（林业工程专业论文）造纸dcs控制系统设计和实践的研究.pdf

摘要 随着生活水平的提高，造纸行业的发展更是日新月异。从现场操作到采用d c s ( 集散控制系统) 控制，从靠工人的经验判断纸张质量的好坏到用q c s ( 质量控 制系统) 来控制产品质量，从靠工人的眼睛来判断纸张外观纸病到在线w i s ( 纸 病检测系统) ，这些技术的发展带来造纸行业的变革，使造纸无论从质量还是从产 量上都是有了质的飞跃。 近十年，造纸行业的发展势头很猛，各造纸厂都在技术改革或建新的纸机， 而且在技改或新建的造纸机大部分采用进口或国产的d c s ，以此来提高产量、质 量，获得新的利润增长点。 本论文的宗旨是根据用户设计和维护d c s 的需要出发，给用户提供完整的参 考资料，给设计人员和项目工程技术人员提供参考平台。同时根据作者多年从事 维护和设计d c s 的经验出发，总结出d c s 设计和维护的一些要点，以供同行参考。 本文首先介绍了d c s 发展的概况，综述了d c s 的基本结构，国内外造纸自 动化发展的概况，以及本论文的设计和研究思路。 第二章介绍了各个阶段d c s 的结构和特点。d c s 的发展迄今为止可以分为四 个阶段，在这章详细讨论了各个阶段的时间和主要结构；d c s 的特点从硬件、软 件、通讯和可靠性这些方面进行论述。 第三章介绍了造纸d c s 控制系统的设计方法。首先介绍了造纸工业生产过程 特点，包括造纸过程扰动作用( 干扰) 、造纸生产过程特性、造纸生产过程的特殊 要求。接着详细讨论了造纸d c s 控制系统的设计，内容包括系统工程设计、集散 控制系统设计方法、d c s 设计阶段要做的y - 作、d c s 工程概算内容，最后讨论d c s 系统招标书的内容。 第四章主要以作者多年在造纸d c s 设计、安装、调试和维护的经验，结合本 课题的实际项目，总结一些实用的经验和技术；并对现有d c s 系统做出评价，提 出了技改方案：将现场总线( f c s ) 和d c s 集成在一起。 第五章对p l c 、d c s 与f c s 进行详细的比较。在这章介绍了这三大系统各自 的基本特点和差异，以及从投资、设计、使用上进行了比较，从中体现出d c s 在 造纸行业中的优越性。 第六章得出结论以及对d c s 的发展提出个人看法：d c s 不会随着f c s 的出 现而被f c s 取代。 关键词：i ) c sp l cf c s 系统设计技改雏护安装调试结构特点 a b s t r a e t w i t | lt h es t a n d a r do f l i v i n gi n c r e a s i n g p a p e rm a k i n gi sd e v e l o p i n gv e r yq u i c k l y f r o mo p e r a t i n ga tf i e l dt o c o n t r o l l i n gi nd c s ( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) ，a n df r o m p a p e rq u a l i t yd e p e n d i n go nt h ew o r k se x p e r i e n c et o i tc o n t r o l l e db yq c s ( q u a l i t y c o n t r o ls y s t e m ) f r o mp a p e ra s p e c td e p e n d i n go nt h ew o r k se y e st oo n l i n ew i s ( w e b i m a g es y s t e m ) ，t h e s et e c h n o l o g i e s h a v e c h a n g e dt h ep a p e rm a k i n go fm o d ea n d p r o d i g i o u s l yi n c r e a s e da tq u a l i t ya n dq u a n t i t y o nt h i sd e c a d e ，t h et r e n do f d e v e l o p i n go np a p e rm a k i n gi sq u i c k l y s o m ep a p e r m i l l sh a v et a k e nt e c h n o l o g yi n n o v a t i o no rb u i l dn e w p a p e r m a c h i n e t oi m p r o v eq u a l i t y a n di n c r e a s eq u a n t i t ya n dg a i nt h en e wo fp r o f i t ，t h e s ep a p e rm a c h i n e sh a v ea d o p t e d d c sf r o m f o r e i g no rh o m e m a d e a c c o r d i n gt o n e e df o rd e s i g n i n gm a dm a i n t a i n i n gd c st oc o n s u m e r , t h i sp a p e r m a k e sr e f e r e n c et oc o n s u m e ra n dd e v i s e ra n dt h ep r o j e c te n g i n e e r a c c o r d i n gt ot h e a u t h o r se x p e r i e n c eo nm a i n t a i n i n ga n dd e s i g n i n gf o rd c sa f t e rs e v e r a ly e a r s ，h eh a v e s u m m a r i z e ds o m ek e yo nm a i n t a i n i n ga n dd e s i g n i n gf o rd c s t h e s em a ym a k e r e f e r e n c et oc r a f tb r o t h e r , f i r s t l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o no nd c s ，s u m m e du p t h eb a s i c f r a m ef o rd c s ，a n ds u r v e yo np a p e rm a k i n ga u t o m a t i o na td o m e s t i ca n df o r e i g n ，a n d t h ep a p e rm e t h o do f d e s i g na n ds t u d y t h e s e c o n d l yc h a p t e r i n t r o d u c e df r a m ea n dc h a r a c t e r i s t i c o ne a c h s t a g e o f d c s d c sd e v e l o p i n gc a ns e to f ff o u rs t a g e ss of a r , t h ec h a p t e rd i s c u s s e db e i n gt i m e a n dm o s t l yf l a m ea b o u td c se a c hs t a g e ；t h ed c sc h a r a c t e r i s t i cd i s c o u r s eu p o nd c s h a r d w a r e 、s o f t w a r e 、c o m m u n i c a t i o na n dr e l i a b i l i t y t h et h i r d c h a p t e ri n t r o d u c e dd e s i g n m e t h o do nd c s f i r s t l y , i td i s c u s s e dt h e c h a r a c t e r i s t i co f t h ep a p e rm a k i n g ，i n c l u d i n g ：p r o c e s so f d i s t u r b i n g 、t h ep e c u l i a r i t i e so f t h ep a p e rm a k i n gp r o c e s s 、t h es p e c i a lr e q u e s to f t h ep a p e rm a k i n gp r o c e s s s e c o n d l y , i t t a l k e do v e rt h ed e s i g no fp a p e rd c s ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o ls y s t e mp r o j e c td e s i g n 、t h e m e a n so f d e s i g n i n gf o rd c s 、t h ew o r kf o rd e s i g n i n gd c s 、t h e c o n t e n to f b u d g e t a r y e s t i m a t e ，l a s t l yi td i s c u s s e d t h ei n v i t ep u b l i cb i d d i n g t h ef o u r t h c h a p t e ra c c o r d i n g t ot h ea u t h o r s e x p e r i e n c e o nt h e p a p e rd c s d e s i g n i n g 、i n s t a l l i n g 、d e b u g g i n ga n dm a i n t a i n i n g a f t e rs e v e r a ly e a r s ，c o m b i n et h e p r o j e c t ，s u m m a r i z e ds o m ep r a c t i c a l i t ye x p e r i e n c e sa n dt e c h n o l o g i e s a tt h em e a n t i m e e v a l u a t e dt h en o wd c s s y s t e m ，a n dp u tf o r w a r dr e c o n s t r u c tp r o j e c t ：i n t e g r a t i o nf c s w i 斑d c s 。 t h ef i f t hc h a p t e rc o m p a r e dt h ed c sw i t hp l ca n df c s t h ec h a p t e ri n t r o d u c e d t h o s eo fs y s t e mt h eb a s ec h a r a c t e r i s t i ca n dd i f f e r e n c e ，m a dc o m p a r e dw i t ht h o s ef r o m i n v e s t m e n ta n d d e s i g na n du s i n g ，f r o ma m o n g d c si ss u p e r i o rt of c s o rp l c t h es i x t hm a d eac o n c l u s i o na n db r o u g h tf o r w a r dm yo p i n i o no nd c sd e v e l o p ： d c sc a l ln o tr e p l a c ef o rf c s a l o n g w i t h a p p e a r a n c e f o rf c s k e y w o r d s ：d c sp l cf c ss y s t e md e s i g ni n n o v a t i o nm a i n t a i ni n s t a l ld e b u gf r a m e c h a r a c t e r i s t i c 致谢 首先感谢我的指导老师一郁昊老师。郁老师学识渊博，治学严谨，勤奋敬业， 使我扶中缮益匿浅。憾事无墓细，部极其认真的对待，对我们学生无缀不至的关 怀，认认真真的臻导我的论文，丧我的论文撰写过程申起到了关链搀嘲，在此向 恩师致以崇高的黻意和衷心的感谢! 感落我砖校外糍导教蜂一侮斌高缀工程辉。傅高王专监知识渊博，在叁动 i 领域经验十分丰蜜，特测是d c s 控捌系统。何葛王无论在工傅土还是治学土谦虚 谨慎，十分的敬业。他在百忙中抽出时间为我辅导论交，在此谨向恩师致以崇高 鳃敬惫和衷心趣惑漆! 扶工程硕士雳学到论文秘撰写过程中，公莓企刘培捌部李荚杰部长予方百诗 为我们创造条件，为我们顺利完成论文付出了辛勤的劳动，在此衷心的感谢! 对于给予我技术上帮秘醢、公翅内秘各位控翻系统专家，在此惫这些专家轰 示女衰鼹感谗! 在论文的撰麓过程中，得到了好友肖坚的帮助，在此向他表示深深的谢意! 草方平 二o o 五年七筒 第一章绪论 1 1 d c s 爰展橇嚣翻弼 7 0 年代以前，随着过程7 j j , l k 的操作方法改变，工艺上的复杂化和生产过程的 强化，以及控制设备与测鬟装爱类型的改变，使得测照和控制行业起了突飞猛进 的交纯。然丽，一些基础静经裁系统：e 程，基本的繁隧路控翎系绕，以及过程良 动化的维护要求没有太多的变化。 在这期矧，工业生产过程的管理，滋没有单元操作控制室，因此，更谈不卜 有带字调鑫奇中央控箭室眉予生产过程的管理。嚣育灞整仪表都分散在生产单元务 个部分，操作1 “围绕着生产过程现场查精生产设备和仪表，过程物流直接用管乎 j 仪表相连犊。幽此不用复杂的变送器，压力、温度、流量和液位都是单回路控 涮器。工监鬟i 产过程氇穗对篱单，操作只能负责 o 到2 0 个掺制信号和回路。 后来随蓉电子技术的j 强速发展，半学体产品取代了电子真空瞥，进而又用集 成电路逐步取代分立元件，使得电子仪袭可靠牲大大提高，控制理论有了极火触 发震。数字计簿税在过程控制中静应鞠，引超了过程控制工、监酶薷命性变化。黼 时电子仪表小裂化，操作工要监视许多个过程变量和控制回路，生产过程越限事艮 警变褥十分重援。因为，操作工不可能时时刻刻看饕这么多的过稷变量和控制鄹 鼹，需要报警撵醒他们的注意和裁断闯髓的所在。在线工韭分析仪器和交送秣已 鼹过程控制的丰导，从而霈要特殊的安装设计和维护。数字计算机可用来采集犬 璧工业过程数据，以及进行各葶申计算，然稿，为了防止计算机出故障两影响生产， 又增加了许多后备装置。霹编程逻辑控制潞( p l c ) 歼始固态诧，取代了原来煎熬 电逻辑系统。这样控制室大大缩小，用数字计算机来管理全j 的信息系统已开始 逐步变为现实。 到7 0 年代，随着电予仪表和计算机酶进一步掇蕊和应用。这样，电_ 了控制变 得越来越重要，以微处理器为基础的分散控制系统初步形成。控制室越来越小， 个工厂胄；| 一个中央控制繁，在工程实践中已经很落避。数字诗嚣枫开始在工业 生产中迸行在线控制。操 乍站用c r t 乍为接口，监褫和控制工厂的运行。因为控 制室远离生产现场，操作 ：只从c r t 上了解生产过程，所以必须隳有远距离的通 信连接线，露爱计算装委之闻的数据通嘏连接，微处理器出现在绝大部分的电予 仪表中使远程通讯成为现实。这种数字装置，具有各种类型的编程语言，需要各 种类型的通讯规程和校验子程序。这样对各个制造商的这种数字设备，要混合使 用就比较困难了。 到8 0 年代，数字仪表成为成熟的产品，d c s 系统实用化，它具有高可靠性， 价格趋向合理；分析仪器也逐步实现计算机化和数字化。在8 0 年代是微型舌1 算机 广泛应用丁工业生产过程的成熟时期，由于计算机技术的迅速发展以及在实际工 业生产过程的广泛使用，使得1 业生产过程真正实现了优化控制，大大提高了设 备的牛产能力，降低了产品的消耗和操作费用。另一方面，工业生产过稗越来越 复杂，过程控制回路多达几千，甚至几万。由于生产过程的复杂性，使得一般的 常规控制算法满足不了工业生产优化控制的要求，急需控制供应商了解生产过程， 建立好的b “过程模型，丌发优化控制算法。 9 0 年代，各摔制供应商，包括国内制造商，为了拓宽自己的市场份额，投入 了不菲的资余致力于d c s 产品和系统的研发和市场推广工作，先后向市场推出多 种以小型、微型计算机为基础的计算机控制系统方案，并在不同用户实际系统中 得以应用，另外全球造纸工业及其他行业的快速发展为各控制系统供应商提供了 得天独厚的发展机遇。 1 2 集散控制系统( d c s ) 简介“1 t s 6 川 d c s 是相对u f 集中式控制系统而言的种新型计辫机控制系统，它是在集中 式控潮系统翁基戳e 发震、演变焉亲静。在系统功襞方蘸，d c s 瑟集中式控镬系统 的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。 首先，d c s 的骨架系统网络，它怒d c s 的基础羽核心。由于网络对于d c s 蘩个系统的实时瞧、可靠缕稳季广兖释，莛饕决定整静佟耀，因瑟各厂家都在这方 面j 莲行了精心的设计。对于d c s 的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即 在确定的时间限度内完成信息的传送。这熙所浣的“确定”的时间限度，是指在 焉论俺季申情况下，信惑传送繇2 在这个霹瓣限度内完成，蠢这个露阙隧凄爨是嘏 据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络 的速率，即通常所巍的每秒比特数( b p s ) ，丽是系统网络的实时性，即能在多长的 时润蠢确保骄霰倍怠黥传稔完成。系绞圈终还必须j 攀可靠，无论在任何情况下， 网络通信都不能中断，因此多数厂家的d c s 均采用双总线、环形或双重星形的网 络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络卜可接入的最大节点数量应 比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面町以随时增加新的节点，另一方 面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。 在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作 员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对f i 能影响系统的正常运行， 因此，系统网络具有很强在线网络重构功能。 其次，这是一种完全对现场i o 处理并实现直接数字控制功能的网络节点。一 般一套d c s 中要设置现场i o 控制站，用以分担整个系统的i 0 和控制功能。这 样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可咀 使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。d c s 的操作员站 是处理一切与运行操作有关的人机界面( h m i h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 或o p e r a t o r i n t e r f h c e ) 功能的网络节点。 系统鄹终浚置鼹务嚣( 壤援现场霞臻霹以设甏冗余驻务器) ，彦是对d c s 避 行离线的配鬣、组态工作和在线的系统艇督、控制、维护的网络节点，其主要功 能是提供对d c s 进行组念，配置工作的1 j 具软件( 即组态软件) ，并在d c s 在线 运嚣时实时圭迄簸寝d c s 陲络主子令节点的运嚣 圭况，镬系统工程籁 曩夏通过上疆 师站及时调整系统配置及些系统参数的设定，使d c s 随时处在殿佳的工作状态 之l 、，同时也有利于用户的现场使用和级态。与集中式控制系统不同，所有的d c s 蓑l 要求有系统缝态功戆，霹以浚，没有系绞组态功能鼹系统载不稼箕为d c s 。 d c s 自1 9 7 5 年问匿以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这将近三十年 中，i ) c s 虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完蒋， 其功旋彝整戆爨磐受了量大筑提褰。惑黟寒嚣，d c s 戎在囊着更熬瑟藏，更热标 准化，更加产黼化的方向发展。 作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的d c s 仅仪是一个狭义的 橇念。麴柒以为d c s 只楚生产过程兹爨霸纯系统，邵裁会弓l 出错浚懿续谂，溺为 现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去d c s 中所包含的 鍪种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产 管理，佥遵经嫠豹方方霆露。传统意义土耱d c s 瑷在仅仅是撸生产过程控裁这 部分的自动化，而工业融动化系统的概念，则应定位到企业全露解决方案，鄹t 。t a l s o l u t i o n 懿麓次。只有觚这个角度上擒出闷题并解决闯题，才熊使诗算辊自动化真 正起到其应有的作用。 进入九十年代以后，计算机按术突毪猛进，更多薪的技术被应用到了d c s 之 中。现场憩线技术在逡入九十年代中期以后发麓十分迅猛，以至予有些人已做出 预测：基于现场总线的f c s 将取代d c s 成为挎制系统的主角。然而直至今门， d c s 仍然禁有幅当的生命力。因此f c s 取代d c s 楚在现阶段不可能的，只越是两 者互褶兼容，互楣弥补稳己的缺陷，并根据实际需要来配嚣d c s 或f c s 系统。 a r c 梅询机构2 0 0 3 年发布了世界d c s 市场预测报告。该报告预测，世界d c s 市场从2 0 0 2 年至2 0 0 7 年婚保持2 5 的增长，从2 0 0 3 年的9 l 亿美元增长到1 0 3 亿美元。d c s 的发震遮发之所以不离，主要琢因怒荚营等发达溪家的经济增长速 度减慢所造成。而中国近几年的d c s 的增长速殷应该在1 0 以上。当今的d c s 与十年茸的d c s 相比，已经发生了擐本性的变化。 1 3 造纸墨业自动化发展状况”1 1 3 1 国外制浆造纸企业综合自动化的发展 诗冀掇应弱予豢4 浆遮绥工监始予2 董纪零钱。最褪懿鹰矮集中予聚躅工 业控制计算机进行过程变量或产品质最的自动控制，如浆的蒸煮温度，流浆箱液 位、压力，纸抄造过程中的浆浓度与流量、纸张定量水分控制婶。出于纸机对象 存在蘧孛莲扰凌多参数荔漂移。j 线瞧、藕会严蕊等矮零怒控糕麓律难以瓣决弱 凼难也由于计算机的应用给过程控制提供了有利的工具，一然先进控制箅法最 早便针对纸机对象进行研究并获得成功应用，如自动控制理论中著名的最小方差 控裁器f m i n i m u m - v a r i a n c ec o n t r o l l e r ，m v c ) 、鑫整定调节爨( s e l f - t u n i n g r e g u l a t o r ，s t r ) 等。2 0 世纪7 0 年代后期，国外大多数纸机已缀实现计算机控制。 截止到1 9 8 3 年仅当时国际上两家主臻的制浆造纸计算机控制系统公司a c c u r a y 程m e a s u r e x 赣已经售逡2 5 0 0 多套绥撬过程控裁豢绕。 下面以芬兰的某个纸厂作为一个媳型例子说明当时发达国窳已达到d c s 系统 控制水平。泼厂是一个现代化的新闻羝，从8 0 年代起开始研制由3 个层次构成 懿全厂巨姥纯系统。这3 令屡次是：基本夔测耪逻辑控利；蒸本遘程控制；全厂 综合管理。其中过程控制层包含有2 0 0 0 多个检测控制回路和8 0 0 多个受控电机， 由d c s 进行控制，控制的设备包括：精浆机( 或磨浆机) 、水力碎浆机、造纸机和 卷纸机等；管理层负责协调全厂生产过程和生产：管理活动，主要功能有：自动化 订货、生产计划、生广：管理、质量管理、材料与能源管理、原料库与产品库的管 理、收支分析、用模型进行经营方法的模拟等。整个系统由m i l lw a y 数据传输网 络相连接进行数据传送。 除了以芬兰为代表的北欧国家以其强大的森林产业链一直在制浆造纸行业 处于领先位嚣外，美国、法国及只本等虽然略晚于北欧国家起步，但在制浆造纸 自动化方面也各有特色。如美国的r u s t 工程公司从6 0 年代末和7 0 年代初就开始 从事各类造纸企业的计算机自动化系统的丌发，8 0 年代初开始研究以过程控制、 优化、资源管理、通信及仿真等技术为基础的具有商务( b u s i n e s s ) 管理和过程( p r o c e s s ) 管理两大功能齐全的计算机管理系统。日本则根据本国企业的运行特点，更侧重 丁研究抄纸过程的完成工序的信息管理，包括物品运输的自动化以及物流的信息 跟踪；在管理与控制信息的接口上，将计量管理和生产状况信息的收集放在重要 的位置上；在系统开发时往往以系统制造者为主导，对企业进行全而的系统规划。 尽管上述这些全厂控制系统在当时的技术条件下已经达到了相当高的水平， 但在实施的过程中仍遇到了一些在当时技术条件下还难以圆满解决的问题。诸如： 如何尽可能多地实时采集生产过程的各种数据并有效地加以应用；如何使不同生 产过程中的控制计算机之问以及它们与管理计算机之间进行可靠而实时的通信： 如何加强生产现场的操作者与调度、管理层之问、企业各个职能部门之间的沟通 与相互信任；如何有效地集成所能获耿的信息，提高整个系统的柔性，使之能适 应外界的各种指令变化。 1 3 2 国内造纸自动化发展状况 由f 国内造纸行业参差不齐，目前又遇到加入w t o 的巨大压力企业的生声、 经营、管理体制正处于一种调整状态，这时的企业的确困难重重。因此往往将实 施自动化及信息系统看成是锦上添花，认为时有时无。丁二是往往造成同一企业 在1 i 同时期实施的一些子系统，功能单一。对与其他系统之间的通讯、数据交换、 自身的维护等问题均无考虑，缺乏灵活性与扩展性，虽然可能获得了一些暂时的 局部效益但却可能在以后综合自动化系统的总动化系统是一个包括了众多硬件 软件的大系统，需要投资较大，几乎不可能做到一步到位。因此对于控制系统， 全局规划与设计非常重要，应由专业人员、企业管理及技术人员合作制定。根据 现代化造纸企业需求的重缓急、技术的成熟度、资金状况等分步实施各种计划， 并在设计开发阶段就站在全局的高度，充分地考虑系统的层次性、丌放性及可 拓展性，便于功能的扩展以及各个子系统间的信息交换。另一方面是必须改进与 完善工作，使其能长期正常地运行并产生效益。这样，在分步建设后面子系统时 均可利用现有行业的总体水平。由于我国制浆造纸企业的基础薄弱无论是在乍 产过程的建模、先进控制、过程优化等方面，还足在生，“计划与调度、管理以及 经营决策等系统的开发与实施，甚至包括资余的投入方面，都与制浆造纸业发达 的幽家存在很大的差距。 现在在国内大中型国有企业和民营企业在新的纸机上都采用了先进的国外控 制系统：d c s 、q c s 、w i s ，而在规模较小的企业则采用p l c 或国产的d c s ，或 者独立的多回路控制系统。因此国内的自动化控制水平参差不齐，圈产i c s 与困 外的在技术上还是存在一定的差距，还需要很长的路要走。 然而国内d c s 制造商当务之急并不是贪大求全，而是既要有远大的目光，通 览伞局的设计，更要有扎扎实实的工作。努力解决各具体的关键技术问题，认真 地对待每个难题，而且要将引进消化和创新相结合，聚沙成塔。尤其是要结合我 国制浆造纸企业的实际情况，在过程建模、软测量技术、先进控制策略、动态系 统的故障诊断、生产管理与调度、实用软件的开发等关键技术上利用已经具有的 良好基础与一定优势进行研究丌发，获得理论与技术上的重大突破，最后达到建 设具有独立知识产权的、包括了软硬产品在内的制浆造纸自动化尖端系统。 1 4 设计和研究思路 谈及d c s ，人们往往关注d c s 本身的一些性能指标，如系统的硬件指标，系 统的电气指标等等，这些指标直到今天在d c s 标书中还很常见，很普遍。不容置 疑，这些特性是非常重要的! 但作为造纸机的控制系统，在保障系统先进性的同 时，d c s 能否完全实现工艺要求，充分体现出制浆造纸设备的初衷，符合造纸工 业生产要求和操作习惯，满足造纸设备的维护要求，并能最大限度地将最先进的 d c s 技术应用在造纸工业生产中去，以及更好的体现d c s 系统的性能价格比，这 样的d c s 要求是能立足于市场的。 因此本论文利用我公司的实际条件，论述造纸d c s 控制系统的招投标、整个 设计、安装、调试和生产过程，对一些关键环节作详细的描述和研究，并提出比 当前更好的方案或建议。同时对现有的d c s 系统做出评价，对未来d c s 控制系统 发展方向进行预测，并提出我个人的具体方案，用以指导实际d c s 工程没计和对 现有d c s 系统的改进。 对我公司现有的d c s 系统提出改造方案，并对对现有d c s 系统部分进行技改： 采用现场总线的可能性做出研究。这样各d c s 用户可以根据生产和投资成本的需 要，来确定d c s 系统形式和对现有d c s 系统进行技改。 本文还对d c s 、f c s 、p l c 之间从投资、设计、使用上进行了比较，从中体 现出d c s 在造纸】：业中的优越性。 第二章d c s 的系统结构和特点 2 1 d c s 的结构川6 1 7 1 对于各种型号的d c s ，尽管各有特点，但由于其开发背景相同，采用相仿的 先进技术因而各个国家开发的d c s 的功能和结构在同一年代大致相仿。总的都是 分散控制、集中管理、多层分级、通过数字通信相互有机联系的分布式多处理机 结构，这种相互联系义采用“松耦合”方式，系统中部件灵活性大、自治性强、 易变更，易扩展。 d c s 大致经历了四个发展阶段，相应地有四代的基本结构： 1 第一阶段( 初创期) ，1 9 7 5 年1 9 8 0 年 这一阶段的代表产品有美国h o n e y w e l l 公司的t d c 2 0 0 0 ，b a i l e y 公司的 n e t w o r k 9 0 ，f o x b o r o 公司的s p e c t r u m 日本横河电机株式会社的c e n t u m 等。 其基本结构如图1 所示。 早甲。 图1 第一代d c s 结构 它主要由五大部分组成： 1 ) 过程控制单元p c u ( p r o c e s sc o n t r o lu n i t ) ：也称为现场控制单元f c u ( f i e l d c o n t r o lu n i t ) 或基本控制器b c ( b a s i cc o n t r o l l e r ) ，它由一个以u p 为基础，能提供多 功能控制的控制器文件夹，一个用于与过程信g * l ；t 连接的专用端子盘和作为人机 接口的数据输入器三个部分组成这种过程控制和数据采集装置，将控制、通信 和显示策略有机地结合成硬件、围件和软件包。它可以组成不同的控制方案，控 制一个或多个回路可以实现较复杂的控制功能。其中控制器文件夹由微处理器 ( c p u ) 、存贮器( r o m 、r a m ) 、多路转换器、i 0 板、a d 与d a 转换、内总线、电 源、通信接口等组成。 2 ) 数搬采集装置d a u ( d a t aa c q u i s i t i o nu n i t ) ；也称为过程接墨挚死p i u ( p r o c e s s i n t e r f a c eu n i t ) ，它楚搡作站以及上像计算机通过高速数据公路h w 与过程之间的接 口，是个预编程序的、以u p 为基础的智能端按装置。由于p i u 本身带有u p ( 例 直畦c p - - 1 6 0 0 ) ，过程偿息i 0 的处瑷娆力，因丽栩应地减轻了监控枫的负担。优先 设备通过p i g 对过程信号进行连续聚集，在过程参数发生交化时，p i u 指令将参数 的变化值报告给优先设备，而且使用在中央控制的设备，经h w 并通过p i u 可对过 程实行远方控制。p i u 对回路没有按制能力，但= e 艺过程中大爨的数据采集、处理 j 作由它柬完成。 3 ) c r t 操作站；它是以u p 为撼础，与通信和c r t 显示技术相结合的操作员 接口，楚系统与钋爨联系的媒介。它包括c r t 、微机、键盘、外部存贮盘、打印 祝和卡片阅读机等。它可以高分辨率彩色画面鼹示过程的各癸信息，并对p i u 进 行组奉、操作和系统管理。 4 ) 陵控计算枧：它是d c s 的主计算枧，也就是所溜上位桃。它综合躲概全系 统的各工部件( b c ，p i u 、c r t 和t t w 等) ，管遐全系统的骈有信息，一般都能逶 行大型、复杂的运算，具有多输入多输出控制功能，用以实现系统的最忧控制或 优化管避。 5 ) 数据高速公路( h w - - h i g h w a y ) ：它是第一代d c s 的通信系统，足一种初级 的工业控制用局部网络。采用串行、半双工方式传输，优先存取和定时轮询方式 控裁。b c 、p i u 鲍璐臻信息经过它遴到c r t 掇俘站和监控诗舞视进行集中处理； 反之，将c r t 操作站和监控计算钒的操作、管瑕信息送至p i u 和b c 它一般由 通信指挥器h t d 和7 5 q 或5 0 f 2 特性阻抗的同轴通信电缆组成，h t d 负责h w 通 信的撵簿与隆调】二俘，逶信速率为2 5 0 k b s 。邋卷，d c s 除了主逶信盼h w 步 ， 还没置育冗余的h w ，以提高信患传输的可靠性。 2 第二阶段( 成熟期) ，1 9 8 0 年一1 9 8 5 年 这一除段系统遴一步向着高精嶷、毫露靠瞧、小型轻萋佬、控制功载多样他、 数据通信标准化和人机接口智能化方向发展，新开发的光纤邋信、多功能控制站、 增强型擞作站，新的1 6 位、3 2 位微机和局部网络技术进入d c s ，大大改变了d c s 垂貔，镁羧铡稳管理功遴一步竞繁。这一饯数代表产品有h o n e y w e l l 公司的t d c 3 0 0 0 ，蕊屋公司的w d p f ，横河电机的c e n t u m a ，b ，d ，f = = | 立公司的e x1 0 0 0 a 9 和h x1 0 0 0 等，它们的基本结构如图2 所示。 黼2 第二代0 s 粒基本结毒鸯 这一代d c s 是以局域网络l a n ( 盘称局部控制网络l c n ) 为主干，统领全系 统。系统中各单元都看作网络节点上的工作立占，这些节点又可通过网间连接器 g w ( pg a t e w a y ) 与阉静露终或异塑网络鞠连。这样，第一饯系统鄯可逶过g 疆挂 接于局域网络，成为其子系统( 例如t d c2 0 0 0 就是t d c3 0 0 0 的子系统) 第二代d c s 主要由七部分组成： 1 ) 弱域霹：它出黄竣分袋粒网络节点缝藏。爨域嬲有毫速蜀域飘h s l ( h i g b s p e e d l o c a ln e t w o r k ，传输速率大于i 0 0m b s ) ，局域网l a n ( l o e a la r e an e t w o r k ) 和计算机交换网c b e ( c o m p u t e r i z e d b r e n c he x e h a n g e ) _ _ 三种类型。由于崩域网扩展性 强，数据转辕麴差错率羝，d c s 孛一般懿臻局簸翻。 2 ) 多功能控制器m c ：它是这代d c s 中最主要的现场控制单元。是在第一 代系统的b c 慕础j 二，采用了更先进的c p u 芯片( 例如m 6 8 0 2 0 ) ，更大存贮容量的 r a m 、r o m 、e p r o m 等擒娥戆它不仅具有连续控露功爱，_ 瑟且逐具备颓亭豹 批量控制功能，以及对i o 更完善的监控功能和各种复杂运算。 3 ) 增强型操作站e o s ( e n h a n c e do p e r a t o rs t a t i o n ) ：它是子系统的操作站( 即挂 接在数据公路h w 上，而不是l a n 上) ，在原来的c r t 操作站基础上，加强集中监 控操作、工艺流程图显示以及任意格式报表打印等功能，改善人机交换界面。 4 ) 通用操作站u s ( u n i v e r s a ls t a t i o n ) ；它是直接挂在局域网上的中央操作站， 相当于一个网络节点工作站。一般由图像显示器、高性能微型机、图像生成模件、 多种键盘( 丰要分工程师键盘和操作员键盘) 、彩色拷贝机、打印机和专用软件组 成它是全系统人一机联系的窗口，可以显示网络中各节点子系统的每一数据点 信息，操作管理各二 ：作站和过程控制单元，也可以生成对全系统管理凋度的图表、 画面，生成历史画面和均势画面它是全系统的操作站。 5 ) 网问连接器g w ：也有的译作通道门，但它不是简单的门电路，而是局域网 与系统子网或其它工业网络的转接装置，是通信系统的转接口，也叫以转接到制 造工业上最常用的可编程控制器( p l c ) 的子系统网络。 6 ) 系统管理模块s m m ( s y s t e mm a n a g e m e n tm o d u l e ) ：第二代d c s 为了加强全 系统的综合管理，在局域网上挂接了一系列用于增进管理的模块，例如历史单元 模块，计算单元模块和系统优化模块等，以补充主计算机和通用操作站的功能。 7 ) 主计算机h c ( h o s tc o m p u t e r ) ：亦称管理计算机，它是局域网上挂接的主计 算机，多为小型机，具备多种大容量的外部存贮器，具有复杂的运算能力和各种 管理功能。 3 第三阶段( 扩展期) ，1 9 8 5 年一2 0 0 0 年 d c s 向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起 来，并且加强断续系统功能，采用专家系统，制造自动化协议m a p ( m a n u f a c t u r e a u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 标准，以及硬件上诸多新技术。这一代的典型产品中，有的是 在原有基础上扩展，如美国h o n e y w e l l 公司扩展后的t d c s3 0 0 0 ，横河电机的 c e n t u mx l 和u x ，美国两屋公司的w d p fi i 等，也有的是新发展的系统，如f o x b o r o 公司的i as e r i e s 等。这一代产品的进一步发展就是计算机集成制造( 生产) 系统 c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) ，即将企业行政事务信息与工厂控制系统 集成为一体的计算机系统。 这一代产品结构层次有了进一步发展，它自下而上一般可分为过程控制级， 控制管理级，生产管理级和经营管理级这四个层次，如图3 所示。 其中过程控制级直接与生产过程连接，具体承担信号的变换、输入，运算和 输出等分散控制任务。丰要设备有过程控制单元，过程输入输出单元，信号变换 器和备用的盘装仪表。 l 经营管理级 l 生产管理级 ： l 控制管理级 0 l 过程控制级 图3 第三代d e s 的四个层次 摔制管理级对生产过程实现集中操作和统一管理。该级的主要设备就是c r t 操作站( 或管理计算机) 和数据公路通信设备。 显然，这两级在结构上类似于第一代d c s 产品但在具体软硬件技术上有了 新改进，例如：( 1 ) 处理单元采用3 2 位机，除用图形语言编程外，还可用高级浯 言编程，如v b ；( 2 ) 软件采用多窗口技术；( 3 ) 可进行顺序的批量控制；( 4 ) 硬件的 可靠性和安全性设计，移植了许多宇航技术成就，如新的密封高密度组件板，表 面安装技术( s n ) 等新技术；( 5 ) 处理单元中引入智能化技术，每个单元都有自诊 断程序，发生故障时能自动隔离，以实现在线更换。 生产管理级可承担全工厂或全公司的最优化，它相当于第二代产品的挂在局 域网i 。c n 上的通用站u s 和有关模块( 如历史模块 i m ，计算模块c m ，应用模块a m ) ， 而经营管理级则是该l c n 通过计算机网间连接器g w 连接的更上位计算机、计算枷 簇和其它通信网络上的设备，以按照市场需求、各种与经营有关的信息因素和生 产管理级的信息，作出全面的综合性经营管理和决策。 这代产品在通信网络上已广泛地采用光缆和新的网络技术，建立了从基带 到宽带，符合m a p 协议的宽范围的完整网络，能同符合o s i 参考模数的不同网络 产品相兼容或通信。 4 第四代d c s 系统，2 0 0 0 年以后 第四代d c s 的体系结构主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、 工厂( 车间) 层和企业管理层。一般d c s 厂商主要提供除企业管理层之外的三层 功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连接第三方的管理软件平台 ( e r p 、c r m 、s c m 等) 。所以说，当今d c s 主要提供工厂( 车间) 级的所有控制和 管理功能，并集成全企业的信息管理功能。例如以h o n e y w e l l 公到最新推出的 e x p e r i o np k s ( 过程知识系统) 、e m e r s o n 公司的p l a n t w e b ( e m e r s o np r o c e s s m a n a g e m e n t ) 、f o x b o r o 公司a 2 、横河公司的r 3 ( p r m j 【：厂资源管理系统) 和a b b 公司的i n d u s t r i a li t 系统。第四代d c g 的特点丰要体现在以下三个方面： 1 )