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摘要 介紹了一種新的蒸發工段DCS控製方法，采用S7PLC CPU 414-2DP，連接ET200係列的分布式I/O係統及標準伺服係統所組成的DP控製網絡，對堿回收蒸發工段實施集散控製的優化控製方案。
關鍵詞 堿回收 蒸發 集散控製
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
黑液蒸發把洗選工段產生的副產品------稀xi黑hei液ye高gao度du濃nong縮suo後hou送song燃ran燒shao工gong段duan處chu理li，堿jian回hui收shou設she備bei的de工gong況kuang十shi分fen惡e劣lie，尤you其qi是shi腐fu蝕shi性xing和he黑hei液ye結jie垢gou問wen題ti很hen為wei棘ji手shou，平ping穩wen整zheng個ge工gong藝yi過guo程cheng的de運yun行xing，使shi設she備bei工gong作zuo在zai合he理li，最zui優you的de工gong藝yi參can數shu範fan圍wei內nei是shi減jian慢man結jie垢gou速su度du、延長設備使用壽命的有效方法。
由於後續工段燃燒的要求，蒸發站的出濃液濃度不能低於某個極限，但出濃液濃度偏高也會帶來許多問題，如蒸汽消耗大、結jie垢gou速su度du加jia快kuai，管guan道dao阻zu力li大da，易yi堵du，惡e化hua燃ran燒shao工gong段duan許xu多duo設she備bei如ru圓yuan盤pan蒸zheng發fa器qi的de工gong況kuang等deng。我wo國guo製zhi漿jiang造zao紙zhi堿jian回hui收shou設she備bei中zhong，對dui黑hei液ye蒸zheng發fa濃nong度du實shi施shi自zi動dong控kong製zhi的de比bi例li很hen小xiao，而er不bu熟shu練lian的de手shou工gong操cao作zuo易yi出chu現xian出chu濃nong液ye深shen度du偏pian低di或huo偏pian高gao的de情qing況kuang，使shi設she備bei工gong作zuo在zai不bu合he理li的de工gong況kuang。本ben文wen簡jian要yao介jie紹shao作zuo者zhe在zai河he南nan白bai雲yun紙zhi業ye五wu效xiao蒸zheng發fa站zhan實shi施shi計ji算suan機ji集ji散san控kong製zhi的de控kong製zhi方fang案an。
1控製方案
黑hei液ye蒸zheng發fa的de主zhu要yao設she備bei是shi蒸zheng發fa器qi。蒸zheng發fa器qi串chuan聯lian組zu成cheng蒸zheng發fa站zhan。本ben設she計ji中zhong所suo控kong製zhi的de蒸zheng發fa站zhan是shi由you五wu台tai板ban式shi降jiang膜mo蒸zheng發fa器qi串chuan聯lian組zu成cheng。除chu此ci之zhi外wai，還hai有you一yi些xie輔fu助zhu的de蒸zheng發fa設she備bei，如ru降jiang膜mo板ban式shi冷leng凝ning器qi，溫wen水shui槽cao，稀xi黑hei液ye槽cao, 閃shan蒸zheng罐guan，液ye位wei罐guan等deng。在zai黑hei液ye蒸zheng發fa過guo程cheng中zhong包bao含han以yi下xia三san個ge基ji本ben的de工gong藝yi流liu程cheng，即ji蒸zheng汽qi流liu程cheng，黑hei液ye流liu程cheng，冷leng凝ning水shui流liu程cheng。本ben蒸zheng發fa站zhan中zhong，外wai網wang來lai低di壓ya蒸zheng汽qi(0.4Mpa 151℃)，首先進入I效蒸發器，I效蒸發器產生的二次蒸汽經閃蒸罐閃急蒸發後，再引入II效，為II效xiao蒸zheng發fa器qi提ti供gong熱re源yuan，以yi此ci類lei推tui直zhi至zhi末mo效xiao。末mo效xiao二er次ci蒸zheng汽qi經jing冷leng凝ning後hou成cheng冷leng凝ning水shui排pai出chu，不bu凝ning氣qi體ti則ze由you真zhen空kong泵beng排pai空kong。而er黑hei液ye則ze采cai用yong逆ni流liu供gong液ye方fang式shi，即ji製zhi漿jiang車che間jian來lai稀xi黑hei液ye，首shou先xian進jin入ru稀xi黑hei液ye槽cao,經稀黑液泵進入末效蒸發器，然後再到IV效，III效，以此類推，直至I效(xiao)。與(yu)蒸(zheng)發(fa)流(liu)程(cheng)反(fan)向(xiang)而(er)行(xing)。這(zhe)樣(yang)隨(sui)著(zhe)黑(hei)液(ye)濃(nong)度(du)的(de)提(ti)高(gao)，蒸(zheng)發(fa)溫(wen)度(du)也(ye)提(ti)高(gao)，而(er)黑(hei)液(ye)粘(zhan)度(du)增(zeng)加(jia)緩(huan)慢(man)。蒸(zheng)汽(qi)流(liu)與(yu)黑(hei)液(ye)流(liu)反(fan)向(xiang)而(er)行(xing)的(de)供(gong)液(ye)方(fang)式(shi)，不(bu)僅(jin)可(ke)節(jie)省(sheng)蒸(zheng)汽(qi)消(xiao)耗(hao)，部(bu)分(fen)程(cheng)度(du)上(shang)也(ye)可(ke)緩(huan)解(jie)黑(hei)液(ye)結(jie)垢(gou)問(wen)題(ti)。
zaibenzhengfagongduandezhuyaokongzhimubiaoshiwendingnongheiyedeshenduhejiangdizhengqixiaohao，yingxiangnongheiyebomeidudeyinsuzhuyaoshijinxiaoxiheiyedenongduheliuliangjizhengfashebeigexiaodezongyouxiaochaya。wendingyouxiaochayashouxianyaowendingjindiI效(xiao)的(de)新(xin)鮮(xian)蒸(zheng)汽(qi)的(de)壓(ya)力(li)和(he)末(mo)效(xiao)二(er)次(ci)蒸(zheng)汽(qi)的(de)真(zhen)空(kong)度(du)，即(ji)穩(wen)定(ding)總(zong)壓(ya)差(cha)。然(ran)後(hou)盡(jin)量(liang)減(jian)少(shao)和(he)穩(wen)定(ding)蒸(zheng)發(fa)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)壓(ya)差(cha)損(sun)失(shi)，因(yin)此(ci)，必(bi)須(xu)要(yao)控(kong)製(zhi)下(xia)列(lie)參(can)數(shu)：
進效稀黑液的濃度和流量；
（1） 出效濃黑液的濃度；
（2） 進效新鮮蒸汽的壓力和流量；
（3） 末效的二次蒸汽的真空度；
（4） 出效黑液的液位；
（5） 出效冷卻水液位；
所以，我們選取壓力、流量、溫度、液位為主要的控製對象，共設置了8路壓力、6路流量、21路溫度、16路液位總計51個測控點。為防止流送過程中，因電機啟停不當而造成的不良後果，我們又對所使用的22台電機實行連鎖控製。
1.1係統硬件設計
1.1.1本自動控製係統采用西門子先進的S7-400可編程控製器。它是西門子公司開發的適合當代計算機技術發展的新一代可編程控製係統。它具有更高的控製能力、運算速度、網絡功能和更優的性能價格比。通過PROFIBUS-DP現場總線可與ET200M I/0站相連。ET200M 可置於MCC低壓櫃旁邊，從而可方便將電機和泵類的控製納入DCS中去。
1.1.2係統網絡采用工業以太網。其優點：
抗幹擾能力強，不需特殊的接地要求，不對其它電子設備產生影響。
中央處理單元型號為CPU 414-2DP。係統的輸入輸出模板的型號和數量由現場電氣和儀表信號的類型和數量決定。具體如下：
圖1 硬件控製係統示意圖
DI模板主要用於顯示電機啟停和過載指示；DO模板用於控製電機啟停；AI模板主要用於對電動機電流、功率以及各測控點如溫度、壓力、流量、液位進行采樣顯示。DO模板在實際應用中為提高抗幹擾能力和控製容量要通過中間繼電器隔離，由中間繼電器觸點去控製電氣設備（如接觸器etc）。模擬量輸入模板在使用前要通過跳線組態成本方案所需要的輸入方式。
各模板的型號、數量確定後，再選擇放置模板的框架的型號和數量以及電源的型號和數量。最終選用長為530mm的導軌。據模板的數量選取擇4個機架，考慮到成本問題而選取用了3個S7-300機架，1個S7-400機架，一個為主框架（含3個機架、一個S7-400機架、2個S7-300機架）放在蒸發主控製拒中，另一個遠程控製I/O框架(含一個S7-300機架)放在ET200蒸發控製櫃中。
2控製措施
紙(zhi)機(ji)堿(jian)回(hui)收(shou)控(kong)製(zhi)中(zhong)濃(nong)黑(hei)液(ye)在(zai)線(xian)測(ce)量(liang)一(yi)直(zhi)是(shi)一(yi)個(ge)難(nan)題(ti)，而(er)濃(nong)度(du)控(kong)製(zhi)是(shi)堿(jian)回(hui)收(shou)蒸(zheng)發(fa)工(gong)段(duan)的(de)最(zui)終(zhong)控(kong)製(zhi)目(mu)標(biao)，其(qi)控(kong)製(zhi)效(xiao)果(guo)的(de)好(hao)壞(huai)對(dui)後(hou)續(xu)燃(ran)燒(shao)工(gong)段(duan)起(qi)著(zhe)舉(ju)足(zu)輕(qing)重(zhong)的(de)作(zuo)用(yong)，雖(sui)然(ran)濃(nong)黑(hei)液(ye)的(de)濃(nong)度(du)無(wu)法(fa)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)，但(dan)在(zai)本(ben)項(xiang)目(mu)中(zhong)可(ke)利(li)用(yong)黑(hei)液(ye)的(de)沸(fei)點(dian)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)壓(ya)力(li)下(xia)隨(sui)其(qi)濃(nong)度(du)的(de)增(zeng)大(da)而(er)升(sheng)高(gao)的(de)特(te)性(xing)進(jin)行(xing)間(jian)接(jie)測(ce)量(liang)。即(ji)D= F（P，T）其中 D：濃度P：壓力T：溫(wen)度(du)。為(wei)了(le)使(shi)係(xi)統(tong)更(geng)穩(wen)定(ding)，對(dui)濃(nong)黑(hei)液(ye)的(de)濃(nong)度(du)和(he)進(jin)效(xiao)蒸(zheng)汽(qi)實(shi)施(shi)串(chuan)級(ji)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)。事(shi)實(shi)證(zheng)明(ming)在(zai)對(dui)駐(zhu)馬(ma)店(dian)遂(sui)平(ping)白(bai)雲(yun)紙(zhi)業(ye)的(de)工(gong)程(cheng)中(zhong)不(bu)但(dan)效(xiao)果(guo)穩(wen)定(ding)而(er)且(qie)節(jie)能(neng)。如(ru)圖(tu)：
圖2 濃黑夜濃度控製方案
3軟件設計
本係統采用西門子公司的S7-300係列產品。在設計當中，根據設備測控點的情況和廠方用戶的要求，係統以S7314-2DP控製器為核心，通過PROFIBUS-DP總線與2個ET200M遠程站相連（如圖2 所示），用於采集現場儀表數據信息和控製算法的實現。在現場實際應用中，數字量輸入輸出，、模擬量輸入輸出都留有部分備用，已備係統將來擴充的需要。西門子公司的ET200係列是采用PROFIBUS-DP協議的分布式I/O，應用時，S7PLC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。整個控製係統采用兩個控製櫃（主櫃和副櫃）。S7主站、#1 ET200M從站放在主櫃，采集係統的模擬信號；#2 ET200Mcongzhanfangzaifugui，yonglaicaijigongduandediandongjizhixingjigoufaweifankuixinhaojishuchuzhixingjigoudequdongxinhao。xitongcaiyongzhuzhanjiacongzhandejiegou，keshixitongzaojiajiangdi，bingqiekuozhanlinghuo。
據本工段的工藝特點和工藝要求，我們編製了采樣子程序，該程序主要用於對所設測控點的溫度壓力流量進行信號采樣；受外界影響，在不同時刻所采樣的信號精確度不夠高，為此我們又編製了濾波子程序，以及PID控製程序和量程轉換子程序、電機啟停子程序、設備間連鎖子程序等。
4人機界麵操作係統（HMI）
這部分主要由操作站、工程師站和打印機（外部設備）組(zu)成(cheng)，實(shi)現(xian)人(ren)機(ji)接(jie)口(kou)。它(ta)的(de)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)是(shi)集(ji)中(zhong)各(ge)分(fen)散(san)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)裝(zhuang)置(zhi)送(song)過(guo)來(lai)的(de)信(xin)息(xi)，通(tong)過(guo)監(jian)視(shi)和(he)操(cao)作(zuo)，把(ba)操(cao)作(zuo)和(he)命(ming)令(ling)下(xia)送(song)到(dao)各(ge)分(fen)散(san)控(kong)製(zhi)裝(zhuang)置(zhi)。工(gong)業(ye)控(kong)製(zhi)PC以Wincc作為人機界麵，並分別設置了操作員站和工程師站。操作員站（OPU）用於畫麵顯示、報警、泵和電機的手/自動啟停以及現場各被控參數的采集、顯示和控製，而工程師站（ENG）用於工程師對生產現場的監視、打印報表以及對工藝參數和控製器參數的修改等。操作員站和工程師站的畫麵組態軟件選用SIEMEN公司的WINCC完成用戶二次軟件開發。PC的主要功能是顯示工藝流程、電機及閥門等的運行狀態及控製、故障報警、故障發生的部位及其處理方法；顯示溫度、液位等模擬量，並能通過打印機打印。WINCC是西門子公司專門為過程控製和現場監控開發的監控係統軟件，本係統分別製作了蒸發工段一、蒸發工段二個工藝畫麵，畫麵中的各參數的設定都是隨著PLC的(de)改(gai)變(bian)而(er)改(gai)變(bian)的(de)。工(gong)作(zuo)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)這(zhe)些(xie)畫(hua)麵(mian)監(jian)控(kong)各(ge)個(ge)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)運(yun)行(xing)和(he)池(chi)中(zhong)液(ye)位(wei)的(de)高(gao)低(di)，而(er)且(qie)可(ke)隨(sui)時(shi)根(gen)據(ju)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)而(er)直(zhi)接(jie)控(kong)製(zhi)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)運(yun)行(xing)。
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圖3 蒸發工段工藝圖
5 仿真結果
圖4～圖6是蒸發器液位、板式冷凝器冷凝水的溫度、蒸汽壓力的仿真結果。
圖4 蒸發器稀黑液液位
圖5 板式冷凝器冷凝水的溫度
圖6 進效蒸汽的壓力
從圖4～圖6可看出：3個被控參數在階躍輸入信號作用下的響應曲線的衰減比都近似於4：1，係統響應速度快，調節時間短，能很快達到穩定，係統超調量小，且控製精度都比較高，其動態性能、穩定性能都能滿足廠方的要求，如精度為0.05,遠小於廠方提出的0.02，蒸發器開機10秒左右，液位、溫度基本穩定於設定值。
6 應用體會
本S7-300具有以下顯著特點：（1）循環周期短、處理速度高；（2）程序結構簡單、可用於複雜功能；（3）產品設計緊湊、可用於空間有限的場合；（4）模塊化結構、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,這樣編程時就完全不必考慮一個I/O地址在物理上是通過何種方式連接的。本係統抗幹擾能力強，控製精度高，傳輸數據及時可靠。高效、節能，已於2002年6月投入現場使用，經過近半年來的現場運行，係統至今仍穩定可靠。
參考文獻
【1】華南理工大學 天津輕工業學院合編.製漿造紙機械與設備[M].北京：中國輕工業出版社1999
【2】鄭冕，鞏建平，張學.現代可編程控製器原理與應用[M].北京：1999..科學出版社 | 
