國內制漿造紙自控及儀表現狀與發展

制漿造紙生產的自動控制，過去應用的范圍十分有限，主要集中在制漿過程的局部簡單儀表控制和紙機的電氣傳動控制方面，大量的控制內容是通過現場人工調整實現的。改革開放以來，通過國外先進技術產品的引進，以及借鑒相關行業自動控制方面的經驗，自動控制在造紙生產中逐步得到了應用,正朝著整廠集中控制的方向發展。近年來，許多廠家在生產過程的重點環節進行了自控系統的技術改造，如蒸煮控制、盤磨控制、配漿控制、上漿流送控制、紙機傳動、紙機干燥部多段通氣控制（熱泵控制）和水分定量檢測等方面，取得了明顯的效果。
               
　　1.1制制漿過程
               
　　制漿過程的自動化控制主要集中在蒸煮、磨漿、配漿和打漿的控制，主要控制參數有：液位、溫度、壓力、流量和濃度等。從過程控制的層面上來說，一方面對生產過程的電動機和電磁閥進行邏輯、順序的控制；另一方面對罐類和工藝管道上的各種閥門進行工藝參數的調節。制漿設備中，單體設備較多，由于種種原因，制漿設備本體的機電一體化產品不多，相當部分企業在制漿過程中自動化程度普遍不高。近些年盤磨、擠漿機、熱分散等設備在自動化控制方面有了較大的進步，設備性能有所改善；在配漿和上漿濃度調節部分的改造較多，對提高和穩定產品質量，取得了一定效果。
               
　　制漿生產的自動控制系統最初可以認為是儀表控制系統和繼電器邏輯控制系統的結合，主要由二次儀表作為控制器來進行單回路或多回路的自動控制。許多廠家一直延用至今，基本上是一種獨立、分離的控制。隨著電子技術的發展，從20世紀80年代開始，以PLC為主流產品的控制器得到了普遍的應用。由于最初的PLC控制器以邏輯、順序控制為主，形成了一方面采用PLC控制器進行電動機、電磁閥的聯鎖和控制；另一方面采用二次儀表作為控制器來進行單回路或多回路的自動調節控制。從80年代末期開始，PLC控制器的功能和技術概念發生了重大變化，以一個過程控制系統的面貌出現；而且在組態方便性和靈活性上有了很大改善，以其容量、速度、字長、周期等為指標，形成了系列產品，從而具備了從事復雜控制的能力。PLC控制器在制漿造紙生產的局部自動控制中得到了普遍的應用。
               
　　新型操作終端的出現和CRT顯示技術的進步，特別是PLC控制器通訊能力的加強，使智能的、動態的人機界面越來越多地應用在制漿生產的關鍵控制點，如蒸球、磨漿、配漿等部分，在被控現場配置液晶或等離子顯示真彩操作終端，可方便的與PLC聯接，融入控制器的操作系統中。觸摸式界面在用戶規定的刷新時間內提供各種實時數據，顯示相關狀態參數、設定值與實測值，且以數字量形式或棒圖形式顯示組態相關參數圖形；同時，觸摸式界面還具有各種操作功能，可進行參數的設定和邏輯控制。為了在控制室可清楚地反映生產過程的整體和局部信息，利用上位計算機，對生產過程進行集中監測、操作和管理。操作人員可以從控制室的顯示器上所顯示的不同畫面中，觀察到生產過程的狀態，并在專用的操作終端上或直接在控制顯示器上對生產過程的各項工藝參數進行控制。
               
　　制漿造紙的生產過程，從控制上來說，是一個多設備協調的聯動系統，尤其是企業向著大規模化的方向發展，原有落后的控制方式越來越不能滿足生產的要求。這樣DCS就應運而生。
               
　　DCS，即集散控制系統，又名分布式的計算機控制系統，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新型控制技術。它是由計算機技術、信號處理技術、測量技術、通信網絡技術、CRT顯示技術和人機接口技術相互滲透發展起來的。DCS集散型控制系統，從結構上講就是將采集和控制分散在多個現場控制站，而將操作和監視功能集中在一個或多個操作站。它從硬件上采用標準化、模塊化和系列化產品，系統上各工作站是通過網絡接口相聯接的，各工作站能完全獨立地運行。系統的實時控制網絡使系統資源共享，對系統結構組態進行在線修正、在線維修。它的突出優點是系統的硬件和軟件都具有靈活的組態和配置能力。軟件的開放性尤為突出。
               
　　制漿造紙生產過程的DCS控制系統包括若干個子工段控制系統：如濕法備料及連蒸、白水回收、洗選漂、抄紙、烘缸三段通汽、上漿濃度和QCS等等。每個控制子系統既有著相對的獨立性，又彼此互相聯系。因此整個系統采用控制環節分散、數據處理集中的方式，即多操作站的DCS系統。DCS通過系統總線把車間和各工段的DCS聯成一個網絡。各DCS子系統主要由基本I/O單元、過程主站、操作站、報警站、操作終端、顯示器、報警打印機和報告打印機組成，再加上生產現場的檢測儀表和執行機以及控制中心組成一個完整的造紙生產的自動控制系統。DCS控制系統的系統結構一般分為過程控制級、自動化級和現場級。系統硬件配置一般為：
               
　　●工業控制計算機作為操作員站組成上位機管理系統。
               
　　●大型控制器組成自動化中心控制系統。
               
　　●操作顯示終端作為現場人機界面。
               
　　●分布式遠程控制站作為控制單元。
               
　　過程控制級的操作界面采用工業控制計算機，使用標準軟件和網絡，以實現過程診斷、過程監視、控制及信息管理。標準的顯示和操作窗口,實時顯示工藝流程控制點的過程參數，操作員可以很方便地通過動態畫面，實時監視設備狀態，如液位高低，閥門開度、電機啟停等；同時，根據該工段的工藝流程需要，及時對設備進行控制。對于調節回路有兩種控制方式，即自動調節和手動調節。當點擊畫面上的自動手動旋轉開關，可以切換自動手動方式。在自動狀態下，調節回路由PLC進行控制，自動調節閥門的開度。此時，若點擊閥門，將出現提示窗口，提示此時是處于自動狀態下，不能手動調節閥門。若處于手動狀態下，操作工可以自行調節閥門開度。發現異常事件，作出提示、報警及處理命令；并可調閱與修改控制參數，遠程切換工作狀態，故障診斷及報表打印；也可保存生產報表及報警信息。過程控制級的PC機，通過生產管理網絡，接受中心PLC的生產數據，向經營管理網絡傳送各類生產數據及接受各類生產任務。過程控制站的控制能力至關重要，主要以控制功能塊的能力、數量、組態方便性和靈活性來衡量；過程控制站的可靠性和環境適應性同樣重要，可通過冗余配置使其可靠性更高，但目前在造紙生產線的應用還很少見，其主要考慮的是其性能價格比的原因。
               
　　自動化級均采用裝有單處理器或多處理器的高性能大型PLC控制器。自動化級與過程控制級的通訊由工業以太網實現。與現場級的通訊由PROFIBUS-DP通訊網絡實現，作為一部分的中心控制單元，根據工藝要求控制現場設備的運行狀態。完成各現場PLC所組成的子系統之間的協調控制。目前較為普遍的配置是采用大型控制器組成自動化中心控制系統，即過程控制級。系統容易擴展和具備網絡通訊能力；采用分布式結構，遠程智能化接口提供了各種電壓和保護等級的數字、模擬I/O單元，可以集中放置，也可以分散安裝在現場。為使人員方便操作，并考慮到工藝工程師和控制工程師的需要，每一工段配置一臺上位監控微機，作為普通級操作員站，操作員可通過上位機對現場設備進行操作和控制。
               
　　現場級，主要由標準的系統產品連接在現場總線上。
               
　　（1）現場操作面板。操作面板適合于分散的、與設備相關的控制和監視。不同的傳動和傳動組均可有標準的圖形顯示及相同的操作步驟。現場操作與顯示終端以動態圖形實時顯示生產數據，現場操作人員可通過觸摸屏操作現場設備。
               
　　（2)遠程I/O站。遠程I/O站通過現場控制網絡、聯接中心控制PLC、交換各種實時信息；通過I/O口，聯接智能過程控制儀、變送器等實施調節控制。根據現場設備的布局，采用分布式布局,就地實時響應生產過程事件，極大地減少了現場至控制室的電纜聯線，使生產過程控制局部化、模塊化，不僅提高了系統的性能，使風險系數降低，而且又有利于系統的擴展與維護。
               
　　（3)驅動單元，如變頻控制器，調節閥等。
                
　　監控系統是DCS系統的一個重要組成部分，采用的過程監控系統的特點適合于對過程事件的快速反應。過程監控系統的基本功能：
               
　　圖形系統：通過組態，可構成豐富多彩的動態參數控制畫面。
               
　　信息報警：捕捉過程信息和本地事件，將這些內容歸在檔案庫中，并在需要時有選擇地提取它們，或直接轉移到相關的過程畫面上產生報警信息。
               
　　生產報表：提供一套報表系統，可方便地對歷史數據或即時數據組合生成用戶所需的生產報表。
               
　　工藝流程圖：動態顯示全廠工藝流程，使操作人員能了解全廠各工藝段的運行狀況，便于調度管理。
               
　　設備工況運行圖：動態顯示各廠內設備的實時運行狀態，隨時了解廠內的設備及生產情況。
               
　　瀏覽系統：在自動化系統的服務器中，應支持3～10個客戶的網上瀏覽，這樣，業主在一些管理或技術部門的辦公室里，可以對整個工廠的運行情況進行瀏覽。
               
　　系統自診斷：集成控制系統應有一套完整的自診斷功能，可以在運行中自動地診斷出系統的任何一個部件是否出現故障，并且在監控軟件中及時、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點及相關信息。在系統或工藝設備發生故障后，I/O狀態應返回到工藝要求預設置的狀態上。
               
　　系統操作權限：整個監控系統應有多個操作級別，每個級別均應有各自的用戶和口令，它能防止用戶越權存取顯示數據和系統功能，具有相當高的安全可靠性。
               
　　1.2制造紙過程

　　造紙過程的自動化控制突出地表現在紙機的傳動控制方面。因紙種變化，紙機的速比變化較大，漿料配比、不同紙張特性等，使紙機車速需要有較大范圍的調整；同時電網電壓、頻率和負荷的波動，也會引起紙機車速的變化，烘干部各段不同的加熱溫度，都會使紙頁產生縱向的收縮，因此，要求紙機傳動控制系統是一個穩定、精確、同步、協調的變速傳動系統。造紙生產過程的電氣傳動，分為定速傳動和變速傳動。定速傳動主要有泵類、攪拌類電機，現在對于大功率定速電機的控制，已逐步推廣采用具備良好起動功能的軟起動控制器。由于紙機傳動控制目前幾乎毫無例外地采用多點分部傳動的形式，客觀上對自動控制系統提出了快速、精確、穩定和可靠等較高的要求；又因紙機傳動在生產中的特殊重要地位，紙機電氣傳動控制的一般配置由較大型PLC控制單元、矢量型變頻單元和生產管理計算機組成。運用PROFIBUS通訊協議構成先進的現場總線網絡，傳輸各種生產數據，執行生產指令；控制各傳動點的運行狀態。
               
　　近些年電氣傳動系統普遍采用國外進口控制裝置，傳動系統的穩速精度、動態響應和可靠性等方面得到了大大提高。其通訊功能強，具有多種通訊協議；參數范圍廣，可適用于各種應用場合；能自動測試負載特性，實現系統的最優化； 
            
　　能通過磁通電流控制自動進行負載補償，完善的保護功能如：過溫、過壓、欠壓、失步、接地錯誤等等；如力矩控制、張力控制、卷徑計算等，能滿足造紙工業的各種特殊工藝要求，使長期困擾廠家的國產模擬控制裝置的諸多問題有了根本性的改變，提高了生產效益。目前傳動系統已由最初的模擬控制向全數字網絡通訊方向過渡，后者分辨率更高、控制更精確，同時，作為整廠集中控制系統的一個子系統，便于與其它有關部分通過數據網絡聯接，因此，一些著名品牌高檔次的控制器正越來越多地得到應用。
               
　　與制漿過程所不同的是，紙機本體設備如：流漿箱、壓光機、卷紙機、切紙機、復卷機等，設備本體配備的自動化技術水平是較高的。
               
　　實踐證明，紙機主傳動系統自普遍采用數字式驅動裝置以來，控制精度和系統的安全可靠性得到了極大提高，已完全能夠滿足紙機向大型、高速發展的需要。除此而外，上漿系統、蒸汽冷凝水系統、真空系統、損紙系統、涂料制備系統等控制也是十分重要的。
               
　　QCS紙頁質量檢測控制系統是一種新型高技術產品，是紙機控制紙頁質量的最有效的手段。目前國外產品占主要地位，國內研究開發多年，與國外產品尚有較大差距。目前在大中型紙機上的應用還是較為普遍的，為監測紙頁水分定量，掌握工藝參數提供了很大幫助；便于產品質量的控制。但由于種種原因，絕大部分并未與上漿濃度和烘缸溫度實現真正意義上的閉環自動控制。
               
　　2.1制控制系統以現場總線為核心
               
　　自動控制系統向綜合化、開放化發展已成必然，工廠自動化要求各類設備之間的通訊能力更強，相互融合。以現場總線為核心的集散自動控制系統FCS正在興起，開放的結構將方便地與所有控制設備系統進行數據交換，成為真正集成的、貫穿全系統的新型自動控制系統。
               
　　2.1.1制全集成自動化思想
               
　　隨著工業自動化現代控制理論和計算機技術的迅速發展，使得工業自動化過程控制系統能夠在系統各層次之間的數據交換量迅速增大，這就為實現一種全集成自動化控制思想提供了基礎。
               
　　全集成自動化思想就是用一種系統完成原來由多種系統搭配起來才能完成所有功能的系統。應用這種解決方案，可以大大簡化系統的結構，減少了大量接口部件，應用全集成自動化可以克服上位機和工業控制器之間、連續控制和邏輯控制之間、集中與分散之間的界限。同時，全集成自動化解決方案還可以為所有的自動化應用提供統一的技術環境，主要包括：統一的數據管理、統一的通訊、統一的組態和編輯軟件等。基于這種環境，各種各樣不同的技術可以在一個用戶接口下，集成在一個有全局數據庫的系統中。
               
　　2.1.2制現場總線
               
　　工業控制自動化技術是保證生產高效可靠運行的重要手段，20世紀90年代，現場總線控制系統的出現和應用，標志著自動化技術的又一次飛躍，傳統控制系統設備間的一對一聯線，不僅增加安裝維護費用，也降低了系統的可靠性，帶來安全隱患；模擬信號傳輸，限制了傳輸媒體和傳輸結構的選擇，信號的精確度受到影響。因此，工廠構建一個合理的局域網是十分重要的，不僅要考慮控制系統的通訊網絡的特點和安全性，還必須考慮與工廠原有控制系統的通訊網絡的互聯和可能擴建工程生產線的聯網，以達到數據通訊資源共享的目的。
               
　　現場總線是現代控制系統的核心，本質上是一種數字化通信協議，是連接智能現場設備和自動化系統的數字化、全分散、雙向傳輸、多分支結構的通信網；由于其在工業控制自動化的前沿地位，代表了技術發展的方向。
               
　　PROFIBUS現場總線由于其高實時性及技術較為成熟，在全世界范圍得到了廣泛的應用，也是目前國內應用最普遍的一種。PROFIBUS現場總線是基于國際標準EN50170的開放的現場總線，它主要用于現場控制及檢測采集單元的數據交換，采用令牌調度原理進行數據通訊，主要包括最高波特率可達12 M 的高速總線PROFIBUS-DP（H 2 ）和用于過程的本安型低速總線P R O F I B U S - P A（H 1 ）。D P 和P A的完美結合使得PROFIBUS現場總線在結構和性能上優于其他現場總線。既適合于自動化系統與現場信號單元的通訊，也可用于直接連接帶有接口的變送器、執行器、傳動裝置和其它現場儀表及設備，對現場信號進行采集、監控和處理，用一對雙絞線替代了傳統的大量的傳輸電纜。
               
　　2.1.3制儀表(總線型變送器)
               
　　由于控制系統發生了新的變革，為了適應現場總線控制系統的要求，儀表、變送器已經從模擬型、智能型發展到了現場總線型。現場總線作為一種數字式通信網絡從控制室一直延伸到生產現場，使過去采用點到點式的模擬量信號傳輸變為多點一線的串行數字式傳輸。在現場總線型變送器中，其優越性是顯而易見的：全數字傳輸，穩定性和精確度高于智能型變送器，除了保持智能型變送器優良的測量性能外，還增加了運算和控制功能，內嵌有PID控制、邏輯運算、算術運算、累加等模塊，用戶通過組態軟件對這些功能模塊進行任意調用，實現參數的現場控制。
               
　　多變量測量是現場總線型變送器又一特點，即一臺變送器可以同時測量多個過程變量。由于每臺現場總線型變送器內配有多個感測元件，它就可以同時測量多個過程變量，并通過現場總線傳輸出去。目前，世界各大儀表生產廠都相繼推出了現場總線型變送器，通過認證的變送器已經有60多種。
               
　　綜上所述，現場總線型變送器已經不是傳統意義上的變送器了，它是一個集變送、控制和通信功能于一身的現場設備。現場總線型變送器的出現，必會給儀表和自動化領域帶來新的革命性變革。
               
　　2.2制控制內容的廣泛性和控制方式的專業化
               
　　制漿造紙過程是一個連續的過程，自動化控制是根據生產工藝的特點和要求，實現全過程、實時有效的控制，更好地為生產工藝服務，因此，控制內容將進一步擴大，控制系統的控制模式或方法將更加符合或貼近生產實際，更具有獨創性和專業性。在控制方式上，應用如自適應、自診斷、最優化等手段，在軟件的設計中采用容錯等新的先進的技術成果，在增強系統可靠性的同時，結合制漿造紙生產的設備與工藝實際，提高系統控制的實際效果，成為自動控制方面努力的目標。
               
　　按照系統分散控制的概念，生產過程的系統劃分會更細、更單元化。隨著制漿造紙生產設備的不斷進步，單機本體設備的自動化程度會有所提高，控制系統的層次會更加分明，會形成既相互獨立，又全系統貫通的自動控制結構。如造紙生產自動控制系統將分為過程控制DCS系統、設備控制MCS系統、質量控制QCS系統、斷紙監測WMS系統、紙病監測WIS系統，馬達控制中心MCC等,而這些系統又都將被集成在一個更大的網絡中。
               
　　麥草濕法備料和蒸煮工段近幾年紛紛由間歇蒸煮向連續蒸煮變革。連續蒸煮工段應用DCS系統較為普遍。鑒于連蒸系統的工藝過程是一個高溫高壓過程，具有一定的危險性，控制系統的發展將首先高度重視系統的安全性和可靠性，除軟件的設計中采用容錯技術外，CPU雙備冗余系統應被考慮；其次，通過銷鼓計量器的草片量與加入“T”型管藥液的流量的比值控制是蒸煮的關鍵，運行中比值的控制精度影響著產品的質量，因現采用以銷鼓計量器的轉速比間接檢測草片量的方法，誤差較大，有待改進；洗、選、漂工段，除砂器和壓力篩的進漿和出漿壓力的壓力差，應得到有效的控制，以提高除砂和篩選的效果；對于雙輥或雙網擠漿機，采用雙點傳動、具有負荷均衡分配的變速控制會得到推廣，使得濃縮過程變得容易調整；在漂白部分，對于進入混合器的氧化物漂劑，應實現流量的自動控制；在磨漿部分，無論是單盤磨、雙盤磨或錐型磨，采用功率控制磨漿間距的方法是完全成熟的，主要受到進退刀傳動機構精度的制約，如采用液壓傳動系統，將顯著改善設備品質。
               
　　國內廢紙制漿中，熱分散設備才開始應用，從系統上講熱分散生產線對自動控制的要求是較高的，控制的內容有溫度、壓力、位置間隙等，其控制系統有待于進一步完善。
               
　　由于紙機生產向高產量、高品質的方向發展，對紙漿的配漿及濃度控制的要求不斷提高，因此，上漿濃度的調節和控制將越來越普遍地得到應用。造紙過程的多分部傳動近年應用變頻控制技術效果顯著，實現了電動機在長期恒定負載下的連續運行，系統的熱穩定狀態較為理想。各分部傳動點應處于硬速度特性，由于紙頁經過加熱會出現收縮變化，在壓光、卷取部需要一定幅度的軟特性，除了加裝張力傳感器進行動態速度補償外，在中小紙機上利用矢量型變頻器具有的自適應功能塊，根據輸出轉距的變化，通過速度補償自適應調節，實現間接張力控制應得到推廣應用，以減少斷頭和人工干預。
               
　　但驅動器的動態參數優化功能沒有充分發揮出來，在遇到負載擾動時，快速的抑制和調整的時間還不適應，特別在大型高速紙機上，變頻器直流側母線電壓過高的情況時有發生，因此，采用公共直流母線作為各逆變器的饋電系統會得到更多的應用。
               
　　紙機過程控制將歸類于DCS系統：包括上漿系統、蒸汽冷凝水系統、真空系統、損紙系統和涂料制備系統。紙機設備本體的過程控制內容將統一規劃，稱為MCS。流漿箱的流速與壓力、潤滑油的循環、壓榨部的線壓、網部的搖振和移動噴水、網和毛毯的糾偏、壓光機的液壓系統、卷取部的氣動系統等將在設備本體控制系統的基礎上，集中管理。
               
　　MCC馬達控制中心將向智能化方向發展，如果條件允許，將摒棄MCC室內放置遠程I/O的模式，每個電機控制單元，可看作FCS系統控制下的一個執行器。若采用PROFIBUS P聯接，則每個電機就是一個DP站點。
               
　　紙頁質量控制系統QCS的應用會更廣泛。為能幫助改善質量，提高產量和降低成本，除了紙頁定量和水分的測量和控制外，還包括灰分、厚度、白度、光澤度、平滑度、透明度、涂布量等內容的測量和控制。重要的是QCS應與上漿濃度和烘缸溫度等相關參數實現真正意義上的閉環自動控制。對于普通紙機，選用縱向質量測量和控制；對于大型或有特殊要求的紙機，還會增加橫向質量測量和控制。

　　斷紙監測系統WMS目前在國內的應用還極少見，即采用攝像技術在紙機容易斷紙的地方進行監測記錄，斷紙發生時，該系統將自動追溯存儲在攝像機中的斷紙前一定時區所捕捉到的斷紙信號和相關紙病信號，圖像會與生產同步，使技術人員快速判定斷紙區域和斷紙原因。紙病監測系統WIS，用于在線檢驗如斑點、孔洞、皺紋、裂口、條痕等紙病，可與切紙機聯接，剔除次品。檢驗數據也用于質量管理，確定紙病的成因。
               
　　目前制漿造紙企業的生產過程如烘缸表面溫度控制、烘箱干燥溫度連續控制、壓榨輥線壓力控制、紙頁張力控制等還是采用間接的或手控的方式進行的。這些都有待于推廣和應用。
               
　　制漿造紙過程是一個復雜的工業過程，也是一項技術性很強的工作，具有高度不確定性、非線性、關連性、大滯后和狀態不完全性。目前，國內造紙行業的自動化水平總的來說還屬落后的，我們應從生產過程的優化控制等底層自動化方面開始做起。在系統配置時，應使廠家的有關技術人員充分了解所選的控制系統的硬件、軟件及其技術特性；結合工藝設備及其控制要求，應充分考慮管理信息系統的要求，使全廠的控制系統構成一個能夠相互通信、相互調閱的生產管理系統。以便使廠部生產指揮部門可更迅速、更全面地掌握全廠生產過程、狀態，指揮調整工藝運行參數，及時進行生產調度和優化，為企業的發展服務。相信較短的時間內我國制漿造紙自控及儀表的控制水平會有一個飛躍。