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堿回收蒸發(fā)工段DCS中的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要:針對堿回收蒸發(fā)工段的DCS的控制要求,介紹了一套適合該工段的基于ProfiBus-DP與Ethernet的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及其系統(tǒng)安全保護設(shè)計。它們的實現(xiàn)為在堿回收蒸發(fā)工段中實施常規(guī)PID控制及復(fù)雜的智能控制提供了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:蒸發(fā)工段;ProfiBus ;Ethernet(工業(yè)以太網(wǎng));通信
中圖分類號: TP273.5 文獻標識碼:B

Design and Realization of the Communication Net of the DCS in Alkali Reclaim Evaporation Workshop Section
Guo Wen-qiang, Sun Yu, Hou Yong-yan
(College of Electrical and Electronic Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xianyang China, 712081)

Abstract: A communication net design based on ProfiBus-DP and Ethernet, which can meet the DCS control requirements in evaporation workshop section of alkali reclaim, and the system safety protection design are introduced in this paper. Their establishment supplies the fair groundwork for conventional PID control and other complicated, inbbbligent controls in the evaporation workshop section of alkali reclaim.

Key Words: evaporation workshop section; ProfiBus; Ethernet; communication

1 前言
造紙工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。目前,堿法制漿是國內(nèi)外造紙工業(yè)普遍采用的制漿方法,而堿回收是現(xiàn)代堿法制漿的重要組成部分。堿回收能為堿法制漿工廠提供蒸煮用堿,從而達到節(jié)能、降耗及保護環(huán)境的目的。由于越來越多的自動化設(shè)備如傳感器、PLC等被應(yīng)用到造紙工業(yè)控制,因此,數(shù)據(jù)流高速傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)就成為電氣傳動和控制系統(tǒng)的一個必不可少的組成部分。

2 堿回收黑液蒸發(fā)過程控制策略
堿回收包括蒸發(fā)工段、燃燒工段及苛化工段。其中蒸發(fā)工段是將制漿車間送來的黑液通過多效蒸發(fā)器蒸發(fā)成燃燒工段所需的高濃度黑液,其蒸發(fā)的好壞直接影響燃燒工段濃黑液的燃燒效果,因而蒸發(fā)工段是堿回收系統(tǒng)的一個重要工段[1,2]。
堿回收蒸發(fā)工段的主要控制目標是穩(wěn)定濃黑液的濃度和降低蒸汽的消耗,必須著重控制下列參數(shù):進效稀黑液的濃度和流量;進效新鮮蒸汽的壓力和流量;出效濃黑液的濃度;末效的二次蒸汽的真空度;出效黑液及冷卻水液位;冷凝器清水的溫度等。
針對蒸發(fā)工段過程參數(shù)多和控制回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點,為了達到可靠、靈活的控制要求,對其控制適宜采用DCS,即集散控制系統(tǒng)[3]。

3 系統(tǒng)硬件組態(tài)
硬件設(shè)備選取時,應(yīng)首先根據(jù)堿回收蒸發(fā)工段的工藝要求和廠方提供的技術(shù)資料,確定監(jiān)控AI、AO、DI、DO信號數(shù)量,從而合理配置系統(tǒng)的IO模塊單元,同時配置DCS系統(tǒng)所需的主控單元、電源模塊、操作站、工程師站、監(jiān)控站、通信網(wǎng)絡(luò)、打印機和UPS電源等。
根據(jù)蒸發(fā)工段控制要求及被控信號的特點,我們設(shè)計的DCS系統(tǒng)其硬件主要包括:主控單元(包括CPU、100M以太卡和DP主站卡等)、電源模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、ProfiBus-DP重復(fù)器、端子模塊等。

4 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
DCS系統(tǒng)通過硬件(包括控制器及I/O模塊)采集并處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)。為了將獲得的這些數(shù)據(jù)用于上位機顯示及參與控制調(diào)節(jié),需要對這些用于采集數(shù)據(jù)的硬件進行網(wǎng)絡(luò)配置。
在目前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信中,常用的主要為ProfiBus現(xiàn)場總線和Ethernet(工業(yè)以太網(wǎng))。
4.1 ProfiBus現(xiàn)場總線技術(shù)
ProfiBus現(xiàn)場總線技術(shù)是由德國Siemens等13家公司和5家研究所聯(lián)合制定的標準化規(guī)范。ProfiBus包括同一類、可互兼容的3個變種,即ProfiBus—FMS、PA、DP以適應(yīng)不同領(lǐng)域的要求[4]。ProfiBus—FMS(現(xiàn)場總線技術(shù)信息規(guī)范)的設(shè)計旨在解決車間監(jiān)控級通信任務(wù),提供大量的通信服務(wù);ProfiBus—PA(過程自動化)的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的ProfiBus—DP協(xié)議,并描述了現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī),適用于過程自動化;ProfiBus—DP(分散型外圍設(shè)備)用于現(xiàn)場層高速數(shù)據(jù)傳送。

4.2 Ethernet(工業(yè)以太網(wǎng))
隨著Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展,要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成。由于具有相同的通信協(xié)議,Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術(shù))網(wǎng)絡(luò),并能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議,從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺或基礎(chǔ)構(gòu)架。

4.3 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選取
根據(jù)蒸發(fā)工段的工藝及對其進行靈活、可靠的控制要求,并考慮企業(yè)今后發(fā)展對生產(chǎn)管理信息化的需要,在我們的設(shè)計中將ProfiBus現(xiàn)場總線和Ethernet結(jié)合運用到蒸發(fā)工段通信網(wǎng)絡(luò)中,并對主要的硬件采用冗余配置,其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,其中企業(yè)管理級網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)企業(yè)未來管理的需要方便地進行拓撲。


圖1 蒸發(fā)工段DCS通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

ProfiBus-DP為開放的系統(tǒng)協(xié)議,其傳輸速率為9.6Kbps~12Mbps,最大傳輸距離在12Mbps時為100m,1.5Mbps時為400m,可用中繼器延長至10km,傳輸介質(zhì)可采用雙絞線。輸入輸出模塊掛接在ProfiBus-DP線上,實現(xiàn)與控制柜主控單元進行信息傳輸。
主控單元內(nèi)置CPU、100M以太卡和DP主站卡等,完成ProfiBus和Ethernet的數(shù)據(jù)交換。
上位機(主/冗余服務(wù)器)通過100M Ethernet及100M冗余 Ethernet采用TCP/IP協(xié)議與控制柜的主控單元進行信息傳輸,即將上位機發(fā)出的操作指令發(fā)向控制站,同時將現(xiàn)場采集來的信息發(fā)給上位機。傳輸速度為100Mbps的以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢。
這樣,ProfiBus-DP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主控單元與現(xiàn)場I/O單元的數(shù)據(jù)傳遞;Ethernet用于上位機及主控單元之間的信息傳遞。因此,通過上位機(主/從服務(wù)器及監(jiān)視器)和控制柜的主控單元實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)視與控制,并使蒸發(fā)工段的通信網(wǎng)絡(luò)兼具了ProfiBus-DP高速數(shù)據(jù)傳送和Ethernet向企業(yè)管理層拓撲便利的優(yōu)點。

5 軟件組態(tài)
系統(tǒng)的軟件組態(tài)及設(shè)置主要通過Helishi公司的ConMaker (控制器)軟件和FacView(人機界面)軟件實現(xiàn)。
ConMaker是用于開發(fā)控制方案的開發(fā)平臺。根據(jù)蒸發(fā)工段的工藝控制要求,我們編寫了MACS_PRG主程序及相關(guān)子程序。子程序主要包括:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、I/O模塊定義、常規(guī)PID控制算法、智能PID控制算法和主蒸汽流量控制等子程序。
利用FacView編輯可完成監(jiān)視器顯示所需的現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控頁面。整個蒸發(fā)工段包括的頁面有:主菜單、蒸發(fā)工段I、蒸發(fā)工段II、硬件配置圖、系統(tǒng)狀態(tài)圖、硬件報警、工藝報警、報警禁止、模擬量趨勢、對比趨勢、操作日志、報表輸出等。
其后,便利用FacView通過標簽變量與ConMaker建立聯(lián)系,從而建立了基于SmartPro—FacView的實時監(jiān)控系統(tǒng),對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)控。

6 系統(tǒng)安全保護設(shè)計
為了保證蒸發(fā)工段安全、可靠地運行,我們在安全保護環(huán)節(jié)除了采用權(quán)限設(shè)置等軟件保護,還進行了系統(tǒng)硬件機械保護設(shè)計。因此,即使當系統(tǒng)發(fā)生異常時,蒸發(fā)工段仍保持在安全的控制狀態(tài)。
系統(tǒng)安全保護設(shè)計主要包括:(1)通信電纜屏蔽:采用了通信電纜屏蔽設(shè)計,解決了 ProfiBus-DP通訊不暢的問題。另外在實際施工中,盡量使 ProfiBus-DP電纜遠離強電區(qū),以避免電磁干擾;(2)有效的隔離設(shè)計:所有的IO單元都采用可靠的光電隔離技術(shù),使各單元之間和單元與上位機之間的CPU無任何電氣聯(lián)系,從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力、可靠性和安全性。在同一單元的不同通道間也提供了隔離措施,以消除由于現(xiàn)場地電位差對系統(tǒng)造成的損壞;(3)全面冗余設(shè)計:對主要的硬件部分,如控制器、Ethernet網(wǎng)絡(luò)都采用冗余配置,當連續(xù)執(zhí)行的診斷檢測到重要硬件部分故障時,自動切換到備用部分同時將報警信息傳送到操作站上報警。冗余配置的設(shè)備主要有:控制器(CPU)及其配套卡件、通信網(wǎng)絡(luò)、供電單元和I/O卡件等。

7 結(jié)束語
通過現(xiàn)場調(diào)試,基于ProfiBus-DP與Ethernet的通信網(wǎng)絡(luò)的堿回收蒸發(fā)工段集散控制系統(tǒng)于2002年起先后在山東、河南等多家造紙廠運行投入使用。運行結(jié)果表明基于ProfiBus-DP與Ethernet的通信網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,維護方便,為在堿回收蒸發(fā)工段中實施常規(guī)PID控制及先進的智能控制提供了良好的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻
[1] 王孟效, 孫瑜, 湯偉.制漿造紙過程測控系統(tǒng)及工程 [M].北京:化學工業(yè)出版社,2003
[2] 張珂, 俞正千.麥草漿堿回收技術(shù)指南[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,1999
[3] 楊寧, 趙玉剛.集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003
[4] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社,1999
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本文標簽:堿回收蒸發(fā)工段DCS中的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)
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