ABB AC800F 控制系統(tǒng)在維綸纖維生產(chǎn)上的應(yīng)用

廖勇前

(湖南省湘維有限公司，湖南 溆浦 419323)

0 引言

維尼綸纖維是聚乙烯醇縮甲醛纖維的商品名稱，也叫維綸。湖南省湘維有限公司的維綸生產(chǎn)線是70年代末建成并投產(chǎn)的，為了適應(yīng)生產(chǎn)維尼綸新品種的需要，對(duì)該線進(jìn)行升級(jí)改造。為提升該生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，在行業(yè)中維綸生產(chǎn)線上首次采用DCS 控制系統(tǒng)。最終選用ABB 公司的AC800F 控制系統(tǒng)，本文介紹該系統(tǒng)特點(diǎn)和組成以及實(shí)際應(yīng)用，還有用高精度矢量型變頻器直接改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式代替機(jī)械式無(wú)極調(diào)速器、變頻器用現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus－DP 協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F 通信等一些新技術(shù)在維綸生產(chǎn)線上的應(yīng)用方法。

1 工藝概述

維綸纖維的生產(chǎn)工藝過(guò)程:聚乙烯醇原料水洗、溶解、過(guò)濾、脫泡、紡絲與脫水、濕熱拉伸、干熱拉伸、熱定型、切斷、熱水卷曲、縮醛化、上油劑、干燥、打包、成品入庫(kù)。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

AC800F 控制系統(tǒng)是ABB 公司推出的一種全能綜合型開(kāi)放控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)融傳統(tǒng)的DCS 和PLC 優(yōu)點(diǎn)于一體并支持多種國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它既具備DCS 的復(fù)雜模擬回路調(diào)節(jié)能力、友好的人機(jī)界面(HMI)及方便的工程軟件，同時(shí)又具有與高檔PLC 指標(biāo)相當(dāng)?shù)母咚龠壿嫼晚樞蚩刂菩阅堋?/p>

系統(tǒng)分為兩級(jí):操作管理級(jí)(操作站OS、工程師站ES 及網(wǎng)關(guān)GS)和過(guò)程控制級(jí)(現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F)。在操作管理級(jí)上不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)監(jiān)控操作功能(預(yù)定義及自由格式動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示、趨勢(shì)顯示、彈出式報(bào)警及操作指導(dǎo)信息、報(bào)表打印、硬件診斷等)，而且完成配方管理及數(shù)據(jù)交換等管理功能。現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F 實(shí)現(xiàn)包括復(fù)雜控制在內(nèi)的各種回路調(diào)節(jié)(各種PID、比值、Simith……)和高速邏輯控制、順序控制以及批量間歇控制功能。

系統(tǒng)使用同一套簡(jiǎn)單易用的工程師站組態(tài)工具軟件，完成過(guò)程級(jí)和操作級(jí)組態(tài)以及調(diào)試，并使用同一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。

過(guò)程站、操作員站/工程師站之間的通訊是通過(guò)系統(tǒng)總線DigiNetS(工業(yè)以太網(wǎng))實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)方I/O、PLC、稱重系統(tǒng)等可通過(guò)Profibus、FF等協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F 進(jìn)行通迅。

3 維綸生產(chǎn)線系統(tǒng)硬件組成

3.1 控制站配置。配置兩對(duì)冗余的現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F。熱處理工序使用一對(duì)、原液工序和凝固浴工序及整理工序使用一對(duì)。

3.2 操作員站和工程師站配置。配置10個(gè)操作員站(源液工序、凝固浴工序、熱處理工序、整理工序各兩臺(tái)，調(diào)度室和技術(shù)組各一臺(tái)。操作員站上安裝操作監(jiān)控軟件DigiVis，工程師站上安裝組態(tài)調(diào)試軟件Control Build F。另外還安裝了權(quán)限鎖定軟件(DigiLock)、運(yùn)行在管理PC 機(jī)上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)瀏覽軟件(DigiBrowse)等。

3.3 網(wǎng)絡(luò)配置

現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F、操作員站/工程師站之間的通訊是通過(guò)系統(tǒng)總線DigiNetS(工業(yè)以太網(wǎng))實(shí)現(xiàn)的。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性，采用冗余的環(huán)形光纖以太網(wǎng)。

現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F 與S800I/O 站、變頻器的通信，通過(guò)安裝在其上的Profibus－DP 協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在熱處理工序AC800F 上插入2 對(duì)Profibus 協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件，一對(duì)用來(lái)采集來(lái)自總線的熱處理工序S800I/O 站上過(guò)程數(shù)據(jù)和診斷信息，另一對(duì)用來(lái)采集來(lái)自總線的80 多臺(tái)變頻器上過(guò)程數(shù)據(jù)和診斷信息。為了減少電纜費(fèi)用，提高工程進(jìn)度，我們采用現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus－DP 協(xié)議建立現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F 與變頻器的通信。具體方法是:①我們使用的是西門子公司的變頻器，在其上裝一個(gè)Profibus－DP 接口板CB15，其就能支持Profibus－DP 協(xié)議。②我們把支持Profibus－DP 協(xié)議變頻器的主數(shù)據(jù)文件GSD 文件拷入組態(tài)調(diào)試軟件Control Build F 中，把報(bào)文中PZD 部分(包括控制字，設(shè)定值，狀態(tài)字和實(shí)際值)的所需量(如啟/?？刂?、運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)、設(shè)定值)進(jìn)行定義。定義后的量就可進(jìn)行顯示、修改等操作。③為了能夠有效通信，在組態(tài)軟件和變頻器中，必須為每一臺(tái)變頻器設(shè)定一樣的地址，以便主站尋址。④在變頻器進(jìn)行相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置。

在原液工序AC800F 上插入2 對(duì)Profibus 協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件，一對(duì)用來(lái)采集來(lái)自總線的原液工序和凝固浴工序S800I/O 站上過(guò)程數(shù)據(jù)和診斷信息，另一對(duì)用來(lái)采集來(lái)自總線的整理工序S800I/O 站上過(guò)程數(shù)據(jù)和診斷信息。

3.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(見(jiàn)圖1)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 控制方案

4.1 主要的模擬量控制系統(tǒng)(MCS)

4.1.1 紡絲調(diào)壓槽液位控制。當(dāng)原液進(jìn)入密閉的調(diào)壓槽后，槽內(nèi)空氣被壓縮，其壓力和空氣體積的乘積為一常數(shù)。調(diào)壓槽的液位(液量)變化，就必然引起槽內(nèi)空間體積V 的變化和槽內(nèi)空氣壓力P 的變化。P 的變化可以反映調(diào)壓槽內(nèi)液位的變化?？刂芇 一定，就能控制槽內(nèi)液位一定。

4.1.2 熱處理烘?zhèn)}溫度控制。烘?zhèn)}用電熱絲加熱，其溫度通過(guò)溫度調(diào)節(jié)器的輸出控制單相調(diào)功器的輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.1.3 速度控制。(1)采用變頻器直接改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式。改造前，采用手動(dòng)調(diào)整機(jī)械式無(wú)極調(diào)速器來(lái)控制速度，其主要存在機(jī)械式無(wú)極調(diào)速器故障率高、只能手動(dòng)控制不能自動(dòng)調(diào)節(jié)、速度波動(dòng)大等缺點(diǎn)。改造后，采用變頻器直接改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式，降低設(shè)備故障率，速度控制穩(wěn)定，大大提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。(2)為了使新的調(diào)速方式的性能滿足工藝要求，采取如下措施:為了提高速度測(cè)量精度，提高抗干擾性，在紡絲工序的所有電機(jī)上，增加了旋轉(zhuǎn)編碼器，用于各臺(tái)電機(jī)的速度準(zhǔn)確測(cè)量;計(jì)量泵、導(dǎo)輥、牽引機(jī)電機(jī)采用了永磁同步電機(jī)，相應(yīng)的變頻器采用速度精度很高的矢量型變頻器，電機(jī)速度選擇開(kāi)環(huán)控制方案。速度控制精度達(dá)到了0.02%;3 預(yù)熱機(jī)、延伸機(jī)、冷卻機(jī)電機(jī)采用異步電機(jī)，相應(yīng)的變頻器采用速度精度很高的矢量型變頻器，電機(jī)速度使用閉環(huán)控制，保證速度控制的精度、變頻器的轉(zhuǎn)矩性能。速度控制精度達(dá)到了0.1%。

4.2 主要的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)(SCS)

原液工序有一些復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)，改造前是用傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，改造后用DCS 系統(tǒng)中的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能，組態(tài)時(shí)是用順序功能圖(簡(jiǎn)稱SFC)來(lái)做的。從順序功能圖看整個(gè)順序控制過(guò)程一目了然。另外，這種方法也為調(diào)試、試運(yùn)行、監(jiān)控及操作帶來(lái)許多方便。

圖2 壓力溶解機(jī)的工藝流程圖

4.2.1 溶解機(jī)加水控制。選擇溶解機(jī)→打開(kāi)進(jìn)水閥→啟給水泵→到水量給定值→關(guān)進(jìn)水閥→停泵。

4.2.2 溶解機(jī)加料控制。選擇溶解機(jī)→打開(kāi)接受閥、真空閥、一、二列分配閥→真空度大于53kPa→打開(kāi)總真空閥→選擇秤→打開(kāi)秤出料門→啟動(dòng)秤皮帶→秤空→停止進(jìn)料。

4.2.3 溶解機(jī)壓力控制系統(tǒng)。溶解機(jī)的工藝流程圖見(jiàn)圖2。溶解工序包括調(diào)壓、攪拌、排氣三個(gè)過(guò)程。系統(tǒng)設(shè)置“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩種控制方式。在“自動(dòng)”控制方式時(shí)，按下起動(dòng)按鈕后，則自動(dòng)執(zhí)行壓力溶解流程:調(diào)壓3h→攪拌2h→排氣2min→結(jié)束。

5 運(yùn)行效果

湖南省湘維有限公司維綸生產(chǎn)線采用ABB 的AC800F 控制系統(tǒng)后，各類生產(chǎn)控制指標(biāo)和生產(chǎn)線控制穩(wěn)定性與過(guò)去使用的常規(guī)儀表相比明顯提高，操作非常便捷，自動(dòng)化程度大大提高，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，減少消耗、減少操作和維修人員從而降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的目的。

6 結(jié)束語(yǔ)

ABB 的AC800F 控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，在維綸生產(chǎn)線上的應(yīng)用很成功。用高精度矢量型變頻器直接改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式代替機(jī)械式無(wú)極調(diào)速和變頻器用Profibus－DP 協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F 通信在維綸生產(chǎn)線上使用是可行的。

［1］ABB 控制產(chǎn)品及系統(tǒng)部，控制系統(tǒng)培訓(xùn)資料，ABB 公司，2004.

［2］陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［3］徐海.變頻器原理及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.