造紙DCS控制系統(tǒng)分析

沈華杰

摘 要：本文分析了造紙DCS控制系統(tǒng)，包括造紙工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)，系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：造紙;控制;設(shè)計(jì)

隨著生活水平的提高，造紙行業(yè)的發(fā)展更是日新月異，從現(xiàn)場(chǎng)操作到采用集散控制系統(tǒng)控制，從靠工人的經(jīng)驗(yàn)判斷紙張質(zhì)量的好壞到用質(zhì)量控制系統(tǒng)來(lái)控制產(chǎn)品質(zhì)量，從靠工人的眼睛來(lái)判斷紙張外觀紙病到在線紙病檢測(cè)系統(tǒng)，這些技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)造紙行業(yè)的變革，使造紙無(wú)論從質(zhì)量還是從產(chǎn)量上都是有了質(zhì)的飛躍。

1 造紙工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)

造紙同其他行業(yè)一樣，作為一個(gè)工廠、一個(gè)生產(chǎn)流程或某一個(gè)單元，都按照一定的要求和條件來(lái)組織生產(chǎn)和進(jìn)行操作。為使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不出偏差，這就要求有好的測(cè)量控制系統(tǒng)來(lái)保證。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完全依賴于被控制的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特性和要求。所以，深入了解造紙工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程特性，是進(jìn)行集散型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

對(duì)于一個(gè)造紙生產(chǎn)過(guò)程，從控制的觀點(diǎn)來(lái)分析，可用生產(chǎn)過(guò)程擾動(dòng)作用、生產(chǎn)過(guò)程特性和順序控制要求三個(gè)方面來(lái)考慮。

1.1 過(guò)程擾動(dòng)作用

造紙工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，往往會(huì)受到各種各樣的干擾作用，使得生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，最終影響生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益。這些干擾來(lái)自原料（包括漿料、化學(xué)品、添加劑）的質(zhì)量和供應(yīng)情況;產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格的變化;生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備的穩(wěn)定性;環(huán)境條件改變，比如季節(jié)的更換;與其它工廠或裝置之間的連結(jié)關(guān)系;設(shè)備特性的漂移和衰減作用;過(guò)程物料的波動(dòng);控制系統(tǒng)的可靠性。質(zhì)量問(wèn)題，可以是原材料質(zhì)量的波動(dòng)，產(chǎn)品規(guī)格的改變，即物料或產(chǎn)品的組成化學(xué)成分和物理性質(zhì)的變化，如長(zhǎng)纖維及短纖維比例的變化。有些物流與其它工廠或生產(chǎn)過(guò)程相連結(jié)的，因前后連結(jié)的調(diào)度等原因，要求過(guò)程操作改變。典型的設(shè)備特性漂移和衰減作用，如熱交換器隨著生產(chǎn)的進(jìn)行而結(jié)垢，從而影響傳熱效果;加入化學(xué)品的活性改變，這些都將影響紙張的物理特性。過(guò)程物料輸送過(guò)程，常常因固體物料堵塞管道，或管道破損，而影響物料流量不穩(wěn)定。同樣，過(guò)程設(shè)備的事故也會(huì)引起擾動(dòng)，如控制系統(tǒng)出故障，測(cè)量過(guò)程的測(cè)量噪聲，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定以及操作者的失誤，這些都會(huì)造成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的擾動(dòng)作用。

現(xiàn)代的造紙生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)于擾動(dòng)是很敏感的?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)強(qiáng)化，中間貯存環(huán)節(jié)盡量省略不用，工廠內(nèi)部物料再循環(huán)與能源再利用很普遍。比如造紙白水的回收和蒸汽冷凝系統(tǒng)的熱交換器。

1.2 生產(chǎn)過(guò)程特性

在負(fù)反饋控制系統(tǒng)中，被控制過(guò)程的特性，直接影響到采用什么樣的控制方案，以及控制（或控制算法）的形式和有關(guān)的參數(shù)。那么哪些過(guò)程特性影響著控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)呢？主要有：

信號(hào)的測(cè)量問(wèn)題、純遲后問(wèn)題、過(guò)程的時(shí)間常數(shù)很長(zhǎng)或很短、非線性特性、時(shí)變特性、過(guò)程本征不穩(wěn)定、過(guò)程具有強(qiáng)的耦合、過(guò)程靈敏度極高等。

造紙生產(chǎn)過(guò)程信息的測(cè)量是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。有些過(guò)程變量很難測(cè)量，有些可能測(cè)不準(zhǔn)，噪聲大，不可靠，有些無(wú)法在線測(cè)量，特別是那些成分分析，只能通過(guò)取樣的辦法，在實(shí)驗(yàn)室中分析才能獲得，比如打漿度，在線測(cè)量的儀器的精度在±8%左右，因此這個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)只能用作參考，不能作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還是要經(jīng)過(guò)檢測(cè)室獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù);有些即使可用間接的方法測(cè)到準(zhǔn)確的信號(hào)，但是，不知其與真實(shí)變量的關(guān)系，隨著在線分析儀（或質(zhì)量控制系統(tǒng)）的逐步應(yīng)用，使得原來(lái)有些不可測(cè)的量，變成可測(cè)，比如QCS在造紙上的普及，在線定量、水分、灰分、厚度、不透明度、色差等等。然而，有些在線分析儀（或質(zhì)量控制系統(tǒng)）確實(shí)滿足不了千變?nèi)f化的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的要求，所以有些過(guò)程變量用間接測(cè)量方法或稱推斷測(cè)量的方法，通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得過(guò)程的變量。

在造紙生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)有各種純遲后和延遲存在，這可能由于管道物料傳遞過(guò)程所致，或者由取樣分析所造成。純遲后，對(duì)于過(guò)程控制來(lái)說(shuō)是一個(gè)大敵，因?yàn)檫^(guò)程控制希望其控制作用響應(yīng)要迅速及時(shí)。然而，有純遲后存在，不等控制作用的進(jìn)行，可能又有新的擾動(dòng)到來(lái)。

若一個(gè)過(guò)程嚴(yán)重非線性，則在整個(gè)過(guò)程范圍內(nèi)，對(duì)于擾動(dòng)作用的響應(yīng)和校正作用，在不同的工作區(qū)域會(huì)有不同，這樣就很難找到滿意的控制器與PID參數(shù)。

此外，造紙生產(chǎn)過(guò)程中輸入和輸出之間的關(guān)系通常是很復(fù)雜的，各變量之間可能是具有很強(qiáng)的耦合性。一個(gè)輸入可能會(huì)改變幾個(gè)輸出，反過(guò)來(lái)說(shuō)，一個(gè)輸出可能會(huì)受到多個(gè)輸入的影響。因此，不管控制系統(tǒng)是單回路還是多回路，控制系統(tǒng)之間都會(huì)相互影響。

造紙過(guò)程參數(shù)的時(shí)變性，也會(huì)嚴(yán)重影響控制器參數(shù)的整定，有時(shí)會(huì)使得整個(gè)過(guò)程變得很難控制。

總之，對(duì)于造紙過(guò)程特性的了解，是造紙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

1.3 造紙生產(chǎn)過(guò)程的特殊要求

對(duì)于造紙工業(yè)的飛速發(fā)展，其生產(chǎn)操作過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜化和多樣化，一般來(lái)說(shuō)有下述的一些順序操作和控制的問(wèn)題。生產(chǎn)過(guò)程的開(kāi)車和停車;間歇生產(chǎn)過(guò)程操作，比如化學(xué)品的熬制。

設(shè)備的切換，比如長(zhǎng)短纖維打漿共用盤磨的切換;產(chǎn)品規(guī)格以及種類的變化;生產(chǎn)負(fù)荷的改變，如烘缸負(fù)荷的改變。

在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和間歇生產(chǎn)過(guò)程，開(kāi)車和停車都有自己的一套順序和操作步驟，特別是大型的造紙生產(chǎn)過(guò)程，其開(kāi)停車要化很長(zhǎng)時(shí)間，若不按照一定的步驟和順序進(jìn)行，就將會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)事故。對(duì)于間歇生產(chǎn)過(guò)程，其往復(fù)循環(huán)操作更頻繁，而在某些連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，也包含著間歇操作的設(shè)備和單元，如那些需要再生的系統(tǒng)。有時(shí)，要改變生產(chǎn)品種和生產(chǎn)負(fù)荷，這些都要求按一定的順序規(guī)劃進(jìn)行操作。一般說(shuō)來(lái)，順序操作包括一系列的階段或操作步驟。這些階段，有些是由過(guò)程事件來(lái)觸發(fā)，而有些根據(jù)特定的時(shí)間間隔來(lái)激發(fā)。

除了上述順序操作要求之外，造紙生產(chǎn)過(guò)程還要求：

1）監(jiān)視和管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程;2）對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃，調(diào)度和決策;3）生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化操作與控制;監(jiān)視和管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，在過(guò)程控制系統(tǒng)中往往是很重要的功能。監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程的變化，收集生產(chǎn)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)尋找出過(guò)程的擾動(dòng)因素和分析過(guò)程操作都是極為有用，一個(gè)工廠可能由許多生產(chǎn)過(guò)程所組成，如何根據(jù)市場(chǎng)需求和原料狀況，編排生產(chǎn)計(jì)劃，調(diào)度全廠能源：漿料、水、電以及蒸汽的分配，對(duì)一個(gè)造紙廠來(lái)說(shuō)具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。

造紙生產(chǎn)過(guò)程中，從設(shè)備到單元的整個(gè)生產(chǎn)線，直至全廠都有優(yōu)化操作點(diǎn)和控制點(diǎn)問(wèn)題。而一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化操作點(diǎn)往往是時(shí)變的，因此，要針對(duì)造紙生產(chǎn)過(guò)程具體情況，進(jìn)行連續(xù)尋優(yōu)是十分重要的，通常優(yōu)化問(wèn)題是以經(jīng)濟(jì)效益最好為目標(biāo)，它往往是用一組約束條件來(lái)描述。在這些約束條件之下操作，既使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最好，又使系統(tǒng)處于安全運(yùn)行。

2 系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)

為了更好地使用集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，首先進(jìn)行系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)是極為重要的，這包括與集散型控制系統(tǒng)制造廠家聯(lián)系，這些廠家會(huì)要求用戶告訴各自應(yīng)用集散型控制系統(tǒng)的目的是什么，被控制的是什么過(guò)程，以及想應(yīng)用什么控制策略。

如果說(shuō)，使用用戶沒(méi)有明確的目標(biāo)，那么，系統(tǒng)供應(yīng)商在不了解情況的前提下，將會(huì)提出各種各樣不切合實(shí)際的方案。而且會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的設(shè)備技術(shù)規(guī)格，不適用的控制程序。所以清楚了解應(yīng)用集散型控制系統(tǒng)的目的是第一條。

建立一個(gè)計(jì)算機(jī)控制實(shí)施小組十分必要。在這個(gè)小組中，要求有了解實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程工藝和設(shè)備的工程技術(shù)人員。當(dāng)然，在這個(gè)小組中也應(yīng)有熟悉過(guò)程控制回路設(shè)計(jì)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員，以及有經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人員。

在深入了解造紙生產(chǎn)過(guò)程的基礎(chǔ)上，應(yīng)將整個(gè)被控制的造紙生產(chǎn)過(guò)程分成幾個(gè)功能單元和區(qū)域，要了解它們的區(qū)域特性。這些特性應(yīng)考慮包括每個(gè)操作單元的關(guān)鍵部分。然后，要研究這些單元之間的相關(guān)性能，即一個(gè)單元對(duì)前面或后續(xù)單元的影響特征。

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