基于ProfiBus現(xiàn)場總線的堿回收車間DCS方案設(shè)計

0引言

　　造紙工業(yè)的污染是世界上工業(yè)污染的主要來源之一，其中制漿造紙行業(yè)的污染負(fù)荷80%以上來自制漿黑液。若黑液不能得到有效治理，不僅嚴(yán)重污染了環(huán)境，而且造成了大量資源的浪費。堿回收是目前治理黑液最為有效和成熟的一種手段，它不僅能有效的回收黑液中的堿，而且利用黑液燃燒產(chǎn)生的熱量生產(chǎn)蒸汽，而蒸汽和堿又可回用于造紙行業(yè)其它生產(chǎn)工序。因此堿回收系統(tǒng)是解決制漿企業(yè)黑液污染和資源循環(huán)利用的不可缺少的部分，具有很好的環(huán)保和經(jīng)濟效益?？梢妷A回收在制漿造紙行業(yè)具有十分重要的地位和意義。[1]

　　堿回收車間一般分為蒸發(fā)、燃燒和苛化三個工段。新型堿回收系統(tǒng)被列為造紙工業(yè)若干重要前沿問題之一。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)是目前正在興起的一種全新的控制技術(shù)。目前比較流行的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有:Profibus、基金會現(xiàn)場總線FF等。Profibus是一種國際的、開放的、不依賴于生產(chǎn)廠商的總線標(biāo)準(zhǔn)。它由互相兼容的3部分組成:①ProfibusS2DP;主站和從站之間采用輪換查詢的方式通訊,用于設(shè)備級控制系統(tǒng)和分散式I/O的通訊;②Profibus2PA,電源和通訊數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸,可使得傳感器和執(zhí)行機構(gòu)通過一根總線相連接,主要用于單元級和現(xiàn)場級通訊;③Profibus2FMS,用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主站網(wǎng)絡(luò)。

　　本文簡要介紹了作者在河南某造紙廠堿回收工段采用ProfiBus現(xiàn)場總線實施的計算機集散控制的控制方案。

1工藝流程及控制策略

　　蒸發(fā)工段的主要設(shè)備是蒸發(fā)器，蒸發(fā)器串聯(lián)組成蒸發(fā)站。本設(shè)計中所控制的蒸發(fā)站是典型的五體五效蒸發(fā)系統(tǒng)，除了蒸發(fā)器的相關(guān)控制外，還有一些輔助的蒸發(fā)設(shè)備，如板式降膜蒸發(fā)器、溫水槽、黑液槽罐、冷凝水閃蒸罐、液位罐等。系統(tǒng)控制的目標(biāo)是保持出效濃黑液濃度的穩(wěn)定、總有效溫差的穩(wěn)定和冷凝水罐液位的穩(wěn)定。一般可分為蒸汽子系統(tǒng)、黑液子系統(tǒng)和冷凝水系統(tǒng)。本工段的主要控制目標(biāo)是保證出效黑液的濃度、穩(wěn)定總有效溫度差和冷凝水系統(tǒng)的穩(wěn)定。本工段設(shè)立包括各效蒸汽壓力和真空度在內(nèi)的壓力測量環(huán)節(jié)11個，包括各效蒸發(fā)器黑液液位、冷凝水閃蒸罐和液位罐及黑液存放槽罐在內(nèi)的液位測量環(huán)節(jié)17個，包括蒸汽、黑液溫度在內(nèi)的溫度測量環(huán)節(jié)18個，包括蒸汽、黑液、清水在內(nèi)的流量測量環(huán)節(jié)8個。

　　燃燒工段是利用煙氣和余熱進(jìn)一步把蒸發(fā)工段帶來的濃黑液濃縮到65%～70%的濃度以供燃燒。它的主要設(shè)備是堿回收噴射鍋爐，其運行情況的好壞決定了整個工段的生產(chǎn)效率。其作用一方面是回收黑液中大量有機質(zhì)（脫木素）的有效熱值，以產(chǎn)生蒸汽供全廠發(fā)電或造紙干燥之用;另一方面回收黑液中的無機堿鹽。本工段還包括其他一些配套設(shè)備，如空氣加熱器、圓盤蒸發(fā)器、靜電除塵器等。一般可分為黑液子系統(tǒng)、供風(fēng)子系統(tǒng)、給水及蒸汽子系統(tǒng)和綠液子系統(tǒng)。在燃燒過程中，各系統(tǒng)三者互有關(guān)聯(lián)，在這里，首先要確定的是燃料/空氣的比率，適當(dāng)?shù)谋嚷士色@得最好的鍋爐的效率，在本系統(tǒng)中，入爐黑液及空氣都有計量，因此在調(diào)試過程中，經(jīng)過一段時間，就可得到合適的比例關(guān)系。引風(fēng)量根據(jù)爐膛負(fù)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，在上述其他二個參數(shù)變更時，引風(fēng)量也必須作出反應(yīng)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。在本系統(tǒng)中，送風(fēng)、引風(fēng)都采用了變頻器，可以作精細(xì)的調(diào)節(jié)。本工段設(shè)置壓力測量環(huán)節(jié)17個、液位測量環(huán)節(jié)11個、溫度測量環(huán)節(jié)21個、流量測量環(huán)節(jié)8個。

　　苛化工段的主要設(shè)備是石灰消化提渣機和苛化器。輔助設(shè)備有白液澄清器、乳液澄清器、白泥洗劑器、真空過濾機、預(yù)掛過濾機等。本工段主要控制好綠液的濃度、流量和石灰加入量的配比以及苛化反應(yīng)的時間和溫度。本工段設(shè)置壓力測量環(huán)節(jié)1個、液位測量環(huán)節(jié)10個、溫度測量環(huán)節(jié)12個、流量測量環(huán)節(jié)3個。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　整個控制系統(tǒng)的框架由分布式過程控制裝置、操作管理單元和通信系統(tǒng)三部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　?。?）分布式過程控制裝置

　　核心部分采用西門子S7-300/400系列模塊，包括CPU414-2DP、CPU315-2DP，電源PS407、PS307，通訊模塊CP443-1、CP343-1，ET200M，SM331，SM332，SM321，SM322模塊等。SM31模塊主要完成溫度、壓力、流量、液位以及系統(tǒng)中其他模擬量的數(shù)據(jù)采集。SM332模塊主要完成執(zhí)行機構(gòu)的模擬驅(qū)動信號輸出。SM321模塊主要完成系統(tǒng)中數(shù)字量輸入信號（如電機的狀態(tài)反饋、切斷閥閥位反饋等）的采集;SM322模塊主要完成系統(tǒng)中數(shù)字量信號的輸出（如電機的啟停、電動閥的開關(guān)驅(qū)動信號等）。具體模塊配置見表1。

　　表1西門子模塊配置表

　　（2）操作管理單元

　　工程師站由一臺DELL筆記本構(gòu)成，編程平臺采用西門子Step7V5.3，主要完成數(shù)據(jù)采集、回路控制、連鎖控制、流量累計等的編程工作。