鵬，等．我國(guó)漿紙自動(dòng)化現(xiàn)狀［J］．中國(guó)造紙，2004，23(9):53．

［6］林曙明．整廠綜合方案節(jié)省時(shí)間和資金［J］．國(guó)際造紙，2003，22(2):44．

［7］周海軍．DCS實(shí)現(xiàn)造紙廠節(jié)電的研究［J］．中國(guó)造紙，2005，24(10):45．

［8］張國(guó)夫，王 穎，房自發(fā)，等．一個(gè)實(shí)用的造紙廠集散控制系統(tǒng)(DCS)［J］．中國(guó)造紙，1997，16(5):20．

The Cost Saving DCS for a New Paper Machine

LIU Cheng-dong1，*DUAN Jing-bo2
(1．LBU Pulp＆ Paper，ABB(China)Co．，Ltd．，Beijing，100015;2．Shanxi Qiangwei Paper Co．，Ltd．，Shouyang ，Shanxi Province，045400)
(*E-mail:chengdong．liu@tom．com)

800xA was selected to be the DCS of a new paper machine and also the platform for the overall automation systems of the whole mill．The practicability of the system was guaranteed by the software function．Through simplifying and optimizing the high end components of the system，analyzing the cost saving items in design and implementation，the ROI(Rate of Return of Investment)was significantly improved．

distributed control system;cost saving．

TS736

B

0254-508X(2011)07-0048-04

劉承棟先生，高級(jí)工程師;主要研究方向:集散控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用，智能控制理論、方法的研究與實(shí)現(xiàn)。

2011-03-25(修改稿)

(責(zé)任編輯:常 青)