PCS7過程控制系統在重質碳酸鈣泡漿線中的應用

王曉勇 向 平

（金東紙業（江蘇）股份有限公司，江蘇 鎮江212132）

0 引言

重質碳酸鈣是文化紙中僅次于植物纖維的第二大造紙原料，在造紙過程中可用作填料、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，有利于環境保護。DCS控制系統是整個重質碳酸鈣生產過程的核心，它能對整個干磨、泡漿配料、濕磨、發料、球洗等生產過程實現邏輯控制。其中，泡漿配料工藝具有控制難度大、控制系統復雜的特點。目前，重質碳酸鈣生產過程DCS控制系統均由國外公司壟斷，金東紙業先后上了2條重質碳酸鈣生產線，它們的DCS控制系統均由奧地利GAW公司設計，該系統利用AutomationX Batch系統完成配料控制，實現了干粉、分散劑和白水的不同比例混合。

為了滿足生產要求，我們自主開發了一套當前最流行的SIMATIC PCS7過程控制系統，實現對Make down泡漿的順序控制及異常處理控制。

1 重質碳酸鈣泡漿工藝

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

第一步加水、分散劑。根據稱重器反饋的數值（0～20mA對應0～15t）計算水的添加量，當達到需要的量時停止加水。根據分散劑流量計的積分計算分散劑的添加量，當達到需要的量時停止添加。完成水和分散劑的添加后，開啟攪拌機，同時啟動干粉下料絞龍，由AS實時監控泡漿桶槽的重量，當達到需要的量時停止加干粉。第一步投配完成后，繼續攪拌50s，AS進行計時，時間到進行第二步投配，直至整個主順序程序完成。配好的物料將通過卸料閥卸入預儲罐，根據預儲罐的液位（＜80%）自動判斷是否繼續進行泡漿。

2 系統硬件設計

2.1 控制硬件組成

采用最簡潔、最常用的結構組成系統控制架構（圖1），即操作站與控制器之間使用以太網通訊，控制器與現場設備之間使用Profibus通訊。

SIMATIC PCS7過程控制系統由 OS（操作站）、AS（控制器）、遠程I／O站ET200M（包含數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、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、執行機構、檢測機構分別有如下功能：（1）OS：主要負責配方輸入。配方的主要參數：產品固含40.0%～70.0%；產品體積5～10m3；分散劑投配量2.5～5.3kg／t；干粉投項次、比例。（2）AS：根據配方生成控制方案，根據檢測機構回饋的信號、數據完成順序控制及異常處理控制。（3）檢測機構：通過AI（模擬量模塊）實時檢測泡漿桶槽重量、分散劑流量、ST（存儲罐）液位。（4）泡漿桶槽稱重器：4～20mA信號送入模擬量模塊，對應的工程量為0～15t。（5）分散劑流量計：4～20mA信號送入模擬量模塊，對應的工程量為0～60L／min。（6）ST液位：4～20mA信號送入模擬量模塊，對應的工程量為0～100%。（7）執行機構：包括碳酸鈣干粉下料絞龍變頻器及馬達、分散劑變頻器及馬達、水閥、卸料閥。

圖1 控制架構

圖2 控制方柜

2.3 控制硬件選型

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

表1 控制功能描述

3 系統軟件設計

3.1 操作站可視化操作畫面設計

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

3.2 控制程序設計

利用圖形控制語言（CFC）、順序控制語言（SFC）及人機界面軟件（WinCC）分別編寫 AS及OS程序，實現Make down泡漿的批次控制，即對干粉下料絞龍、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過程控制系統檢測泡漿桶槽的實時重量、分散劑流量、ST液位，自動實現干粉下料絞龍、水閥、攪拌器、卸料閥的控制。

圖3 控制過程

3.3 泡漿系統主控制程序

依照工藝要求，設計出重質碳酸鈣主控制流程（圖4），參照主控制流程，結合西門子PCS7控制技術，編寫相應的邏輯控制程序及順序控制程序。

3.4 異常處理程序設計

異常處理子程序控制（圖5），主要是在異常狀況下為確保產品質量而執行的安全處理程序。當設備異常時，會自動調用子程序，保存各閥門、電動機的當前狀態，后關閉所有閥門及絞龍電動機，防止罐內物料沉積，啟動攪拌馬達；當異常處理完畢后，恢復各設備的狀態，并跳轉到主程序的中斷點，繼續按順序執行。

圖4 主控制流程

圖5 異常處理子程序控制

4 結語

該系統自投入使用以來，運行穩定，控制準確，自動配制重質碳酸鈣溶液，濃度誤差±0.5%。生產的產品品質達到了預期要求，異常處理程序的設置大大方便了維護工作的進行，同時減少了原料的浪費。

［1］SIEMENS.PCS7深入淺出（版本1.0），2007