摘要 介紹了一種新的蒸發(fā)工段DCS控制方法，采用S7 PLC 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(duì)堿回收蒸發(fā)工段實(shí)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(gè)工藝過程的運(yùn)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(zhǎng)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(gè)極限，但出濃液濃度偏高也會(huì)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(guó)制漿造紙堿回收設(shè)備中，對(duì)黑液蒸發(fā)濃度實(shí)施自動(dòng)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(jiǎn)要介紹作者在河南白云紙業(yè)五效蒸發(fā)站實(shí)施計(jì)算機(jī)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(jì)中所控制的蒸發(fā)站是由五臺(tái)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(gè)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；
出效濃黑液的濃度；
進(jìn)效新鮮蒸汽的壓力和流量；
末效的二次蒸汽的真空度；
出效黑液的液位；
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(duì)象，共設(shè)置了8路壓力、6路流量、21路溫度、16路液位總計(jì)51個(gè)測(cè)控點(diǎn)。為防止流送過程中，因電機(jī)啟停不當(dāng)而造成的不良后果，我們又對(duì)所使用的22臺(tái)電機(jī)實(shí)行連鎖控制。
1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1.1本自動(dòng)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(jì)算機(jī)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(yùn)算速度、網(wǎng)絡(luò)功能和更優(yōu)的性能價(jià)格比。通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(diǎn)：
抗干擾能力強(qiáng)，不需特殊的接地要求，不對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生影響。
中央處理單元型號(hào)為CPU 414-2DP。系統(tǒng)的輸入輸出模板的型號(hào)和數(shù)量由現(xiàn)場(chǎng)電氣和儀表信號(hào)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(jī)啟停和過載指示；DO模板用于控制電機(jī)啟停；AI模板主要用于對(duì)電動(dòng)機(jī)電流、功率以及各測(cè)控點(diǎn)如溫度、壓力、流量、液位進(jìn)行采樣顯示。DO模板在實(shí)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(diǎn)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(hào)、數(shù)量確定后，再選擇放置模板的框架的型號(hào)和數(shù)量以及電源的型號(hào)和數(shù)量。最終選用長(zhǎng)為530mm的導(dǎo)軌。據(jù)模板的數(shù)量選取擇4個(gè)機(jī)架，考慮到成本問題而選取用了3個(gè)S7-300機(jī)架，1個(gè)S7-400機(jī)架，一個(gè)為主框架（含3個(gè)機(jī)架、一個(gè)S7-400機(jī)架、2個(gè)S7-300機(jī)架）放在蒸發(fā)主控制拒中，另一個(gè)遠(yuǎn)程控制I/O框架(含一個(gè)S7-300機(jī)架)放在ET200蒸發(fā)控制柜中。
2控制措施
紙機(jī)堿回收控制中濃黑液在線測(cè)量一直是一個(gè)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(duì)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(cè)量，但在本項(xiàng)目中可利用黑液的沸點(diǎn)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(cè)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(duì)濃黑液的濃度和進(jìn)效蒸汽實(shí)施串級(jí)控制方案。事實(shí)證明在對(duì)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?br /> 3軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用西門子公司的plc S7-300系列產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)設(shè)備測(cè)控點(diǎn)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(gè)ET200M遠(yuǎn)程站相連（如圖2 所示），用于采集現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)信息和控制算法的實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(kuò)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(shí)，S7 PLC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(gè)控制系統(tǒng)采用兩個(gè)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(hào)；#2 ET200M從站放在副柜，用來采集工段的電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位反饋信號(hào)及輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)采用主站加從站的結(jié)構(gòu)，可使系統(tǒng)造價(jià)降低，并且擴(kuò)展靈活。
據(jù)本工段的工藝特點(diǎn)和工藝要求，我們編制了采樣子程序，該程序主要用于對(duì)所設(shè)測(cè)控點(diǎn)的溫度壓力流量進(jìn)行信號(hào)采樣；受外界影響，在不同時(shí)刻所采樣的信號(hào)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(jī)啟停子程序、設(shè)備間連鎖子程序等。
4人機(jī)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(jī)（外部設(shè)備）組成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(jī)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(bào)警、泵和電機(jī)的手/自動(dòng)啟停以及現(xiàn)場(chǎng)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(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視、打印報(bào)表以及對(duì)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(jī)及閥門等的運(yùn)行狀態(tài)及控制、故障報(bào)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(jī)打印。WINCC是西門子公司專門為過程控制和現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和池中液位的高低，而且可隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況而直接控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。


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b
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(gè)被控參數(shù)在階躍輸入信號(hào)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(shí)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(dòng)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(jī)10秒左右，液位、溫度基本穩(wěn)定于設(shè)定值。
6 應(yīng)用體會(huì)
本S7-300具有以下顯著特點(diǎn)：（1）循環(huán)周期短、處理速度高；（2）程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可用于復(fù)雜功能；（3）產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊、可用于空間有限的場(chǎng)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(shí)就完全不必考慮一個(gè)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(qiáng)，控制精度高，傳輸數(shù)據(jù)及時(shí)可靠。高效、節(jié)能，已于2002年6月投入現(xiàn)場(chǎng)使用，經(jīng)過近半年來的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)至今仍穩(wěn)定可靠。
參考文獻(xiàn)
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