集散控制DCS控制系統(tǒng)是一種集計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和過程控制技術(shù)為一體的自動(dòng)控制系統(tǒng),在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家制漿造紙行業(yè)廣泛使用。23世紀(jì)43年代以來,在我國造紙行業(yè)中開始應(yīng)用。造紙是我國的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),目前,我國造紙行業(yè)現(xiàn)代化管理水平和自動(dòng)控制程度較低、環(huán)境污染較重。近幾年,由于全世界環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及國際紙張行情對國內(nèi)造紙行業(yè)的沖擊,短短幾年,上千家小紙廠和治污不達(dá)標(biāo)的大中型紙廠被關(guān)閉,迫切要求我國造紙業(yè)必須向高質(zhì)量、規(guī);l(fā)展,以便于污水集中處理、提高效益、降低成本。因此造紙生產(chǎn)的整個(gè)造紙過程從蒸煮、洗選、漂白、抄紙到堿回收,必須盡可能采用自動(dòng)控制甚至生產(chǎn)過程全線自動(dòng)控制。目前在大型造紙廠,各個(gè)生產(chǎn)車間大都已采用集散控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。
1 集散控制DCS介紹
集散控制系統(tǒng)DCS是一個(gè)“控制分散、顯示集中”的系統(tǒng),由四部分組成:I/O板、控制器、操作站、通訊網(wǎng)絡(luò)。各DCS廠家的I/O板和控制器的技術(shù)水平相差不遠(yuǎn),差別最大是通訊網(wǎng)絡(luò),通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是DCS的骨架,對DCS的實(shí)時(shí)性、擴(kuò)充性及可靠性起著關(guān)鍵的作用。想要應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)就必須要滿足實(shí)時(shí)性的要求,要在一定的時(shí)間內(nèi)完成對規(guī)定信息的發(fā)送,這個(gè)時(shí)間是指整個(gè)控制過程的實(shí)時(shí)性。因此,對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的衡量不僅是指網(wǎng)絡(luò)的速率,而是整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。其次網(wǎng)絡(luò)通信不能中斷,所以,DCS通常采用環(huán)形、雙總線或是雙重星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了滿足對擴(kuò)充性的要求,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)該比在用節(jié)點(diǎn)的數(shù)量高若干倍。這樣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在一個(gè)比較輕松的通信負(fù)荷狀態(tài),可隨時(shí)增加新節(jié)點(diǎn),不影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的運(yùn)行中,節(jié)點(diǎn)的上、下網(wǎng)是隨時(shí)可能發(fā)生的,尤其是在操作點(diǎn)。所以,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)經(jīng)常在進(jìn)行。由此可見良好的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的重構(gòu)功能。
2 集散控制系統(tǒng)DCS在造紙工藝中的應(yīng)用
造紙生產(chǎn)的自動(dòng)控制,過去只集中在電氣傳動(dòng)方面,現(xiàn)在的范圍已擴(kuò)大到蒸煮過程控制系統(tǒng)、洗篩漂過程控制系統(tǒng)、打漿控制系統(tǒng)、配漿控制系統(tǒng)、堿回收過程控制系統(tǒng)、上等方面,即通常說的 DCS過程控制系統(tǒng)和QCS質(zhì)量檢測系統(tǒng),正朝著整廠集中控制的方向發(fā)展。
2.1蒸煮過程控制系統(tǒng)
紙漿硬度是衡量紙漿質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo),故在紙漿蒸煮過程的控制中,主要被控量為
紙漿硬度。目前尚無在線直接測量的方法,人工化驗(yàn)測量滯后大無法用于反饋控制。
控制方案為模型預(yù)測控制,即在機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,建立紙漿蒸煮過程的數(shù)學(xué)模型、紙漿硬度數(shù)學(xué)模型、噴放殘堿數(shù)學(xué)模型和產(chǎn)漿量預(yù)報(bào)模型。實(shí)現(xiàn)紙漿硬度和噴放殘堿的在線軟測量,并對具有大滯后的制漿生產(chǎn)過程進(jìn)行預(yù)測控制。
通過該控制系統(tǒng)的運(yùn)行,保證了紙漿生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定,提高了產(chǎn)量,降低了能源和原材料的消耗。
2.2 洗篩漂過程控制系統(tǒng)
洗篩漂是制漿過程的重要工序,洗選工段控制系統(tǒng)采用DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。下位機(jī)完成對出噴放鍋漿料的流量、濃度、洗滌水流量、漿殘堿、黑液玻鎂度、溫度、黑液桶液位的在線檢測和控制。上位機(jī)根據(jù)從噴放鍋打出的紙漿濃度和流量,在滿足殘堿要求的情況下,使黑液玻鎂度高目穩(wěn)定、黑液溫度高、洗滌水盡量少。建立了首段洗漿機(jī)殘堿和首段黑液玻鎂度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)紙漿洗滌過程的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。優(yōu)化目標(biāo)為用水最少,采用無約束最優(yōu)化方法來求解。并大幅度減少后繼的堿回收蒸發(fā)工段的用汽量。
漂白過程優(yōu)化控制策略以成漿白度為指標(biāo),以影響這個(gè)指標(biāo)的各種因素如紙漿硬度、流量、濃度、溫度、時(shí)間、加氯量、加堿量等為輸入變量建立數(shù)學(xué)模型。采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法,且以工藝要求為約束、以生產(chǎn)成本和生產(chǎn)產(chǎn)量作為目標(biāo),進(jìn)行了雙目標(biāo)優(yōu)化,得到了使生產(chǎn)產(chǎn)量最高,生產(chǎn)成本最低的各個(gè)最佳工藝參數(shù)值。以此工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對漿塔漿位和從調(diào)濃漿池打出的漿濃度和流量的優(yōu)化控制,并對堿化塔和漂白塔的頂部溫度,實(shí)現(xiàn)了漂白和堿化的溫度和時(shí)間優(yōu)化控制。
2.3 抄紙過程優(yōu)化控制系統(tǒng)
整個(gè)抄紙過程優(yōu)化控制系統(tǒng)包括7個(gè)子系統(tǒng):
。1)打漿過程控制系統(tǒng)
對打漿過程的打漿度用多變量智能軟測量方法進(jìn)行測量,用實(shí)際打漿度的化驗(yàn)值進(jìn)行指導(dǎo)性的修正。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置有進(jìn)打漿設(shè)備的漿濃度、漿流量和漿壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)、打漿設(shè)備電功率自動(dòng)控制系統(tǒng)和打漿設(shè)備進(jìn)刀量的控制系統(tǒng)。
。2)紙漿配比過程控制系統(tǒng)
對配漿的各種漿料、輔料的濃度和流量進(jìn)行精確測量和自動(dòng)控制,對抄紙所要求的紙漿的質(zhì)量用遺傳算法尋求最佳配比,并通過閥門調(diào)節(jié)實(shí)際配漿的各種漿和輔料的流量,實(shí)現(xiàn)最佳配漿。
。3)氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)
對氣墊式流漿箱的總壓頭和液位實(shí)施神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解藕控制。
(4)烘缸3段供汽自動(dòng)控制系統(tǒng)
采用熱泵3段供汽以及智能預(yù)測控制策略實(shí)施烘缸3段供汽自動(dòng)控制。
。5)長網(wǎng)紙機(jī)分布傳動(dòng)控制系統(tǒng)
由工控機(jī)、智能通信卡等組成,實(shí)現(xiàn)多分部傳動(dòng)之間的協(xié)調(diào)控制。用軟件實(shí)現(xiàn)紙機(jī)的速度鏈、負(fù)荷分配、張力控制等功能,從而使紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)速精度為0. 01%以上。
。6)抄紙質(zhì)量控制系統(tǒng)
對抄紙干部和卷曲部的水分、成紙的定量、斷紙(3點(diǎn))、上漿流量和濃度等進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算后去控制料門和蒸汽壓力。水分和定量同時(shí)實(shí)施解藕控制、大滯后補(bǔ)償控制、智能預(yù)測控制等高級控制算法。
(7)抄紙車間集成優(yōu)化控制系統(tǒng)
將整個(gè)抄紙車間的自動(dòng)控制聯(lián)成一個(gè)整體。實(shí)現(xiàn)集成優(yōu)化控制,當(dāng)改變產(chǎn)品品種或抄速時(shí),由車間監(jiān)督管理微機(jī)向各現(xiàn)場控制微機(jī)發(fā)出新的給定指令,使整個(gè)系統(tǒng)很快進(jìn)入新的工作狀態(tài),通過優(yōu)化使紙機(jī)處于最佳工況下運(yùn)行。
2.4 堿回收過程控制系統(tǒng)
制漿黑液的堿回收是紙廠治理水污染的首要措施,是變廢為寶,化害為利的綜合利用工程。通過堿回收過程優(yōu)化控制提高回收效率、降低回收成本、減輕環(huán)境污染。
。1)黑液蒸發(fā)過程控制系統(tǒng)
黑液蒸發(fā)過程采用的是板式降膜蒸發(fā)器與管式升膜蒸發(fā)器組成的混合多效蒸發(fā)系統(tǒng)。采用的控制系統(tǒng)具有黑液濃度的實(shí)時(shí)軟測量、相對傳熱系數(shù)測試功能。優(yōu)化控制結(jié)合工廠實(shí)際情況對蒸發(fā)工藝的操作概括為12種工藝,用優(yōu)化算法對各種工藝都給出了在蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)II、III效的黑液濃度、溫度、新蒸汽壓力變化時(shí)對應(yīng)的蒸發(fā)水量、蒸發(fā)效率、耗電量、耗汽量以及蒸發(fā)每噸水所需成本。由操作員選擇蒸發(fā)效率高、成本低的工藝條件組織生產(chǎn)。
。2)黑液燃燒過程控制系統(tǒng)
影響堿回收的黑液燃燒效率和堿回收率的主要因素有:入爐黑液濃度、流量、壓力、溫度、一二次風(fēng)量、風(fēng)溫、風(fēng)比、三次風(fēng)風(fēng)量、墊層的溫度和厚度、爐膛負(fù)壓、爐膛溫度等?刂葡到y(tǒng)根據(jù)黑液固形物可燃值的軟測量,采用模糊控制與自尋優(yōu)方法,通過對一二次風(fēng)量與風(fēng)比、爐膛負(fù)壓的自動(dòng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對爐膛溫度與墊層厚度的優(yōu)化控制?商岣吆谝喝紵臒嵝,提高蒸汽產(chǎn)量。
(3)綠液苛化過程控制系統(tǒng)
苛化工段是把燃燒工段送來的碳酸鈉水溶液加入適當(dāng)?shù)纳,?jīng)消化和苛化反應(yīng)生成氫氧化鈉。優(yōu)化控制計(jì)算機(jī)從下位機(jī)取得現(xiàn)場數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)計(jì)算出石灰的最佳給定量,再通過下位機(jī)實(shí)現(xiàn)石灰進(jìn)料的最佳控制,實(shí)現(xiàn)了石灰送料的閉環(huán)智能控制。在保證苛化度不變情況下,減少石灰用量和白泥排放量。
3、總結(jié)
近年來,制漿造紙生產(chǎn)過程的自動(dòng)化技術(shù)正在普及和提高之中。特別是DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用,正在迅速改變著造紙生產(chǎn)過程傳統(tǒng)落后的局面;同時(shí),現(xiàn)代控制理念、控制產(chǎn)品、控制手段也在不斷發(fā)展。自動(dòng)控制系統(tǒng)向綜合化、開放化發(fā)展已成必然,工廠自動(dòng)化要求各類設(shè)備之間的通訊能力更強(qiáng),相互融合。以現(xiàn)場總線為核心的集散自動(dòng)控制系統(tǒng) FCS正在興起,開放的結(jié)構(gòu)將方便地與所有控制設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,成為真正集成的、貫穿全系統(tǒng)的新型自動(dòng)控制系統(tǒng)。
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