淺談造紙工業中涉及到的集成自動化控制系統

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隨著制漿造紙行業規模的擴大，產量的提高，一個大型且完整的制漿造紙體系囊括了：備木，制漿，抄漿，紙機，鍋爐，石灰窯，堿回收，化工廠，水處理廠等不同的工序廠區組成，要從眾多不同的控制系統中選擇出相適應的系統，我們就必須了解工藝的流程、設備的控制要求、不同控制系統的技術性能及控制方向。

而在制漿造紙行業中，以紙機(PM：Paper Machine)和抄漿機(PM：Pulp Machine，又稱漿板機)所涉及到的工業控制系統難度最為復雜、系統種類最多、最完整。筆者以自身安裝、調試、優化的印尼OKI漿紙廠中抄漿線為案例，對所涉及到的各類系統進行介紹和分析。

抄漿是將液體漿制成商品漿板的過程，它的基本組成工段及形狀、結構與造紙機沒有本質的區別。

紙和紙板的區別在于它的定量和厚度。在我國，一般200g/m2以下，厚度500μm以下的，稱之為紙。在此之上的稱之為紙板。國際標準化組織(ISO/R66—1958)則規定一般超過250g/m2的稱之為紙板。

1 DCS系統

1.1 DCS系統的概念及基本特點 DCS：Distributed Control System，集散控制系統，又名分布式計算機控制系統，是利用計算機技術對生產過程進行集中監測、操作、管理和分散控制的一種控制技術，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術，其基本的思想是分散控制、集中管理、分級管理、配置靈活、組態方便。

1.2 DCS系統在實例中的應用 實例中DCS系統是基于ABB的AC800M控制器的集成系統，在PM區域中，主要應用于備漿、流送系統、漿料篩選、上漿、損紙系統、真空系統、噴淋水系統、水系統(白水/清水/密封水/冷卻水/冷凝水)、蒸汽系統、烘箱系統、循環風系統等過程控制?；趯﹂y門開度、泵、風機、電機轉速、加熱器等設備調節來控制流量、壓力、液位、濃度、PH、導電度、溫度等參數。同時也用于對電機的啟/停控制、連鎖控制、設備的群啟/停Group start/stop自動控制等。

ABB DCS系統，常用System 800x A Engineering Workplace工程師軟件，可對不同的架構Structure進行編輯、定義：Admin Structure、Aspect System Structure、Function Structure、Control Structure、Library Structure、Maintenance Structure等。

編程軟件以Control Builder M Professional為主，包含Libraries庫、Application應用、Controllers控制器三大架構，涵蓋了ABB基礎庫調用、功能塊調用、自行編輯設計打包塊、數據類型定義、功能塊類型定義、項目程序編輯、變量編輯、硬件組態、參數配置等功能。

畫面編輯軟件，PhotoGraph Edit，對畫面、變量、鏈接等進行編輯。

2 MCS系統

2.1 MCS系統的概念及基本特點 MCS：Machine Control System紙機控制系統，專用于紙機及抄漿機(工藝流程相似)，對紙機本體上主傳動以外的電動執行元件、氣動執行元件和液壓執行元件以及紙張張力檢測器件、斷紙檢測器件、壓區閉合檢測器件等控制的系統。與DCS系統相比較，MCS系統更偏向于紙機主體傳動系統相互間的連鎖控制，同時，該系統能夠直觀了解紙機本體各設備及區域本體的運行狀態，并實現自動化遠程操作、監控而實現操作的簡單化及設對備的保護。

2.2 MCS系統在實例中的應用 本案例PM項目中，每條漿板機所產漿板基重達到1200g/m2，漿板幅度1065mm，設計車速達到250m/min。MCS控制系統控制主要體現在流漿箱Head Box、脫水箱Dewatering Section、網部Wire Section、壓部Press Section、靴壓Shoe Press、引紙系統Tail Threading System、潤滑系統Lubrication、液壓系統Hydraulic System等工藝段的控制。

編程軟件：PM案例中，MCS系統基于西門子S7-400 PLC，以SIMATIC Manager STEP 7作為項目的編程軟件。STEP 7是SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的Win AC，是提供它們編程、監控和參數設置的標準工具。具有以下功能：硬件配置和參數設置、通訊組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。用SIMATIC Manager來對項目集中管理。

操作系統及畫面編輯軟件TIA Portal：Totally Integrated Automation Portal全集成自動化軟件，是西門子工業自動化集團發布的新一代全集成自動化軟件，幾乎適用于所有的自動化任務。

3 QCS系統

3.1 QCS系統的概念及基本特點

QCS：Quality Control System質量控制系統。主要對生產過程中紙張品質的測控的系統，控制指標有：基重、水分、厚度、光澤、灰份、涂布量、光澤度、白度等。用于對產品質量的改善、產量的提升、成本的降低。同時包括橫向控制(Cross Drection-CD控制)和縱向控制(Machine Drection-MD控制)。

3.2 QCS系統在實例中的應用

本案例中，QCS系統涉及到CD控制和MD控制，如下圖：

(實例中QCS系統示意圖)

3.2.1 CD橫向控制

(1)通過對定量的Profile，對流漿箱Headbox唇板橫向執行器(共計安裝70個)的自動控制，通過稀釋水自動調節來達到對漿板絕干重Oven Dry Weight的定量控制。

(2)根據水份的Profile，對在網壓部蒸汽箱Steambox執行器(共計64個)的自動控制，來對蒸汽量的控制，達到對漿板水分Moisture的控制。

3.2.2 MD縱向控制

(1)對車速的設定，實現抄車過程中參數的自動調節，包括上漿量、稀釋水量、脫水量等。

(2)對上漿前成漿池漿濃度、進漿流速的控制，來控制絕干重或基重。

(3)對烘箱蒸汽壓力的控制，調節橫幅水分。

ABB QCS系統，常用軟件Smart Platform 1200，System 800x A，Mattikon OPC Explorer及一些工具軟件。

4 DNA系統

4.1 DNA系統的概念及基本特點

DNA系統：The Dynamic Network of Applications，應用動態會聚網絡。由過程站、操作站、工程師站、備份站、報警站、診斷站以及I/O單元組成。DNA系統是美卓的DCS系統。

4.2 DNA系統在實例中的應用 本案例中，DNA系統主要應用在維美德的IQ_Dilution和IQ_Steam的控制中，包括硬件及網絡架構的組態，程序、畫面的編輯等。使用DNA Explorer、DNA OPerate Client、DNAuse、HW&SeqCAD來進行程序、畫面的編輯，以及操作畫面。

5 BQS/BQM/BCU/RAS

(實例中漿包質量控制系統架構)

BCU：Bale Control Unit漿包控制單元

BQS：Bale Quality System 漿包質量系統

BQM：Bale Quality Management 漿包質量管理

RAS：Remote Access Server遠程訪問服務器

以上控制單元及系統應用在抄漿線，組成了一個完整的控制、管理系統：包括成品的漿包從壓包、折包、捆包、噴碼、疊包、入庫等流程中的控制，及各漿包重量、水份、吧、品質等級、生產日期、紙種等對所有的信息化管理。

6 PQV系統(WBAS&WIS)

6.1 PQV系統的概念及基本特點

PQV：Process and Quality Vision過程質量視覺系統。

美卓Metso將斷紙分析系統(WBAS：Web Break Analysis System)和紙病檢測系統(WIS：Web Inspection System)這兩個傳統的獨立系統結合在一個技術平臺下。PQV系統通過程質量視覺相機帶來了真實的機器視覺，以其高分辨率、高速數字成像技術、幫助改進運行性能的完美品質。

美卓PQV過程質量視覺系統包括兩個“子系統”：過程視覺用于檢測機器內部的過程干擾，質量視覺用于使用相機、圖像分析、信號傳輸等可用的最新技術對最終產品進行高度精確的網絡缺陷檢測。將這些系統連接在一起，客戶可以看到過程干擾是如何在機器內部發展的，以及它們是如何出現在最終產品中的，從而能夠有效地找出問題并解決問題。

6.2 PQV系統在實例中的應用 由于漿板的高基重性，在本案例抄漿機上，只是使用了PQV系統中WBAS斷紙分析系統，對漿板紙幅狀態的查看及斷紙時原因的查找及分析。通過高性能的相機視覺，大大方便了生產操作人員對生產過程中產品及設備狀態的實時了解，并能做到對一些異常進行預防性處理，提高了生產效益及運行的穩定。

7 實踐心得

如何才能為不同的工藝流程選擇出最合適的控制系統，就要求我們對工藝流程的掌握，對不同控制系統的認識。

制漿造紙行業本身是一個工藝復雜的、環境污染大的行業，自動控制技術應用于制漿造紙工業是工業和經濟發展的必然。它提高了生產過程中的自動化程度，實現了生產過程的自動化，提高了產量、保證了質量、減少了原材料和能量的消耗、降低了生產成本、改善工作及勞動條件、確保了生產的安全、減輕了環境的污染、收到良好的經濟效益和社會效益。