1、2020年4月19日集散控制系統課程設計文檔僅供參考，不當之處，請聯系改正。 基于DCS制漿造紙紙漿濃度控制方案設計摘要 集散控制系統經過不斷地改進和發展，在工業生產過程中有了很大的應用，其中的霍尼韋爾控制系統是其中的一種。本設計方案主要從以下幾個方面介紹了集散控制系統在造紙行業中制漿造紙紙漿濃度控制中的應用，首先介紹了霍尼韋爾集散控制系統的發展前景和在工業控制中的優越性，充分利用霍尼韋爾系統的高效益，分散控制，集中管理的的特點對造紙中的紙漿濃度進行控制；其次介紹了現代造紙業的工作流程和集散控制系統在其中的體現，經過分析了解整個過程，從而對造紙業的DCS系統有了初步的認識。紙漿濃度是造紙過程中

2、最重要的物理量之一。紙漿濃度特別是上網濃度即文中提到的抄前池出口濃度對紙張的定量高低起著決定性的影響.正是因為紙漿濃度如此重要,因此在制漿造紙DCS系統中,對濃度回路的控制要求較之其它類型的回路都要高，在濃度控制設計中，分析控制其數學模型對于以后的仿真和原理說明是很重要的，其中整個控制的控制策略的設計我們采用了專家PID控制算法進行對濃度的控制；最后，我們介紹了霍尼韋爾控制系統在造紙行業中的連接方式，對用到的現場總線，控制器，以及其中所用到的主要檢測儀表進行了簡單的介紹和選型。關鍵詞： DCS 紙漿濃度 PID控制 檢測儀表目錄第一章：發展背景第二章：Honeywell Experion PK

3、S系統設備的介紹第三：DCS系統的介紹（一）集散控制系統的整體系統結構（二）集散控制系統的硬件結構第四：制漿造紙生產工藝流程（一）生產工藝流程圖（二）制漿造紙生產工藝流程的簡介第五：制漿造紙紙漿濃度系統原理（一）造紙過程控制特點與控制策略（二）控制系統原理數學模型及濃度控制工作原理第六：霍尼韋爾控制系統連接示意圖（一）基于總線的連接示意圖（二）各個檢測儀表的簡介第七章：計算機監控系統心得體會參考文獻.第一章：發展背景 隨著人民生活水平的提高，隨著生活水平的提高,造紙行業的發展更是日新月異。從現場操作到采用DCS控制,從靠工人的經驗判斷紙張質量的好壞到用QCS來控制產品質量,從靠工人的眼睛來判斷

4、紙張外觀紙病到在線WSI,這些技術的發展帶來造紙行業的變革,使造紙無論從質量還是從產量上都是有了質的飛躍。集散控制系統，在造紙行業的應用十分廣泛。這不但是因為它具有集中顯示、分散控制的傳統優點，而且隨著計算機技術的發展，現在的DCS系統已經是一個可供數據融合的系統平臺。它具有的開放性、兼容性、擴展性、各種信息化、人性化的功能不但能夠提供高品質的過程控制，而且為工廠管理、企業信息自動化建設提供了堅實可靠的基礎。近十年來，中國造紙工業的技術及裝備有了很大進步，紙漿濃度是造紙過程中最重要的物理量之一.紙漿濃度特別是上網濃度即文中提到的抄前池出口濃度對紙張的定量高低起著決定性的影響.正是因為紙漿濃度如

5、此重要,因此在制漿造紙DCS系統中,對濃度回路的控制要求較之其它類型的回路都要高。造紙工業是一個技術密集型行業，集散控制系統在造紙上的廣泛應用，更會在生產數據的采集、處理和共享上為造紙業的信息化發展提供基礎和動力。 第二章：Honeywell Experion PKS系統設備的介紹 EPKS霍尼韋爾控制系統EPKS 集散控制系統是美國Honeywell 公司最新推出的以Microsoft Windows 為操作系統的集散控制系統，是一種低成本高效益的開放式控制系統，適用于造紙工藝流程的生產過程控制，提供的服務器、操作員站及現場控制器具有強大的適應性，EPKS控制系統主要的特點有：無縫的集成平臺

6、，平臺與Honeywell其它系統完全兼容，也與其它供應商的過程自動化系統兼容；集成的安全管理系統；與現場總線的集成；提供無線通信的解決方案；協同決策支持工具；過程知識的獲得和共享；支持醫藥和其它FDA有關的工業所需的電子簽名。其系統分為三層結構，分別為控制級，生產管理級，工廠管理級，其中控制級和生產管理級構成了基本的DCS控制系統。EPKS霍尼韋爾控制系統的集散控制系統包括：1：分散過程控制裝置主要包括C200 過程控制器，C300 過程控制器，輸入輸出子系統，現場總線設備。其中C200 控制器由機架、電源、控制器處理模件(CPM)、ControlNet 接口,冗余模件和 I/O 連接模件所

7、組成,完成對過程的控制、與過程 I/O 接口的通信,經過監控網絡將數據傳送到服務器等功能。過程 I/O 接口主要包括接線端子、輸入/輸出(I/O)卡件和連接電纜等,主要實現對數據的采集、處理和工程單位的變換。過程控制器完成下列功能:I/O 處理,RS232/RS485(Modbus)通訊,數據采集、模擬控制、批量控制、順序控制。另外控制站還能夠具有復雜控制功能,如 PID 參數自整定,模糊控制和先進控制功能。控制器完成全部的監測調節和順序控制功能,包括(但不限于):溫度、壓力、流量、濃度的監視、PID 的調節和各種復雜調節、各種閥門的開關、各種油泵的開關等順序控制、各種設備運行狀態的監視及聯鎖

8、保護等。2：操作和管理裝置主要包括服務器，操作站，數字視頻管理站DVM，應用控制環境，等。3：通信系統：EPKS霍尼韋爾控制系統主要采用分層結構，第零層是現場總線層，現場總線儀表和設備經現場總線連接到現場總線接口模塊FIM。第一層是將控制器和現場總線接口模塊模塊連接到第一層的交換機。第二層是具有高可靠性和高可用性，用于監視來自生產過程的信息。第三層被連接到具有交換機功能的路由器，它與第二層交換機相連。另外還有，DMZ層，商業網絡層，容錯以太網，以及ControlNet現場總線。第三章：DCS系統的介紹集散控系統的體系結構（一）集散控制系統的整體系統結構隨著 DCS 開放性的增強，其層次化的體系

9、結構特征更加顯著，充分體現了DCS集中管理、分散控制的設計思想。DCS是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統，它以多層局部網絡為依托，將分布在整個企業范圍內的各種控制設備和數據處理設備連接在一起，實現各部分的信息共享和協調工作，共同完成各種控制、管理及決策任務。按照DCS各組成部分的功能分布，所有設備分別處于四個不同的層次，自下而上分別是：現場控制級、過程控制級、過程管理級和經營管理級。與這四層結構相對應的四層局部網絡分別是現場網絡、控制網絡 、監控網絡和管理網絡 。其系統框圖如下（如課本圖）：1.1.現場控制級現場控制級設備直接與生產過程相連，是DCS的基礎。典型的現場控制級設備是各類傳感器

10、、變送器和執行器。它們將生產過程中的各種工藝變量轉換為適宜于計算機接收的電信號送往過程控制站或數據采集站；過程控制站又將輸出的控制器信號)送到現場控制級設備，以驅動控制閥或變頻調速裝置等，實現對生產過程的控制。1.2.過程控制級過程控制級主要由過程控制站、數據采集站和現場總線接口等構成。其功能是過程控制站接收現場控制級設備送來的信號，按照預定的控制規律進行運算，并將運算結果作為控制信號，送回到現場的執行器中去。1.3.過程管理級過程管理級的主要設備有操作站、工程師站和監控計算機等。操作站是操作人員與DCS相互交換信息的人機接口設備，是DCS的核心顯示、操作和管理裝置工程師站是為了控制工程師對D

11、CS進行配置、組態、調試、維護所設置的工作站。監控計算機的主要任務是實現對生產過程的監督控制，如機組運行優化和性能計算，先進控制策略的實現等。1.4.經營管理級經營管理級是全廠自動化系統的最高一層。經營管理級的設備可能是廠級管理計算機，也可能是若干個生產裝置的管理計算機。它們所面向的使用者是廠長、經理、總工程師等行政管理或運行管理人員。（二）集散控制系統的硬件結構經過通信網絡系統將這些硬件設備連接起來，共同實現數據采集、分散控制和集中監視、操作及管理等功能。2.1分散控制裝置分散過程控制裝置主要包括現場控制站、數據采集站、順序邏輯控制站和批量控制站等， 現場控制站是DCS與生產過程之間的接口，

12、它是DCS的核心。2.2集中集中操作管理系統部分集中操作管理系統主要包括操作站 外部設備 服務器等 ，DCS 操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。其中工程師站主要是技術人員與控制系統的人機接口。2.3數據通信技術通信是指用特定的方法，經過某種介質將信息從一處傳輸到另一處的過程。數據通信系統由信號、發送裝置、接收裝置、信道和通信協議等部分組成。 第四：制漿造紙生產工藝流程（一）生產工藝流程圖（二）制漿造紙生產工藝流程的簡介1.制漿的過程制漿為造紙的第一步，一般將木材轉變成紙漿的方法有機械制漿法、化學制漿法和半化學制漿法等三種。制漿的基本流程：原料選擇蒸煮分離纖維濃縮或抄成漿片磨漿原木貯存鋸木去

13、皮、除節削片蒸煮洗滌篩選、凈化漂白漂白漿板浸漬和磨漿本色漿板。2.調制過程紙料的調制為造紙的另一重點，紙張完成后的強度、色調、印刷性的優劣、紙張保存期限的長短直接與它有關。一般常見的調制過程大致可分為以下三步驟： a. 散漿； b.HYPERLINK t _blank打漿； c.加膠與充填。 3.抄造過程HYPERLINK t _blank抄紙部門的主要工作為將稀的紙料，使其均勻的交織和脫水，再經干燥、壓光、卷紙、裁切、選別、包裝。4.紙張絲流淺解造紙另外一個要件是纖維打漿HYPERLINK t _blank叩解，利用攪刀及大馬力機械，使植物纖維分叉破碎，再抄制成紙匹俱有較大結合力，不像光潔絲

14、狀纖維容易滑脫；另外在打漿后所產生碎屑及糊狀物，在抄紙時有填塞孔隙及黏結紙匹功用。 第五章：制漿造紙紙漿濃度系統原理（一）造紙過程控制特點與控制策略6.1：造紙過程控制特點造紙控制對象是一個復雜的多變量控制對象.對于網前部，網部，壓榨部和烘干部等的局部控制,被控變量與控制變量的選擇視不同紙機而異。造紙過程控制是復雜的，系統的造紙過程控制有一系列特點。 6.1.1對象的不確定性造紙過程擾動因素多,特別是白水的濃度，紙機的車速，壓輥的線壓，網部的老化等這些慢時變特性,導致造紙過程模型結構的不確定性和參數的不確定性。空氣溫度和濕度的變化,紙漿打漿度和濕重的變化,也會引起造紙過程模型結構的變動。傳感器

15、和執行器的特性漂移等易見地會造成造紙過程廣義對象特性的改變。6.1.2對象的純滯后性造紙過程具有純滯后性,有的造紙過程具有特大純滯后。純滯后時間與紙機車速，定量和流程長度有直接關系。6.1.3對象的非線性特性造紙過程是一個復雜的工業過程,造紙過程具有非線性,在某些局部非線性還十分嚴重。非線性嚴重的程度隨不同的紙機而異,大多數都能夠在工作點附近用線性方程來近似,有的還能夠用雙線性方程來替代,可是也有某些紙機非線性十分嚴重,只有用非線性方程來描述它的特性。6.2造紙過程的系統專家PID控制策略 紙漿濃度是造紙過程中最重要的物理量之一。紙漿濃度特別是上網濃度即文中提到的抄前池出口濃度對紙張的定量高低

16、起著決定性的影響.正是因為紙漿濃度如此重要,因此在制漿造紙DCS系統中,對濃度回路的控制要求較之其它類型的回路都要高。專家控制PID在紙漿濃度調節系統中的應用,既考慮到了和PID算法的結合,又根據多個回路之間的關系起到了回路與回路之間的協調作用。 （二）控制系統原理數學模型及濃度控制工作原理紙漿濃度是指單位質量紙漿里所含纖維的多少,一般是用百分比的形式來表示.在碎漿,制漿過程中,紙漿濃度是衡量漿得率的一個重要指標。1紙漿濃度控制系統的數學模型濃度控制系統由紙漿濃度變送器（濃度計）、電動調節閥、濃度控制器三部分組成，如圖1： 其濃度控制的傳遞函數表示式為： 式(1)中，k為對象增益，T為慣性時間

17、， 為滯后時間，Y(s)為紙漿濃度測量的拉氏變換，U(s)為閥門開度的拉氏變換。2：紙漿濃度控制系統的工作原理紙漿濃度自動控制系統組成如圖2 所示。紙漿濃度變送器把漿管內流動的漿料的濃度轉換成4-20mA 電流信號送入濃度控制器。經過A/D 轉換成濃度數值信號送顯示器，并將此濃度值與用戶設定值比較，控制器按兩者差值調節電動閥的開度，從而調節進入漿泵的稀釋水量，使輸漿管內的漿料濃度發生變化，這時濃度變送器將檢測到新的濃度。重復上述過程，使漿料濃度逐漸接近用戶設定的濃度值，最終得到濃度穩定的漿料。第六章：霍尼韋爾控制系統連接示意圖（一）基于總線的連接示意圖（三）各個現場檢測儀表的簡介采用美國 Ho

18、neywell 公司的 Experion PKS 分布式控制系統,實現對過程數據的高性能采集、控制和監視。系統的結構采用冗余服務器、冗余控制網絡以及冗余電源的模式,其中包括 2 臺工程師站、4 臺操作員站、C200 過程控制器和過程 I/O 接口。工程師站主要用來實現對系統的配置與組態,同時作為系統的數據服務器實現對過程數據的保存以及檔。1：現場總線簡介 Experion PKS系統可組成現場總線控制系統，基金會現場總線，ControlNet現場總線，Profibus現場總線，Dvice Net現場總線和HART現場總線等。其中ControlNet是實時的控制層網絡，在單一物理介質鏈路上，能夠

19、同時支持對時間有苛刻要求的實時I/O數據的高速傳輸，以及報文數據的發送，包括編程和組態數據的上載/下載以及對等信息傳遞等。在所有采用ControlNet的系統和應用中，其高速的控制和數據傳輸能力提高了實時I/O的性能和對等通訊的能力。對在同一鏈路上的I/O、實時互鎖、對等通信報文傳送和編程操作，均具有相同的帶寬。支持多主方式。3：ControlNet現場總線設備的連接ControlNet通信模塊用于連接控制器到ControlNet網絡，其中現場設備經過輸入輸出ControlNet現場總線進行并行掛接到現場總線上，它是一種設備級現場總線，基于生產者/消費者模式的，可重復的，高度的確定性網絡。以太

20、網接口模塊用于服務器和控制處理器之間的數據通信，過程管理I/O接口模塊IOLM提供與過程管理器I/O進行連接的接口，把過程管理器的輸入輸出集成到PKS系統，另外還有，串聯通信接口模塊SIM，Profibus接口模塊PBIM，ACE等。4: 系統網絡連接信息網絡的連接，由于信息網絡采用的是標準以太網的結構,因此網絡經過交換機將工程師站和操作員站連接起來,連接的方法采用標準以太網的連接方法。由于采用冗余網絡的配置,兩個網絡通路應該相互獨立,不能有交叉。監控網絡的連接，經過控制網絡 T 型接頭實現從 C200 控制器的控制通信模塊和兩臺服務器的連接。對于冗余網絡配置,每臺服務器采用 2 個 T 型頭

21、,分別稱為 A 口和 B 口,T 型頭一端經過接插件與同軸電纜相連,一頭安裝控制網絡終端電阻。控制通訊模塊采用 2 個 T 型頭,分為 T 型頭 A 和 T 型頭 B,分別與兩臺服務器相連。5、造紙廠常見儀表（1）常見儀表在線測量紙頁水分方法：紅外水分儀、微波水分儀、電導式，電感式，溫差式水分儀常見紙漿液位測量儀表：法蘭式差壓液位計、電容式液位計常見紙漿調節閥：隔膜閥、球閥（O型或V型）常見濃度測量儀表：動刀式濃度變送器，靜刀式、光電式濃度變送器、旋轉式常見紙漿流量儀表：電磁流量計、蒸汽流量儀表、差壓流量計紙頁定量測量儀表：射線定量測量儀(1)紅外水分儀測量原理：每種物質都有它的特征頻率，當外

22、界電磁波的頻率與該物質特征頻率相同時，電磁波能量會被該物質的分子吸收。世界上使用的紅外水分儀都選用1.94m波長，因為在這個波段中可用普通光學玻璃作為儀表中的光學元件，水分子對1.94m的波段的吸收峰較大，而被測紙頁的纖維對1.82.0m波段無吸收峰，減小了纖維對測量的影響。(2)紙頁定量測量原理：選用射線作為射源，因為它比射線和x射線的穿透性小，測量紙頁定量變化靈敏度高，而它對紙頁的組分（纖維種類、紙頁水分和灰分等）的變化則不明顯。（2）用在紙機干部的儀表dPRC2/3/5：經過調節氣水分離器的閃蒸汽排出量，控制該段烘缸上下必要的壓差，控制冷凝水排放，保證冷凝水的合理排放（若壓差大，閥關小）

23、PsC3/5：調節總管蒸汽的加入量補充蒸汽，保證兩段之間的壓差梯度（5-主、中段，3-中、濕段壓差梯度）當壓力接近冷凝水排出所需臨界壓力時，則PSC自動使下一段壓力降低，以保證冷凝水和空氣排出MRC7/PRC7：調節主段蒸汽壓力，保證施膠前紙頁的水分一定（串級控制系統）LRC4/6/8：經過調節冷凝水排放，控制液位，保證冷凝水良好的閃蒸和防止泵空吸MRC12/PRC12：調節末端蒸汽壓力，保證紙頁的水分一定（水分偏高，壓力變大，閥門12關小）WRC14：紙頁定量控制信號去紙機沖漿泵流量控制器（給定值）TenR7：卷曲張力檢測記錄監控車速TIC3：熔硫貯槽溫度控制，防止過熱粘稠、過冷結晶（溫度高

24、，閥門3關小）BPRC2：濃黒液濃度控制黒液密度與其密度的有關PRC1：除氣室壓力控制（壓力大，閥門開小）（3）用于長網紙機濕部的儀表EwRC11A：根據伏輥真空度情況調節磨漿機負荷（打漿度）真空度偏大，磨漿機功率調小PRC7：經過調節排氣量，控制網前箱壓力，與LRC6構成供漿控制系統（檢測點在液面下，是因為考慮了液位波動而產生的壓力波動）VIC8/9/10：網部真空箱真空度控制（調節抽氣量控制總管真空度）目的，提高網部脫水效率LRC1：控制進抄前池的漿料流量，保證液位穩定CRC2：控制稀釋水量，保證漿料濃度穩定FRC4：紙漿流量控制根據干部定量控制器的信號，決定供料速度 （若定量大，關小閥門

25、4，減小紙漿流量）(4).濃度檢測儀表當前在造紙行業應用較為廣泛的有旋轉式和刀式兩種濃度檢測儀表.旋轉式濃度檢測儀表根據剪切應力原理,間接測量紙漿濃度.它采用旋轉葉輪為敏感元件,把濃度轉換為扭矩,輸出電流產生電磁反饋力矩,以平衡測量力矩,構成數字隨動儀表;運用微機化轉換電路,變斜率逼近式反饋算法,使變送器成為真正零位移動數字隨動系統提高了儀表靈敏度和穩定性,并帶有一定的智能功能.其測量范圍為2%4%,靈敏度為0.02%.刀式濃度檢測儀表也是根據剪切應力原理,插入漿流管道中間位置的刀根據流經刀兩側面所產生的剪切力,經過電路轉換,輸出420mA或其它類型的標準信號。刀式濃度檢測儀表按照刀位置固定與

26、否能夠分為靜刀和動刀兩大類,靜刀是被動測量,漿不流動時信號為零,而實際濃度并非為零;動刀是主動測量,漿不流動依然有濃度信號.這兩種濃度變送器的主要技術參數不同:1)靈敏度:靜刀0.05%,動刀可達0.01%;2)適用濃度范圍:動刀分兩檔1.5%5%,3%8%;靜刀1.5%5%;3)適用漿料流速范圍:國產靜刀是0.51.5m/s,進口靜刀上限才能達到0.55m/s,而動刀這一性能指標可達0.25m/s。4)靜刀在高溫強腐蝕環境無法使用;而動刀則能夠使用；5)靜刀存在著較大溫漂現象,需要進行溫度補償;而動刀則不存在改問題,檢測介質溫度可達80；第七章：計算機監控系統 集散控制系統的監控系統指集散控

27、制系統的人機交互系統。監控系統的主要設備是操作站，工程師站，歷史數據站等。也包括一些服務器和上位管理站。對于各種顯示類型，可從區域到單元，到組，到細目進行逐級細分，用戶可從中了解過程的全局，局部知道各細節。分層結構使畫面系統系統化，在過程操作時，操作人員能從全局的了解向局部深化，在故障處理時，有利于操作員從局部的故障處理轉向全局的處理。其中操作畫面的分層結構包括區域顯示，單元顯示，組顯示，細目顯示。操作畫面又包括概貌顯示畫面，過程顯示畫面，儀表面板顯示畫面，操作點顯示畫面，趨勢顯示畫面，報警顯示畫面等監控畫面。為了有效的進行操作和管理，集散控制系統的操作畫面采用分層結構。集散控制系統一般提供各種畫面顯示信息，既包括圖形信息，也包括文字信息，一些集散控制系統還提供多媒體信息，例如聲光和視頻信息等。為了生產過程的監控、操作和控制，用戶需要繪制有關的操作畫面：如概貌顯示畫面、過程顯示畫面、儀表面板顯示畫面、操作