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1、MACS在银河纸业年产10万吨高强瓦楞纸中的应用 一、前言银河纸业股份有限公司根据国内纸品市场的需求，于2001年上马了一套10万吨/年高强瓦楞纸生产线，北京和利时系统股份有限公司的MACS系统凭借其优良的产品性能赢得的市场口碑和和利时公司在造纸行业的业绩被选用作为该项目的控制系统。2002年6月份，该项目成功开车并正常生产，2002年底，银河纸业公司又上马了与一期项目规模相同的二期工程，控制系统同样是MACS系统。一期项目与二期项目的控制系统的软硬件完全相同，在以下的说明中，均是以一期的控制系统为例来说明的。二、工艺概述及控制要求1、 工艺概述本生产装置是使用麦草为原料生产瓦楞纸的面纸。选用
2、上海造纸机械厂生产的4400/600的高速纸机，生产效率高、产品质量稳定。整个装置分为半化学浆车间、抄造车间、废纸车间三个部分。半化学车间是浆料制备车间，把麦草制成可以抄造纸页的纸浆；抄造车间包括辅料制备、打配浆、纸页抄造几部分；废纸车间主要是用收购来的废纸进行脱墨、打浆来制作纸浆。因为生产的是瓦楞纸的面纸，在半化学车间制取纸浆时没有漂白工序，也没有碱回收车间。1.1、半化学车间半化学车间包括备料、连蒸、磨浆、洗浆、筛选等工序。主要的工艺过程是：首先把麦草料粉碎、除杂，这一过程是在备料工段来完成的。然后把处理后的麦草段送到连蒸器里进行连续蒸煮，该装置的蒸煮设备选用的是单斜管式蒸煮器，在蒸煮工段
3、，麦草段被蒸煮变为浆料。接着蒸煮之后的浆料被送到磨浆机磨浆，在此，浆料被打碎到一定的叩解度，之后浆料被送到洗筛工段。从洗筛工段出来的纸浆将被送往抄造车间。1.2、抄造车间在抄造车间，按照功能大致分为三部分：辅料及配浆工段、纸机湿部工段、纸机干部工段。辅料及配浆工段包括辅料制备、配浆系统和白水系统。纸机湿部包括水系统、真空系统、流送系统等。纸机干部包括通风系统、QCS、纸机传动等。1.3、废纸车间废纸车间主要是用收购来的废纸进行脱墨、打浆来制作纸浆。该车间包括碎浆、除杂除沙、脱墨、筛浆等工段。2、 工艺对控制系统的要求2.1、 自动化水平要求此生产装置为企业新建装置。企业原有的生产线大多为手工操
4、作，基地式仪表较多。存在着操作工人强度较大、数量较多；劳动生产率低；质量不稳定；产量很难提高等现象。为了摆脱这种不利处境，在该项目上马时，银河纸业公司就选用了技术先进、系统稳定的MACS系统作为装置的控制系统。2.2、半化学车间主要工艺的控制连蒸工段：该项目是碱法制浆，采用单斜管蒸煮器，连续蒸煮系统生产具有连续性，因此对自动控制要求较高。要控制的目标：蒸汽和动力消耗均衡；碱液浓度、流量、温度；蒸煮管转速；蒸煮管温度；蒸汽压力、流量；从而达到控制成浆质量的目的。计量器VI1测量原料进入量，蒸煮管内螺旋推进器的转速VI3反映出蒸煮时间。蒸煮温度和压力非常重要，直接影响蒸煮质量，TIC1和TIC3两
5、个温度控制回路来调节蒸煮器内的温度，保证蒸煮器内的温度相对稳定。LIC1、LIC2、LIC3和FIC1构成碱液浓度调节系统，其中FIC1调节浓碱和黑液的配比，通过碱液浓度调节系统和流量调节系统FIC3来稳定用碱量和液比。从而，保证原料量、用碱量、液比、蒸煮温度和时间的稳定，保证蒸煮质量的稳定。打浆工段：打浆的目的是通过打浆的机械作用，处理水中的纸浆纤维，使其发生物理化学变化而获得一些特定的性质，以满足纸或纸板生产的质量要求。打浆工段主要控制的是浆的叩解度。通过检测进入打浆机的纸浆流量、浓度的参数，这两个参数相乘就是纸浆的绝干量。通过浓度信号来控制进未磨纸浆储槽的进清水量，从而达到控制进磨浆机纸
6、浆浓度的目的。通过控制进磨浆机纸浆的阀门开度大小用来调整进打浆机纸浆的流量。对打浆度的控制是打浆机控制的难点，也是打浆机控制的重点。首先，打浆机的磨电机、进/退刀电机均为变频器控制。当打浆的量为一定的值时，也就是说，当打浆的纸浆绝干量为一个常量时，磨电机的电流值与纸浆的打浆度（叩解度）成某一个曲线特性，当打浆度为一个常量时，磨电机的电流值与打浆的纸浆绝干量成一个正比的关系。因此，用纸浆绝干量（纸浆流量、浓度的乘积）乘以磨电机的电流值得出一个变量，然后把这个变量作为纸浆打浆度的一个表征变量，用这个信号来控制打浆机的进/退刀电机。这个控制方案对打浆机的控制能取得比较好的控制效果。打浆机控制方案图筛
7、洗工段：制浆的方法多种多样，但在制浆的过程中难免会带有夹杂物，如未分蒸解分、粗纤维束、粗木条，或泥砂、沉淀物、铁锈等杂物。这些杂物如果不除去，不仅会损坏机器使生产不能正常进行，而且会纸页或其他最终产品出现严重的质量问题。筛浆机和除砂器部分自动化较高。筛浆机控制主要流程如下：筛洗工段的控制内容1、进洗浆机的纸浆浓度与流量控制 筛浆机控制方案流程图2、各段洗浆机的浆料液位控制3、洗浆机洗涤水流量控制4、后段黑流槽与前段洗浆机洗涤流量均匀控制5、黑液槽黑液密度检测6、洗浆机转鼓速度控制（洗浆机带变频器）7、进洗浆机热水温度与流量控制8、进振动平筛的浆浓度与流量控制（含稀释流量）9、压力筛进浆口与良浆
8、出口差压检测及良浆阀与尾渣阀的遥控操作，防止和排除筛孔（缝）堵塞。自动反冲洗控制：A、 在保证设备水封要求情况下，水封压力不能低于下限，超过下限要自动停车，超过上限要自动报警。B、 P=P1-P2,根据不同浆流量与不同规格筛孔（缝）配置，P要求也不同，一般P3448KP,正常值取40KP，系统设定上限报警值一般在100KP。 、 当筛筒堵塞时，P2值下降，P34KP时，V2快速关断。 当P恢复到正常值时，V2缓慢打开。 初始时，P4-8KP开始打开V2。 V1固定阀位连续排渣。P76KP时，DCS报警，此时一般P2=0,即良浆出口F=0。筛筒需用人工清洗。 周期性控制：根据原料不同，采用周期性
9、控制，降低尾浆排放量，自动反冲洗控制。 通过上面的控制调节作用使洗浆机的上浆浓度、浆层厚度、浆料液位、洗涤水流量、洗涤液温度等影响冼涤效果的因素，也是操作工艺参数稳定在合适的范围内，以保证洗涤过程正常运行。稳定筛选段进浆浓度与流量，稀释水流量，压力筛进浆口与良浆出口的压差，防止和排除筛孔堵塞，使得筛选净化过程得以正常运行。除砂器流程图除砂器控制过程说明程序开始：1、 关闭沉砂阀22、 打开排砂阀1和冲洗阀3除砂器开始排砂，并延时10秒。3、 关闭排砂阀14、 打开排气阀4除砂器开始排气，并延时15秒5、 关闭冲洗阀3和排气阀4。6、 打开沉砂阀2除砂器开始沉砂，并延时15分钟。至此完成一个循环
10、。2.3、抄造车间主要工艺的控制辅料制备：在造纸行业，生产不同种类的纸张可能需要不同种类的辅料，不同种类的辅料的工艺流程和工艺要求也不同。在该项目上，辅料有淀粉、矾土、松香胶等。制备的过程是间歇式的，要控制的内容是配料控制、反映温度曲线控制等。辅料制备控制流程图配浆系统：配浆控制的目的是使各种纸浆、辅料等能够按照一定的比例配置。其中各种浆液的加入量使用比例控制，设定值为预先设定的数值进行。并且，这些流量比例控制均受到配浆池液位信号的连锁控制。即：当配浆池液位达到高高限时，流量阀门全关，同时，自动关闭相关的浆液输送泵，当配浆池液位达到低限时，流量比例控制程序恢复控制，同时自动启动相关的浆液输送泵
11、。配浆控制流程图湿部系统：流浆箱是抄纸过程中的一个重要设备，其主要控制参数有三个，即浆的液位，唇板处的总压及浆/网速比。总压控制可使喷射到网上的纸浆的速度保持连续一致，从而保证纸纤维分布均匀。液位控制的目的为了获得纸浆流域以保持适当的湍流来限制纤维的絮聚。浆速/网速比对纸页的成开有和结构有着决定性的影响，是影响成纸物理性能的重要因素。 流浆箱控制流程图1、流浆箱液位控制通过调节成浆池泵出口管道上的阀门开度大小来控制从成浆池到流浆箱的制浆流量以及纸浆总量，从而达到控制流浆箱液位的目的。闭环控制回路的被控量就是流浆箱液位。 2、流浆箱唇板处的总压控制对流浆箱的控制一般来讲遵循一下原理：V2=2gh
12、 其中：V喷浆速度（m/s） g重力加速度（9.8m/s2） h总压头（m） 上述公式说明：要想维持从流浆箱到湿部网上的流浆具有必要的喷浆速度，流浆箱内的压头必须随网速的平方成正比变化。现在所采用的两种：敞开式和密封压力式。一般来讲，敞开式流浆箱只适用于工作速度在200m/min以下的纸机，新式的高速纸机的流浆箱基本上都选用密封压力式流浆箱。在成浆池出口泵（即进流浆箱浆泵出口）设置调节阀，通过调节该阀门的开度大小来调节流浆箱的液位。3、浆速网速比控制 纸页在网上成形时受到纸料在网上的沉积速度、堰口喷浆速度与网速之间的关系的影响。有些纸为了最佳成形要求堰口喷浆速度比网速稍快。实际上，这时纸料在网
13、上产生前涌，因此称这种现象为超前。多数纸种要求堰口喷浆速度大，结果会导致网对纸料有一种牵引作用，这种现象被称为滞后。 网速通过测速编码器来测得，但流浆箱的堰口喷浆速度可以通过V2=2gh来取得。为了控制堰口喷浆速度V，可以通过控制h来实现。即就是控制流浆箱内部压力。 流浆箱内部压力控制方式为比例控制。流浆箱内部压力PID调节的给定制为：ST-1201ST-1201比例系数。干部系统：烘缸三段供汽要求控制每一段的温度压力以及流量等参数，但是，这些参数在系统三段之间相互影响较大，要控制使得每一段都具有不同的温度和压力，即使蒸汽总压力或各段压力受到外界干扰而波动。三段供汽控制流程图三段供汽是根据干燥
14、温度要求，把整个干燥部的烘缸分为三段（三群）各段间进汽总管与乏汽总管用阀门隔开。通汽方式是首先将新鲜蒸汽通入要求较高温度的一组烘缸中，然后将这些烘缸排出的冷凝水和乏汽（尚未冷凝的蒸汽）导至水汽分离器，析出二次蒸汽，送入要求温度稍低的一组烘缸中，再将这一段烘缸排出的冷凝水和乏汽送至水汽分离器，在排出二次蒸汽，供最后一组烘缸使用，最后一组烘缸要求温度最低，由最后一组烘缸排出的冷凝水和蒸汽，也必须送至水汽分离器，冷凝水送回锅炉房使用（其它两组烘缸的冷凝水也同样送回锅炉房使用）。为了有效地排出冷凝水，并利用二次蒸汽，各段烘缸之间必须维持30千帕以上的差压，在这个系统中，除了蒸汽自然循环外，还有连接最后
15、一段冷凝水管上的真空泵来加强循环，真空泵使最后一组烘缸和冷凝水管间与其他组烘缸造成必要的压力差，可排出进入烘缸的空气。 2.4、废纸车间工艺控制要求碎浆、除沙除杂、筛浆工段的工艺控制要求基本与制浆车间（半化学车间）相同。3、系统规模 整个项目分三个车间，其控制测点均为常规测点，即：420mA模拟量输入测点（AI测点），Pt100模拟量输入测点（Pt100测点），420mA模拟量输出测点（AO测点），干触点开关量输入测点（DI测点），继电器开关量输出测点（DO测点）。控制规模如下表所示：车间半化学车间抄造车间废纸车间小计AI 测点16827180519Pt100 测点824840AO测点1121
16、2824264DI 测点256160112528DO测点448304112864小计9928873362215三、控制系统的实现1、控制系统的选择 利用在造纸行业应用比较成功的集散控制系统对生产过程中电气、仪表等反映的工艺设备参数进行集中管理。银河纸业公司经过对国内外控制系统性能、价格、过程服务、工程能力的综合分析比较，最后决定选用由北京和利时系统工程股份公司生产的新一代现场总线DCS产品MACS系统。2、控制系统的特点MACS系统是基于现场总线技术设计的新一代DCS系统。具有如下特点：a.危险分散措施过程I/O单元采用的智能化设计方法，可有效地将部分控制或采集运算分散到各I/O单元，降低主控
17、单元的负担，提高可靠性。另一方面，一旦主控制器发生故障，各单元仍能完成基本的输入输出功能。如控制输出的自动保持功能，回路控制的独立执行等b.故障隔离措施所有过程输入输出单元都采用可靠的光电隔离技术，使各单元之间和单元与上位机之间的CPU无任何电气联系，从而提高系统的抗干扰能力、可靠性和安全性。在同一单元的不同通道间及逻辑功能侧和现场信号侧，也提供了隔离措施，可消除由于现场地电位差对系统造成的损坏。c.迅速排除故障措施现场控制站的所有单元上均带有CPU，每单元均可进行周期性自诊断。诊断主要包括CPU与内存等的自检、开关量输出回读比较、模拟量输入通道的正确性比较判断、模拟量输出通道的正确性比较等。
18、诊断结果每秒钟都上传到上位机的系统状态图中显示d.各种运行提示系统中所有单元上均有状态指示灯包括运行灯、故障灯、网络通信灯等。e.可带电插拔一旦发现故障，可带电对故障单元进行更换。由于采用了特殊保护措施，系统中所有过程I/O单元均可带电拔插，对系统的运行不会产生任何影响。3、控制系统的结构该项目分为三个车间，因此把DCS系统也划分为三个相互独立又相互联系的子系统，每个子系统各自成为一个完整的DCS系统，同时，通过MNET网段把三个子系统联起来，实现数据和资源的共享，通过设置和登录不同级别的用户，可以在一个子系统上对其他两个子系统进行监视和操作。系统结构图如下所示：其中：半化学车间设立两个现场控
19、制站，4个操作员站，其中两个操作员站兼作服务器站，其中一个操作员站兼作工程师站，分别安装于两个控制室。抄造车间设立三个现场控制站（分别为调浆工段、湿部工段和干部工段现场控制站），6个操作员站，其中两个操作员站兼作服务器站，其中一个操作员站兼作工程师站，分别安装于三个控制室。废纸车间设立一个现场控制站，一个扩展柜，2个操作员站，其中两个操作员站兼作服务器站，其中一个操作员站兼作工程师站，安装于废纸控制室。服务站主要负责对域内系统数据的集中管理和监视，包括：报警、日志、等事件的捕捉和记录管理，并为域内其他各站的数据请求（包括实时数据、时件信息和历史记录）提供服务和为其他域的数据请求提供服务。工程师
20、站（由操作员站兼任）完成组态修改及下装，包括：数据库、图形、控制算法、报表的组态，参数配置，操作员站、服务站、现场控制站及过程I/O模块的配置组态，数据下装和增量下装等。操作员站进行生产现场的监视和管理，包括：工艺流程图显示，报表打印，控制操作，历史趋势显示，报警管理等。现场控制站又称I/O站，是MACS系统实现数据采集和过程控制的重要站点，主要完成数据采集、工程单位变换、控制和联锁算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到系统服务器等功能。现场控制站由主控单元、智能IO单元、电源单元和专用机柜四部分组成，在主控单元和智能IO单元上，分别固化了实时控制软件和IO单元运行软件。现场控制站
21、内部采用了分布式的结构，与系统网络相连接的是现场控制站的主控单元，冗余配置。主控单元通过控制网络（CNET）与各个智能IO单元实现连接。 MACS系统采用FM1系列I/O模块及DP主站组成现成控制站，采用ProfibusDP现场总线技术，构成先进的、可靠的DCS分布式控制系统。I/O模块和底座组成现场模块单元（FMU），在现场总线控制系统中成为DP从站。现场控制站主要由I/O模块、底座、电源模块、终端匹配器、DP主站接口卡组成。4、MACSII系统的网络结构 MACS系统的网络由上到下分为管理网络、系统网络和控制网络三个层次，管理网络实现工程师站、操作员站、打印服务站、高级计算站与系统服务器的
22、互连，系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程I/O模块的通讯。 MACS系统网络采用可靠性高的双冗余结构，应用时可以保证在任何一条网络失效的情况下都不影响系统通信。系统的网络的拓扑结构为星型，中央节点为服务器。管理网络(MNET)由100M高速冗余以太网络构成，用于系统服务器与工程师站、操作站、高级计算站的连接，完成工程师站的数据下装，操作员站、打印服务站、高级计算站的在线数据通讯。系统网络(SNET)由100M以太网构成，用于系统服务器与现场控制站、通信控制站的连接，完成现场控制站、通讯控制站的数据下装，服务器与现场控制站、通讯控制站之间的实时数据通讯。控制网
23、络(CNET)由PROFIBUS-DP总线构成，用来实现过程I/O模块与现场控制站主控单元的通信，完成实时输入、输出数据的传送。PROFIBUS-DP是专门为自动控制系统与在设备级分散I/O之间进行通讯而设计的。既可满足高速传输，又有简单实用、经济性强等特点。四、系统的控制内容1、半化学车间1.1、 泵及电机的启、停控制，联锁停止1.2、 连蒸器的控制1.3、 磨浆机的控制1.4、 黑液过滤机的控制1.5、 孔筛和缝筛的控制1.6、 洗浆机的控制1.7、 各储槽的液位控制和液位联锁1.8、 流量累计2、抄造车间2.1、 泵及电机的启、停控制，联锁停止2.2、 辅料制备系统的控制2.3、 配浆控
24、制2.4、 三段供气控制、通风系统的控制2.5、 白水回收机及白水系统的控制2.6、 各储槽的液位控制和液位联锁2.7、 流量累计2.8、 纸浆浓度控制2.9、 流浆箱的控制2.10、 水及真空系统的控制3、废纸车间3.1、一段、二段纤维分离机的控制3.2、一段、二段压力筛的控制3.3、各储槽的液位控制和液位联锁3.4、高浓、中浓除沙器的控制3.5、水力碎浆机的控制3.6、筛浆机的控制3.7、园网浓缩机的控制3.8、泵及电机的启、停控制，联锁停止五、结束语 MACS系统在该项目（一期项目）上于2002年6月份成功开车并进入正常生产，系统运行稳定，系统控制效果良好，各项工艺指标均正常，产品质量稳定，为银河纸业公司带来了极大的经济效益。
