集散控制系統(tǒng)在廢紙脫墨生產(chǎn)過程中的應(yīng)用
近年來，各造紙廠家出于對環(huán)保和資源的考慮，不斷加大廢紙再生利用。而脫墨技術(shù)作為廢紙再生利用的一個難題，已越來越被廣大造紙生產(chǎn)廠家所重視。山東太陽紙業(yè)集團有限公司首家引進美國T.B.C.公司一條高白度高強度的廢紙脫墨生產(chǎn)線，海天測控技術(shù)有限責任公司針對該生產(chǎn)線的工藝特點設(shè)計了集散控制系統(tǒng)對工藝流程進行控制。該生產(chǎn)線于一九九九年十月順利投產(chǎn)，成漿白度達到86%（ISO）。
現(xiàn)就集散控制系統(tǒng)在該條生產(chǎn)線上的應(yīng)用介紹如下。
1. 集散控制系統(tǒng)簡介
集散控制系統(tǒng)是一種綜合了計算機控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進控制系統(tǒng)。在集散控制系統(tǒng)中過程控制站多采用高性能、高可靠性的工業(yè)控制器完成主要的控制決策和信號的輸入輸出處理；操作員站通過網(wǎng)絡(luò)與過程控制站進行數(shù)據(jù)交換，完成各種工作指令的下達和過程數(shù)據(jù)的收集；工程師站主要用于控制策略組態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)下載組態(tài)。
集散控制系統(tǒng)具有可靠性高、易于維護、操作形象簡單、控制策略組態(tài)靈活等優(yōu)點。生產(chǎn)過程中引入集散控制系統(tǒng)后，操作員的主要操作界面將轉(zhuǎn)移到計算機屏幕前。同時，集散控制系統(tǒng)中擁有強大的數(shù)據(jù)管理功能，可以將大量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和事件以及控制參數(shù)記錄匯總，并通過豐富的圖表提供給操作員。
2. 控制系統(tǒng)實例
在海天測控技術(shù)有限責任公司為山東太陽紙業(yè)集團有限公司辦公廢紙脫墨生產(chǎn)線設(shè)計的集散控制系統(tǒng)中采用了德國SIEMENS公司的S7系列可編程控制器作為過程控制站（PS），在主控室設(shè)置了一臺高檔標準PC作為操作員/工程師站（OS/ES），根據(jù)該廠的實際情況在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置2個SIEMENS TP27-10觸摸屏操作員面板作為現(xiàn)場操作工的操作界面。
在該系統(tǒng)中，生產(chǎn)流程中的各個檢測信號和執(zhí)行器信號以及電機的啟?？刂菩盘柖冀尤脒^程控制站的I/O單元?？刂瞥绦虼鎯υ谶^程控制站的CPU中。過程控制站可以在脫離操作員站和TP的情況下相對獨立地運行。兩個過程控制站之間通過MPI網(wǎng)進行數(shù)據(jù)共享，從而實現(xiàn)了連接在兩個過程控制站上的設(shè)備之間的連鎖。
在操作員/工程師站上采用中文bbbbbbs NT作為操作系統(tǒng)，監(jiān)控程序采用中文圖形界面，可以指示出系統(tǒng)中各傳感器和執(zhí)行器的工作參數(shù)以及電機設(shè)備的啟停狀態(tài)。同時，通過操作員站的監(jiān)控軟件可以對各控制回路的控制參數(shù)進行整定，并將整定后的參數(shù)下傳給過程控制站；另外在操作員站上通過各種形象的圖形操作元素可以對系統(tǒng)中的執(zhí)行器和電機進行操作。在操作員站上對生產(chǎn)過程中的各種重要數(shù)據(jù)（例如：壓力篩的進口和良漿出口的差壓，熱分散器的加載功率等等）均建立了完善的數(shù)據(jù)庫，并可通過圖表方式查閱和打印。對于不同的操作員，監(jiān)控軟件中設(shè)置了分權(quán)限登錄機制，即不同的操作員按照所涉及的操作級別掌握了不同的操作權(quán)限口令，用相應(yīng)的權(quán)限口令登錄可修改的參數(shù)和查看的數(shù)據(jù)的范圍是不同的。
工程師軟件也裝載在操作員微機上，利用bbbbbbs NT的多任務(wù)機制可以在不退出操作員監(jiān)控軟件的情況下啟動工程師軟件。通過工程師軟件系統(tǒng)工程師可以在線和離線修改過程控制站的控制程序以及操作員站的監(jiān)控程序。
現(xiàn)場操作員面板是為現(xiàn)場操作工設(shè)置的，它同樣通過MPI網(wǎng)與過程控制站的CPU連接。操作員面板的主要作用是為操作工提供一個相對簡易的操作界面，在操作員面板上顯示有分段的流程圖畫面和各檢測點的檢測值以及執(zhí)行器和電機的工作狀態(tài)。操作員可以直觀地查看各漿池的液位、漿管內(nèi)壓力和流量以及漿濃度等等各種工藝參數(shù)的變化，并通過操作員面板的觸摸屏方便地操作各類閥門和電機。
3. 控制對象和控制策略的選擇
過程控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用很大程度上取決于對被控工藝過程的理解，選擇正確的被控對象采用先進的控制系統(tǒng)可以有效地節(jié)約操作成本。集散控制系統(tǒng)在脫墨生產(chǎn)過程中的成功應(yīng)用同樣必須是建立在對脫墨生產(chǎn)工藝的深刻理解上的。
與造紙工業(yè)其他領(lǐng)域相似，在廢紙脫墨中自控技術(shù)的應(yīng)用畢竟不是全能的，集散控制系統(tǒng)控制對象和控制策略的選擇應(yīng)該首先滿足關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵工藝參數(shù)的要求，下面就脫墨工藝流程的幾個關(guān)鍵工序中控制對象的選擇加以說明：
篩選
A. 濃度
篩選過程主要是除去大多數(shù)剩余非纖維雜質(zhì)。在這一過程中，濃度對雜質(zhì)去除效率起了非常重要的作用。通常來講，較低的濃度會獲得較高的去除率。從提高效率的角度看，濃度控制是非常關(guān)鍵的因素，在集散控制系統(tǒng)中可以由一個反饋控制回路來完成。
B.排渣率
除濃度外，尾渣排出與進料的比例對于雜質(zhì)的去除效率也有明顯的影響，理想的情況是：以排渣率作為一個變量，與雜質(zhì)的比例變化相適應(yīng)。但是，由于沒有相應(yīng)的監(jiān)測儀表，無法在線檢測排渣率，因此，尾渣的排放量可以根據(jù)實驗室的測定結(jié)果人工調(diào)節(jié)，在集散控制系統(tǒng)中設(shè)置為一個手動回路。如果測出樣品的雜質(zhì)含量較高，可將第一段的排渣率通過手動回路從10%調(diào)節(jié)到15%~20%，保證第二段及后續(xù)篩的能力可以適應(yīng)流量增加。
C.壓力差
壓力篩的壓差同樣是確定效率的很重要的變量。通常，壓力篩和除渣器的入口壓力應(yīng)該是穩(wěn)定的。在對壓力篩的控制，進出口壓差可以用來監(jiān)測壓力篩是否出現(xiàn)堵塞，從而可以作為自沖洗程序的啟動條件。
D.流量
因為在恒定的條件下，壓差與良漿流量是成正比的，所以在壓力篩的控制對象選擇上還有一種方案：在進出口和尾渣出口各設(shè)置一個流量檢測點，控制系統(tǒng)對這三個流量進行比值控制，也可以達到很好的控制效果。
浮選
浮選是整個脫墨流程中的非常重要的一個環(huán)節(jié)，較完善的浮選控制系統(tǒng)將提高紙漿質(zhì)量的均勻性。影響浮選脫墨效果的因素較多，包括油墨的類型及尺寸的分布、礦物質(zhì)填料的種類及濃度、pH值、排渣率、溫度及油墨的聚集、化學(xué)藥品的濃度等等。但考慮到在線檢測儀表，在自動控制上一般采用較容易實現(xiàn)的維持浮選槽中液位穩(wěn)定和控制進漿濃度的方法。
對于象MAC CELL這樣的密閉壓力浮選槽，在一般情況下，槽內(nèi)有空氣、油墨泡沫和紙漿三種不同的介質(zhì)，液位的檢測較為復(fù)雜。由于三種介質(zhì)的比重不同，在槽內(nèi)是分層的，因此可以分別檢測三層介質(zhì)的壓力，控制系統(tǒng)通過換算得出實際的液位或泡沫厚度，并以此作為控制對象進行調(diào)節(jié)。由于浮選槽中泡沫層通常較厚，因此對于液位控制的精度要求不必過高。
熱分散系統(tǒng)
有熱分散系統(tǒng)的脫墨流程中，對于熱分散部分的控制對象主要選取漿料濃度、 熱分散溫度和熱分散器的加載功率。
目前，高濃熱分散技術(shù)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。高濃熱分散器的進口濃度通常在20%以上，因此直接檢測并控制此處的濃度是不易實現(xiàn)的。但是，如果控制進入螺旋擠漿機的漿料濃度，由于通過螺旋擠漿機的扭矩變化與濃度存在函數(shù)關(guān)系，因此通過適當調(diào)整螺旋擠漿機的扭矩，就可以為熱分散器提供穩(wěn)定的進料濃度。對擠漿機扭矩調(diào)整，有條件的情況下在集散控制系統(tǒng)中可以用進料濃度作為變量采用前饋控制方案實現(xiàn)自動控制。
加熱漿料是熱分散系統(tǒng)中重要且不可分割的一部分。通常，高溫熱分散效果優(yōu)于低溫熱分散的效果，但是，如果溫度過高，會使?jié){料顏色趨向于變深，并且會損失部分強度，還會使溶解的有機物增加。對此，在集散控制系統(tǒng)中采用一個簡單的反饋控制回路控制加熱用的飽和蒸汽就可以很好地解決加熱溫度控制問題。
控制熱分散器的加載功率，實際上是控制漿料在熱分散器中的停留時間，采用有功功率傳感器直接檢測熱分散器驅(qū)動電機的功率，通過控制出口料門開度，就可以完成對熱分散器加載功率的控制。
間歇過程的順序控制
在脫墨生產(chǎn)過程中，一些工藝過程是間歇完成的（如：碎解、除渣器的排渣各工序段的組啟停等等），其中一些程序化的順序動作可以由集散控制系統(tǒng)很好地完成。充分利用集散控制系統(tǒng)的強大功能，不但可以降低操作成本而且也可以使這些順序動作變得更加安全可靠。
結(jié)束語
目前，國內(nèi)脫墨生產(chǎn)過程的控制還不能實現(xiàn)完全的自動化，但是，隨著檢測技術(shù)和自控技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著人們對脫墨過程中影響各種過程操作因素的了解不斷深入，并通過集散控制系統(tǒng)這一強大的工具，脫墨生產(chǎn)過程的自動化程度將會越來越高并最終實現(xiàn)全過程的自動控制。
現(xiàn)就集散控制系統(tǒng)在該條生產(chǎn)線上的應(yīng)用介紹如下。
1. 集散控制系統(tǒng)簡介
集散控制系統(tǒng)是一種綜合了計算機控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進控制系統(tǒng)。在集散控制系統(tǒng)中過程控制站多采用高性能、高可靠性的工業(yè)控制器完成主要的控制決策和信號的輸入輸出處理；操作員站通過網(wǎng)絡(luò)與過程控制站進行數(shù)據(jù)交換，完成各種工作指令的下達和過程數(shù)據(jù)的收集；工程師站主要用于控制策略組態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)下載組態(tài)。
集散控制系統(tǒng)具有可靠性高、易于維護、操作形象簡單、控制策略組態(tài)靈活等優(yōu)點。生產(chǎn)過程中引入集散控制系統(tǒng)后，操作員的主要操作界面將轉(zhuǎn)移到計算機屏幕前。同時，集散控制系統(tǒng)中擁有強大的數(shù)據(jù)管理功能，可以將大量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和事件以及控制參數(shù)記錄匯總，并通過豐富的圖表提供給操作員。
2. 控制系統(tǒng)實例
在海天測控技術(shù)有限責任公司為山東太陽紙業(yè)集團有限公司辦公廢紙脫墨生產(chǎn)線設(shè)計的集散控制系統(tǒng)中采用了德國SIEMENS公司的S7系列可編程控制器作為過程控制站（PS），在主控室設(shè)置了一臺高檔標準PC作為操作員/工程師站（OS/ES），根據(jù)該廠的實際情況在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置2個SIEMENS TP27-10觸摸屏操作員面板作為現(xiàn)場操作工的操作界面。
在該系統(tǒng)中，生產(chǎn)流程中的各個檢測信號和執(zhí)行器信號以及電機的啟?？刂菩盘柖冀尤脒^程控制站的I/O單元?？刂瞥绦虼鎯υ谶^程控制站的CPU中。過程控制站可以在脫離操作員站和TP的情況下相對獨立地運行。兩個過程控制站之間通過MPI網(wǎng)進行數(shù)據(jù)共享，從而實現(xiàn)了連接在兩個過程控制站上的設(shè)備之間的連鎖。
在操作員/工程師站上采用中文bbbbbbs NT作為操作系統(tǒng)，監(jiān)控程序采用中文圖形界面，可以指示出系統(tǒng)中各傳感器和執(zhí)行器的工作參數(shù)以及電機設(shè)備的啟停狀態(tài)。同時，通過操作員站的監(jiān)控軟件可以對各控制回路的控制參數(shù)進行整定，并將整定后的參數(shù)下傳給過程控制站；另外在操作員站上通過各種形象的圖形操作元素可以對系統(tǒng)中的執(zhí)行器和電機進行操作。在操作員站上對生產(chǎn)過程中的各種重要數(shù)據(jù)（例如：壓力篩的進口和良漿出口的差壓，熱分散器的加載功率等等）均建立了完善的數(shù)據(jù)庫，并可通過圖表方式查閱和打印。對于不同的操作員，監(jiān)控軟件中設(shè)置了分權(quán)限登錄機制，即不同的操作員按照所涉及的操作級別掌握了不同的操作權(quán)限口令，用相應(yīng)的權(quán)限口令登錄可修改的參數(shù)和查看的數(shù)據(jù)的范圍是不同的。
工程師軟件也裝載在操作員微機上，利用bbbbbbs NT的多任務(wù)機制可以在不退出操作員監(jiān)控軟件的情況下啟動工程師軟件。通過工程師軟件系統(tǒng)工程師可以在線和離線修改過程控制站的控制程序以及操作員站的監(jiān)控程序。
現(xiàn)場操作員面板是為現(xiàn)場操作工設(shè)置的，它同樣通過MPI網(wǎng)與過程控制站的CPU連接。操作員面板的主要作用是為操作工提供一個相對簡易的操作界面，在操作員面板上顯示有分段的流程圖畫面和各檢測點的檢測值以及執(zhí)行器和電機的工作狀態(tài)。操作員可以直觀地查看各漿池的液位、漿管內(nèi)壓力和流量以及漿濃度等等各種工藝參數(shù)的變化，并通過操作員面板的觸摸屏方便地操作各類閥門和電機。
3. 控制對象和控制策略的選擇
過程控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用很大程度上取決于對被控工藝過程的理解，選擇正確的被控對象采用先進的控制系統(tǒng)可以有效地節(jié)約操作成本。集散控制系統(tǒng)在脫墨生產(chǎn)過程中的成功應(yīng)用同樣必須是建立在對脫墨生產(chǎn)工藝的深刻理解上的。
與造紙工業(yè)其他領(lǐng)域相似，在廢紙脫墨中自控技術(shù)的應(yīng)用畢竟不是全能的，集散控制系統(tǒng)控制對象和控制策略的選擇應(yīng)該首先滿足關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵工藝參數(shù)的要求，下面就脫墨工藝流程的幾個關(guān)鍵工序中控制對象的選擇加以說明：
篩選
A. 濃度
篩選過程主要是除去大多數(shù)剩余非纖維雜質(zhì)。在這一過程中，濃度對雜質(zhì)去除效率起了非常重要的作用。通常來講，較低的濃度會獲得較高的去除率。從提高效率的角度看，濃度控制是非常關(guān)鍵的因素，在集散控制系統(tǒng)中可以由一個反饋控制回路來完成。
B.排渣率
除濃度外，尾渣排出與進料的比例對于雜質(zhì)的去除效率也有明顯的影響，理想的情況是：以排渣率作為一個變量，與雜質(zhì)的比例變化相適應(yīng)。但是，由于沒有相應(yīng)的監(jiān)測儀表，無法在線檢測排渣率，因此，尾渣的排放量可以根據(jù)實驗室的測定結(jié)果人工調(diào)節(jié)，在集散控制系統(tǒng)中設(shè)置為一個手動回路。如果測出樣品的雜質(zhì)含量較高，可將第一段的排渣率通過手動回路從10%調(diào)節(jié)到15%~20%，保證第二段及后續(xù)篩的能力可以適應(yīng)流量增加。
C.壓力差
壓力篩的壓差同樣是確定效率的很重要的變量。通常，壓力篩和除渣器的入口壓力應(yīng)該是穩(wěn)定的。在對壓力篩的控制，進出口壓差可以用來監(jiān)測壓力篩是否出現(xiàn)堵塞，從而可以作為自沖洗程序的啟動條件。
D.流量
因為在恒定的條件下，壓差與良漿流量是成正比的，所以在壓力篩的控制對象選擇上還有一種方案：在進出口和尾渣出口各設(shè)置一個流量檢測點，控制系統(tǒng)對這三個流量進行比值控制，也可以達到很好的控制效果。
浮選
浮選是整個脫墨流程中的非常重要的一個環(huán)節(jié)，較完善的浮選控制系統(tǒng)將提高紙漿質(zhì)量的均勻性。影響浮選脫墨效果的因素較多，包括油墨的類型及尺寸的分布、礦物質(zhì)填料的種類及濃度、pH值、排渣率、溫度及油墨的聚集、化學(xué)藥品的濃度等等。但考慮到在線檢測儀表，在自動控制上一般采用較容易實現(xiàn)的維持浮選槽中液位穩(wěn)定和控制進漿濃度的方法。
對于象MAC CELL這樣的密閉壓力浮選槽，在一般情況下，槽內(nèi)有空氣、油墨泡沫和紙漿三種不同的介質(zhì)，液位的檢測較為復(fù)雜。由于三種介質(zhì)的比重不同，在槽內(nèi)是分層的，因此可以分別檢測三層介質(zhì)的壓力，控制系統(tǒng)通過換算得出實際的液位或泡沫厚度，并以此作為控制對象進行調(diào)節(jié)。由于浮選槽中泡沫層通常較厚，因此對于液位控制的精度要求不必過高。
熱分散系統(tǒng)
有熱分散系統(tǒng)的脫墨流程中，對于熱分散部分的控制對象主要選取漿料濃度、 熱分散溫度和熱分散器的加載功率。
目前，高濃熱分散技術(shù)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。高濃熱分散器的進口濃度通常在20%以上，因此直接檢測并控制此處的濃度是不易實現(xiàn)的。但是，如果控制進入螺旋擠漿機的漿料濃度，由于通過螺旋擠漿機的扭矩變化與濃度存在函數(shù)關(guān)系，因此通過適當調(diào)整螺旋擠漿機的扭矩，就可以為熱分散器提供穩(wěn)定的進料濃度。對擠漿機扭矩調(diào)整，有條件的情況下在集散控制系統(tǒng)中可以用進料濃度作為變量采用前饋控制方案實現(xiàn)自動控制。
加熱漿料是熱分散系統(tǒng)中重要且不可分割的一部分。通常，高溫熱分散效果優(yōu)于低溫熱分散的效果，但是，如果溫度過高，會使?jié){料顏色趨向于變深，并且會損失部分強度，還會使溶解的有機物增加。對此，在集散控制系統(tǒng)中采用一個簡單的反饋控制回路控制加熱用的飽和蒸汽就可以很好地解決加熱溫度控制問題。
控制熱分散器的加載功率，實際上是控制漿料在熱分散器中的停留時間，采用有功功率傳感器直接檢測熱分散器驅(qū)動電機的功率，通過控制出口料門開度，就可以完成對熱分散器加載功率的控制。
間歇過程的順序控制
在脫墨生產(chǎn)過程中，一些工藝過程是間歇完成的（如：碎解、除渣器的排渣各工序段的組啟停等等），其中一些程序化的順序動作可以由集散控制系統(tǒng)很好地完成。充分利用集散控制系統(tǒng)的強大功能，不但可以降低操作成本而且也可以使這些順序動作變得更加安全可靠。
結(jié)束語
目前，國內(nèi)脫墨生產(chǎn)過程的控制還不能實現(xiàn)完全的自動化，但是，隨著檢測技術(shù)和自控技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著人們對脫墨過程中影響各種過程操作因素的了解不斷深入，并通過集散控制系統(tǒng)這一強大的工具，脫墨生產(chǎn)過程的自動化程度將會越來越高并最終實現(xiàn)全過程的自動控制。
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