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浙江工业大学硕士学位论文 造纸加药过程信息集成系统的研究与开发 摘要 在造纸企业内部，由于不同的数据库产品和基础自动化设备的同时存在，以致引入了 多种数据源。不同的数据存储方式和数据库访问引擎使企业内部形成了一个个“信息孤 岛”。各个系统之间无法进行必需的数据交换，制约了集团上层进行正常的决策。为了彻 底消除造纸企业信息孤岛现象，实现信息共享，必须对原有的系统进行集成。数据集成是 企业信息集成方案中最简单和最直接的，同时结合项目实际情况，采用数据集成的方法解 决了企业信息集成问题。以生产实时数据库为中心，采集控制系统过程数据，实现管理信 息系统数据共享，以达到对整个生产过程的综合管理及优化。 随着计算机技术、i n t e m e t 技术、局域网技术的飞速发展，企业上层信息系统与底层控 制系统的集成是企业信息化的必然趋势。本文结合浙江某造纸企业实际情况，针对该厂信 息集成度差，自动化程度低等问题，应用p l c 和组态王软件开发了加药过程控制部分，应 用j a v a 编程语言设计和开发了加药过程信息集成系统。 首先对造纸企业进行调研，了解其工艺流程，进行需求分析，同时制定了合理的方案， 并对该方案进行了硬件设备和软件的选型。应用s t e p 7 软件开发了p l c 加药过程控制系 统的软件部分，实现了对控制点变量的闭环控制。应用组态王进行数据采集、数据转换、 数据入库，实现了底层设备检测点数据的上传。在e c l i p s e 平台下，基于j 2 e e 理念，应用 开源的s t r u t s 框架构建稳定安全的w e b 服务器，实现了b s 架构的信息平台，用于实时 显示设备数据和统计历史数据。 最后在总结本论文工作的基础上，提出了系统尚存在的问题和进一步研究的方向。 关键词：加药，信息集成系统，p l c ，组态王，e c l i p s e 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f i n f o r m 【a t i o ni n t e g r a t e ds y s t e mi n p a p e r m a k i n gd o s i n gp r o c e s s a b s t r a c t i np a p e r m a k i n ge n t e r p r i s e ，m u l t i p l ed a t as o u r c e sa r ei n t r o d u c e di nt h es y s t e ma sar e s u l to f t h ec o - e x i s t e n c eo f t h ed i f f e r e n td a t a b a s ep r o d u c t sa n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t s d i f f e r e n ts t o r a g e w a y sa n dd a t a b a s ee n g i n e sd r i v et h ee n t e r p r i s e st of o r md i f f e r e n t “i s o l a t e di s l a n d s ”b e c a u s ei ti s u n a b l et oe x c h a n g et h ee s s e n t i a ld a t ab e t w e e ne a c hs u b s y s t e m s u c has t r u c t u r eo ft h es y s t e m r e s t r a i n st h ee n t e r p r i s e st om a k es t r a t e g i e se f f e c t i v e l y i no r d e rt oe l i m i n a t et h ep h e n o m e n o no f i s o l a t e di s l a n d s i nap a p e r m a k i n ge n t e r p r i s ea n dt or e a l i z ear e s u l ts u c ht h a ta l lt h ei n f o r m m i o n i nt h es y s t e mc a nb es h a r e d ，i ti sr e q u i r e dt h a ta l lt h eo r i g i n a ls y s t e m sm u s tb ei n t e g r a t e d i nv i e w t h a tt h ed a t ai n t e g r a t i o ni st h es i m p l e s ts c h e m ei nt h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n dt h e p r o j e c ta c t u a ls i t u a t i o n , t h ed a t ai n t e g r a t i o nm e t h o di sa d o p t e di nt h i st h e s i st os o l v et h e e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o np r o b l e m i no r d e rt oa c h i e v eas y n t h e t i cm a n a g e m e n ta n da n o p t i m i z a t i o no f ap r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ed e v e l o p e ds y s t e mm u s t h a v et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s i t c a nt a k ear e a l - t i m ed a t a b a s ea st h ec e n t r e ，g a t h e rp r o c e s sd a t ao fac o n t r o ls y s t e m ，a n df i n a l l y r e a l i z ead a t as h a r i n go f am a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t so f t h ec o m p u t e r ，i n t e m e t ，a n dl o c a la r e an e t w o r kt e c h n o l o g i e s ， i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt oi n t e g r a t ea ni n f o r m a t i o ns y s t e ma n dac o n t r o ls y s t e m i nt h et h e s i s ，a d o s i n gp r o c e s si n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e df o ro n eo ft h ep a p e r m a k i n g e n t e r p r i s e si nz h e j i a n gp r o v i n c e t h es y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n gt h ej a v ap r o g r a m m i n g l a n g u a g e ，a n dac o n t r o ls e c t i o no ft h ed o s i n gp r o c e s si se s t a b l i s h e db yu s i n gt h ep l ca n dt h e k i n g v i e ws o f t w a r e f i r s t l y , a l li n v e s t i g a t i o ni sn 峨f o rt h ep a p e r m a k i n ge n t e r p r i s et of u l l yu n d e r s t a n di t s t e c h n i c a lp r o c e s s t h e nt h ed e m a n d sa r ea n a l y z e d b a s e du p o nt h ea b o v eo b t a i n e dr e s u l t s , a r e a s o n a b l es c h e m ei sf o r m u l a t e d , a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h i ss c h e m ea r ef i n a l l y s e l e c t e d s t e p 7i sa p p l i e dt od e v e l o pt h es o f t w a r ef o rt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed o s i n gp r o c e s s , a n dt or e a l i z et h ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g y i no r d e rt ot r a n s f e rt h ee q u i p m e n td a t at ot h e d a t a b a s e , t h ek i n g v i e wi su s e dt oa c q u i r ed a t a , t oc o n v e r td a t a , a n dt of i n a l l yp u td a t ai n t ot h e 浙江工业大学硕士学位论文 d a m b a s e u n d e rt h ee c l i p p l a t f o r m , a n db a s e do nt h ej 2 e ei d e a , t h eo p e ns o u r e _ ：es t r u t sf r a m e i sa p p l i e dt oc o n s t r u c tt h es t a b l ea n ds e c l l r ew e bs e r v e r , a n dt or e a l i z et h ei n f o r m a t i o np l a t f o r m o f b sf r a m et od i s p l a ye q u i p m e n td a t ao nt i m ea n dt oh a v eas t a t i s t i co f t h eh i s t o r i c a ld a t a f i n a l l y ，s o m ee x i s t i n gp r o b l e m si nt h es y s t e ma r ep o i n t e do u ta n ds o m ec o n c l u d i n gr e m a r k s o nt h ed i r e c t i o n st of l l r t h e rr e s e a r c ho nt h eb a s eo f t h ep r e s e n tw o r ka r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：d o s i n g , i n f o r m a t i o ni n t e g r a t e ds y s t e m , p l c ，k i n g v i e w , e c l i p m 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：身。浑 日期：叩年盆月对日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：呷年眨月日 日期：年月日 勰移 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源、研究目的及意义 造纸加药过程信息集成系统的研究与开发是浙江省制造业信息化工程重大科技攻关 项目“造纸过程的绿色化控制技术和综合信息集成平台研发”的一部分。针对浙江某纸业 集团有限公司典型的一条5 # 纸机生产线实际情况，实现控制网络与信息网络的信息整合， 重点研究数据采集，数据转换，数据入库及其信息发布。 随着网络技术的快速发展，可用的数据资源的种类越来越多。由于当前信息来源的多 样化，造纸企业拥有大量的数据，希望建立一个统一的信息集成平台来了解企业的生产、 运行情况，服务于企业管理。企业在创建新的应用系统的同时，希望能将原有系统中有价 值的数据集成起来，通过网络实现更大范围的数据共享，以便更有效地利用信息资源。如 何把各种不同的数据资源统一在一个信息集成平台上，使用户能够高效、简明地操作各类 信息，已经成为一个重要的课题。随着计算机技术的发展，企业的信息化建设日益深化， 然而企业的信息系统最初很不完善，各个部分的信息都是独立而不能共享的，犹如一个个 “信息孤岛”。随着计算机应用水平的提高，这种情况逐渐开始改变，通过信息集成，可 以把企业的数据整合在一起，建立起个真正的可以实现信息共享的系统【”。 纸及纸制品在国民经济与人民生活中具有相当重要的地位，其消耗量也随着社会经济 的发展而持续增长。1 9 9 9 年一个国际非盈利组织对9 3 个国家的纸消耗量进行了调查，结 果表明通讯用纸增加5 3 ，新闻纸增加3 4 ，印刷品增加6 ，其中亚洲增长达到1 0 。 鉴于制浆造纸工业在整个国民经济中所具有的重要地位和作用，为了适应激烈的市场竞争 需要，现代造纸工业要在市场响应能力、产品质量、服务等各方面满足用户的需求，同时， 还要在生产的过程中尽可能的减少污染、降低消耗，以保护环境f 2 卅。为了实现这些目标， 需要在整个企业的范围内，综合运用自动化技术、信息技术、计算机技术和生产加工技术 以及现代管理科学，从生产过程的全局出发，通过对生产活动所需的各种信息的集成，集 过程控制、系统优化、生产调度、管理、经营、决策于一体，全面实施综合自动化，以达 到提高企业经济效益、增加企业适应能力和竞争能力的目的，已经成为现代制浆造纸工业 企业的发展趋势1 5 】。 随着经济全球化趋势的进一步加强以及我国加入w t o ，市场的全球竞争日趋激烈， 浙江工业大学硕士学位论文 企业发展面临全方位的挑战。对造纸业资源高消耗、环境高污染的困境，这个行业如果不 加以改造，不走低消耗、高产出、低污染的路子，企业势必被淘汰【6 】。尽早动手进行产业 升级，则可先人一步，做大扶强传统产业，实现可持续发展。造纸企业实施综合自动化， 能够有效地提高产品质量和产量，降低原料和能量消耗，提高市场竞争力。由于不同的数 据库产品、不同的基础自动化设备必然在整个企业内部引入种类繁多的数据源，这些数据 源分别存储在不同的关系数据库( r d m s ) 中，采用不同的数据存储方式，不同的数据库 访问引擎，导致了企业数据资源与服务的分片，各个系统之间无法进行必需的数据交换， 各级管理人员和领导无法获知现有自动化系统中所有的实时信息，制约了集团上层决策正 常进行。 企业越来越多的应用和决策需要对各种数据资源进行全局统一和高效的访问。为了提 高工作效率，实现信息共享，必须对原有信息系统进行集成。为纸业集团决策层、经营层、 管理层提供信息互动和信息共享，全面提升信息管理手段和管理水平。实现信息数据的集 成管理，是解决造纸企业信息化发展问题的关键所在，也是造纸企业信息化发展的必然趋 势。 通过该系统的实施以期达到：每吨纸蒸汽消耗有所降低；造纸白水和废液中短纤维回 收利用率得到较大的提高。由此可见该项目的实施会带来一定的经济和社会效益，主要体 现在节能降耗，降低蒸汽用量，减少化学品用量，提高短纤维回收率；绿色环保，降低白 水浓度及排放量；提高综合生产操作管理水平【7 1 0 】。 1 2 信息集成技术现状 最初控制系统采用单元组合仪表，后来随着计算机的可靠性不断提高，2 0 世纪7 0 中 期以h o n e y w e l l 公司的t d c 一2 0 0 0 为代表的集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 开始应用于过程控制【l l q 3 。 工业现场的智能仪表可以提供以前无法做到的大量信息，这些信息不仅包括现场的温 度、压力等被测参数，也包括装置本身的运行状况、组态参数。但是，当大量现场信息由 智能仪表直接进入监控计算机或通过现场总线传至监控计算机后，存在着计算机内部应用 程序对现场信息的共享与交互闯题。由于缺乏统一的连接标准，工控软件往往需要为供应 商提供的硬件设备开发专用的驱动程序。这样一旦硬件设备升级换代，就需要对相应的驱 动程序进行更改，增加了系统的维护费用。 另一方面，现场控制层作为企业整个信息系统的底层部分，在与生产过程管理层和经 浙江工业大学硕士学位论文 营决策层进行集成时，也存在着监控计算机如何与其他计算机进行信息沟通和传递的问 题。由于控制系统往往是不同厂商开发的专用系统，相互之间兼容性差，与高层的商业管 理软件之问又缺乏有效的通信接1 3 ，因此通信规范问题成为了制约控制系统突破“信息孤 岛”的瓶颈【1 4 l 。 控制系统相对比较封闭，企业的管理层不能及时地了解生产现场的实时情况，因而无 法快速地调整经营管理决策；各生产部门之间也不能有效地交流生产信息，达不到生产调 度优化的目的。随着企业信息化进程的进一步深化，许多企业已不能满足于控制系统和信 息管理系统的分离应用，而是需要将两者紧密地结合起来，达到彻底的信息集成与决策， 以便解决企业中的许多复杂问题【】5 - 1 6 1 。 从当前来看，各种功能子系统在某些局部都有相应的计算机系统支持，这些系统都是 在独立环境下开发出来的“信息孤岛”，要使这些“孤岛”协调工作，必须通过信息共享， 使各种功能有机地集成在一起，实现企业的整体优化【1 7 - 嘲。 企业信息集成属于企业应用集成，按照集成的不同层次划分，分为数据集成、业务集 成、函数及方法集成、界面集成等几个方面【1 9 - 2 0 。 数据集成主要通过从一个数据源将数据移植到另外一个数据源，即两个数据源间的数 据交换来完成，其主要目标就是实现数据在多个数据库系统中交换和共享。 业务流程集成产生于跨越了多个应用的业务流程层，目的是将多个相互独立、具有完 全不同目标的业务流程系统组合起来，以完成更高层次的业务目的。它通常通过使用一些 高层的中间件来表现业务流程集成的特征。业务流程集成的方法比较多，包括基于工作流 和基于消息代理的解决方案等。 函数和方法的集成包括网络环境中直接的和严格的跨平台应用程序之间的应用到应 用的集成。它涵盖了普通的代码撰写、应用程序接口、远程过程调用、分布式中间件 ( c o i 出a ，e j b ，d c o m ) 以及w e b 服务技术等。面向函数和方法的集成一般来说是处 于同步模式，即基于客户和服务器之间请求响应交互机制。 用户界面集成是一个面向用户的整合，将原来的终端窗口和p c 的图形用户界面使用 一个标准的界面来代替。新的表示层要与现有的遗留系统的商业逻辑或者一些封装的应用 如e r p 等进行集成。 数据集成是企业信息集成解决方案中最简单和最直接的途径2 1 - 2 4 。数据集成发生在企 业内的数据库和数据源级别，通过从个数据源将数据移动到另外一个数据源，或直接进 行局部数据源的全局访问来完成数据集成。数据集成是现有信息集成解决方案中最普遍的 一种形式，数据集成能够解决数据的分布性和异构性问题【2 5 】。 一3 一 浙江工业大学硕+ 学位论文 随着计算机技术的飞速发展，数据集成技术也日趋完善。目前主流的数据集成方案分 为两种，一种是数据复制方案，一种是虚拟数据库技术【2 1 1 1 2 6 1 。基于数据复制的信息集成就 是通过数据复制将从一个应用中提取数据并进行适当的转换后将数据传输并加载到另一 个应用的数据库中，从而另一个应用可以从本地数据库中访问其他应用的数据，从而解决 数据的分布和异构的问题。它的特点是访问速度快，数据延迟。虚拟数据库利用中间件集 成异构数据库，该方法并不需要改变原始数据的存储和管理方式。中间件位于异构数据库 系统和应用程序之间，向下协调各数据库系统，向上为访问集成数据的应用提供统一数据 模式和数据访问的通用接1 2 1 1 2 7 1 。中间件系统主要集中将多个异构数据库集成一个逻辑数据 库，用户可以如同访问一个数据库一样访问保存在不同的异构物理数据库中的数据。它的 特点是访问速度慢，数据无延迟。虽然虚拟数据库技术有其优点，但结合企业现场控制层 的特点，采用了数据复制方案。 数据复制，需要程序间的数据交换，w m d o w s 提供了d d e 、o p c 、o d b c 等数据交换 方式1 2 s 。 动态数据交换( d d e ，功，n 。吼i cd a t ae x c h a n g e ) 是微软公司在w i n d o w s 操作系统中采用 的程序问通信方式，在控制网络的集成中已得到实际应用1 2 9 - 3 n 。d d e 是在w i n d o w s 平台 下两个进程之间的数据交换及命令的传递，是基于消息的且利用通常的w m d o w s 中的通信 联络系统进行内部进行问的相互通信。d d e 使用共享内存实现进程之间的数据交换及使用 协议达到传递数据的同步。d d e 协议是一组规则集，所有的d d e 应用程序都必须严格遵 循之。使用d d e 的优点是绝大多数软件都有d d e 接口，支持d d e 协议，因此，使用方 便。缺点是，当通信数据大时，数据刷新慢，容易出现死机现象，当通信数据量大的时候 效率低下，无法适用于控制领域的多数据实时通信1 2 s l 。 为了建立一套符合工业控制要求的通信接口规范，使控制软件可以高效稳定地对硬件 设备进行数据存取操作，系统应用软件之间也可以灵活地进行信息交互，极大提高控制系 统的互操作性和适应性，o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 随之出现。o p c 规范定义了客户 程序与服务器程序进行数据交互的方法，但并没有规定具体的实现。o p c 服务器可由不同 供应商提供，其代码决定了服务器访问物理设备的方式、数据处理等细节。但这些对o p c 客户程序来说都是透明的，、u ，。n。 3 2 3 3 。 更重要的是这个o p c 客户端程序能够用来访问不同的数据库，只要这些数据库提供了o p c 服务器。 o d b c ，即开放的数据库互联，是一个m i c r o s o f t 建议并开发的数据库访问a p i 标准， 目的是实现异构数据库的互联，为异种数据库系统提供一个框架，实现了最大限度上的互 一4 - 浙江工业大学硕士学位论文 操作性。o d b c 标准规定了开发数据库互联的所有标准，支持o d b c 标准的数据库产品都 提供基于自己的d b m s 的o d b c 接口程序，支持o d b c 标准的应用程序通过d b m s 的 o d b c 接口程序，可以直接访问d b m s 中的数据项，进行读写操作。o d b c 可以为不同的 数据库提供相应的驱动程序，使应用程序与d b m s 之间实现逻辑上的分离口引。 结合课题实际情况，控制网络控制软件采用了组态王，组态王提供了d d e 、o p c 、o d b c 等数据交换方式。由于d d e 存在如上所述的缺点，而o p c 数据交换方式，需要应用程序 包含o p c 客户端，这样势必增加程序的复杂度，均不能采用。组态王提供了o d b c 的数 据交换方式，能实现组态王的数据词典实时数据库与s q ls e r v e r 2 0 0 0 异构数据库的互联。 组态王通过数据词典把管理层需要的信息传入s q ls e m 2 0 0 0 数据库，实现了控制网络数 据的上传。上传数据供管理层查询，为实现造纸加药过程信息集成提供了数据源。 1 3 研究的主要内容 本论文主要研究生产过程现场控制层与生产管理层的信息集成，实现车间生产数据和 信息管理层的数据整合，实现管理网络的各个客户端通过应用程序代理从生产数据库读取 历史数据以便于分析统计等功能。详细介绍了现场控制层和信息管理层的开发流程，具体 内容包括现场设备的数据采集，数据转换，数据入库及信息发布。 本论文划分为四个部分： 第一部分：主要介绍信息集成概述及加药控制系统的工艺分析和控制方案。 第二部分：介绍加药控制系统信息集成总体结构框架。 第三部分：介绍加药控制系统的开发过程，即介绍了p l c 编程，组态王采集设备数据 和定时导入设备数据到s q ls e r v e f 2 0 0 0 。 第四部分：主要介绍了加药过程信息集成系统的开发环境和平台、数据库设计、客户 端软件的设计与实现。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章加药过程控制系统的工艺分析和控制方案 随着造纸生产工艺和设备的不断进步，国内纸浆造纸行业对控制系统的自动化要求也 越来越高。当今工业自动化给工业生产带来了巨大的变革，在提高产品质量、生产效率、 节能降耗、控制污染、改善劳动条件、保证生产安全等方面起到了重要的作用。 过去在造纸生产中自动控制的应用十分有限，主要集中在制浆过程的局部简单仪表控 制和纸机的电气传动控制方面，大量的控制内容是通过现场人工调整实现的。改革开发以 来，通过国外先进技术装备的引进，使造纸生产中自动控制系统的应用日益广泛。市场上 对纸张质量和价格的竞争日趋激烈，使造纸企业认识到了投入更大的力量和资金关注自动 控制技术应用的必要性。近年来，许多厂家在生产过程的重点环节进行了自控系统的技术 改造，如蒸煮控制、盘磨控制、配浆控制、上浆流送控制、纸机传送、纸机干燥部多段通 气控制和水分定量检测等方面，取得了明显的效果。造纸整个过程流程如图2 - i 所示。 图2 - i 造纸工艺流程图 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 加药过程控制系统工艺流程 图2 - 2 是企业典型的一条5 拌纸机生产线，其包括四个网前箱。由于四个网前箱所需加 药量各不相同，所以需对四个网前箱分别加药。制浆、造纸生产大致可分为：制浆工段、 造纸工段、碱回收工段、水处理工段。制浆工段的自动化控制主要集中在蒸煮、磨浆、配 浆、打浆的控制方面，其主要控制参数有：液位、温度、压力、流量和浓度等。从过程控 制上来说，既有对生产过程的定速电动机和电磁阀进行逻辑、顺序的控制，又有对罐类和 工艺管道上的各种阀门进行工艺参数的p i d 调节，以使液位、温度、压力、流量和浓度等 参数满足生产工艺要求，还有对配浆泵、蒸煮管、喂料螺旋机、上料系统等等设备变速驱 动要求的控制。 加药即是向抄纸过程中的网前箱( 又称流浆箱) 的纸浆中定量添加一些化学添加剂， 以增加纸浆中细小纤维在网上的留着率，从而减少纸浆原料的消耗及提高白水中细小纤维 的回收率，减少废水对环境的污染。这种添加剂通常为阳离子型或阴离子型共聚物，主要 起驻留细小纤维的作用，常称为驻留剂刚。 图2 25 # 纸机生产线 加药过程工艺流程图如图2 - 3 所示f 3 研，工艺流程如下：驻留剂原液在原液槽中由计量 泵输送，经与定量的水混合后配成具有一定浓度的药水存放于中间储槽，再由计量泵输送 并分成四路，以不同流量与纸浆混合送往五个不同的流浆箱并上网形成湿纸页。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 * 3 加药过程工艺流程图 2 2 工艺控制要求 根据加药过程具体工艺要求，加药控制要求如下： 1 药水浓度控制 药水浓度直接影响到纸浆的加药量及后序工段的能量消耗，因此药水需具有一定的浓 度，其由驻留剂原液加水后配制而成。造纸过程是一个连续生产的过程，纸浆的加药也需 连续化，药水的配制同样也需连续化【3 6 - 3 7 1 。驻留剂原药随其批次的不同，其质量与纯度各 不相同，因此加水量也需随各批次的质量而改变。 2 中间槽液位控制 根据工艺要求，浓度配好的药水需存放于中间储槽。为了协调加药量与药水配制的供 求关系，中间槽需备有一定量的药水，并尽量保持液位的稳定，以保证加药的连续化操作 与加药计量泵泵前压力的稳定【3 6 l f 3 3 】。 3 加药流量控制 纸料由上浆泵打入流浆箱内，在上网前必须分散均匀，然后以一定的浆速喷到运行的 造纸网上。浆速与网速要有一定的比例。浆网速比的变化会引起纸页克重的变化和纸页性 浙江工业大学硕士学位论文 质的变化，严重时甚至会引起故障，影响纸机正常生产。根据浆网速比恒定的原则，当网 速发生变化时，浆速能实时的调整进浆量及喷浆速度，保持纸页质量稳定【3 8 】。 由于五个流浆箱纸浆性质( 如浓度、纤维质量) 各不相同，则要求所加的药量也不同， 并且各流浆箱加药量需根据白水浓度作实时调整，细小纤维含量高的纸浆中需适当多加药 量，以提高细小纤维的留着率及减少其在白水中的含量，减少对环境的污染。而浓度较高、 纤维质量好的纸浆可在保证白水浓度符合排放标准的基础上适当减少加药量，以减少药水 的用量，达到节能降耗的目的，即实现加药流量的卡边操作。 4 ，白水浓度控制 抄纸过程中，纸浆经网部脱水大部分水及细小固体物( 短纤维、填料等) 穿过网孔而 流出呈奶白色的悬浮液。在网部形成区排出的白水，浓度较大称为浓白水，在真空吸水箱 及其后排出的自水，浓度较低成为稀白水。白水浓度随纸机结构、车速、浆料浓度和性质、 化学品( 驻留剂、强湿剂等) 种类和用量等条件不同而异。纸机湿部的自水一部分循环用 于稀释从调浆箱来的纸浆，另一部分回收利用。 白水浓度的控制通常是将白水浓度与加药量进行连锁，通过改变加入流浆箱的药水 量，增加纸浆中细小纤维在网上的留着率，减少纸浆原料的消耗及提高白水中细小纤维的 回收率，从而达到白水浓度控制的目的。 2 3 控制方案 根据工艺控制要求，整个加药过程的控制系统按其功能设计如下：自动配料系统、液 位控制系统、白水浓度控制系统，通过这三部分控制系统的有机结合，实现整个加药过程 的自动控制。由于目前尚无在线测量自水浓度仪，传统测定白水浓度都为离线测量，离线 测量既费时，又无法实现实时控制，本论文研究不涉及白水浓度的测量设计及其控制策略。 根据工厂实际生产的工艺条件及以上的控制要求，加药过程控制方案具体设计如下所述。 1 自动配料系统 该系统主要实现药水的自动配料，即将驻留剂原液加水配制成一定浓度的药水。由于 配料连续进行，驻留剂原液经加水配制后由计量泵连续输送到中间槽。该系统测量驻留剂 流量，并将其作为水流量控制器的给定值，根据各批次配比的不同，通过控制永的流量来 达到药水浓度的控制与自动备料。该系统是一个单闭环比值控制系统，系统结构原理图如 下图2 - 4 。 - 9 - 浙江工业大学硕士学位论文 驻留 水 混台嚣 苟斗 兮- 南 i 点 图2 4自动配料系统结构原理图 药水 2 液位控制系统 为保证加药的连续化操作与加药计量泵泵前压力的稳定，中间槽需储备一定量的药 水，即要求液位稳定，因此设计相应的液位定值控制系统。中间槽液位由差压式液位计进 行实时测量，通过与配料输送泵连锁构成具有负反馈的闭环控制系统。液位控制器输出信 号送往变频器，变频器通过改变输出电压与输出频率来调节泵的转速，从而使液位保持稳 定。液位控制系统结构原理图如图2 5 。 药水 h 中 间 h 槽 图2 - 5 液位控制系统结构原理图 去药泵 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章加药过程信息集成系统总体结构 3 1 加药过程控制系统 工业生产装置的计算机控制系统多为管控一体化d c s 系统所构成。这类d c s 产品通 常由现场控制站、系统操作站、通讯网络三部分组成，有自成体系、专用的软硬件设备。 系统规模不大的情况下，如使用这类d c s 产品，不仅经济代价太高，而且大材小用，显然 是不适宜的。从规模、经济及实用角度考虑，该系统采用高性价比的p l c 控制系统。加药 过程p l c 控制系统由现场测控仪表、下位机( p l c 控制柜) 和上位机三部分组成。整个控 制系统具有模块化组合结构，使用灵活方便，性能稳定，直观性强等特点。加药过程信息 集成系统结构框图如图3 1 所示。 信息数据平台 上位机 享 p l c j 介 执行机构 0 测量仪表 之多介 加药过程 图3 - 1信息集成系统结构图 3 1 1 现场测控仪表 针对5 # 纸机加药工段具体工艺条件及工艺控制要求，加药过程p l c 控制系统中需要 模拟量输入1 3 点，模拟量输出6 点，开关量输入2 点，根据以上要求，测控仪表选型如 表3 - 1 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 表3 - 1 加药控制现场测控仪表 变量名称位号仪表名称仪表型号 面浆流量f r - 1 0 1 电磁流最计1 a x f 0 1 5 g d 2 a l l s - a 1 3 4 1 0 2 b 衬浆流营 f r _ 1 0 2 电磁流量计2 a x f 0 1 5 g d 2 a l l s - a i ：) 4 1 - 0 2 b 芯1 流量 f r _ 1 0 3 电磁流营计3 a x f 0 1 5 g d 2 a l l s a d 4 1 0 2 b 底浆流量 f r 1 0 4 电磁流量计4 a x f 0 1 5 g d 2 a l l s - a i ) 4 1 - 0 2 b 芯2 流量 f 1 0 5 电磁流鼙计5 a x f 0 1 5 g d 2 a l l s a d 4 1 - 0 2 b 驻留剂流量 f r 1 0 6 电远传式转子流量计 r a m c 0 2 一d 4 s s 一5 3 s 1 e 9 0 4 2 4 水流量 f r - 1 0 7 电磁流量计6 a x f o l 5 g d 2 a l l s - a d 4 l - 0 2 b 中间槽液位 u r 1 0 l 差压式液位变送器 e j a l l o a d m s 5 a - 9 2 d a 白水浊度1 n t - 1 0 1 在线浊度仪1q z - 2 0 1 c 白水浊度2 n t - 1 0 2 在线浊度仪2q z - 2 0 1 c 白水浊度3 n t _ 1 0 3 在线浊度仪3q z - 2 0 1 c 白水浊度4 n t - 1 0 4 在线浊度仪4q z - 2 0 1 c 白水浊度5 n t - 1 0 5 在线浊度仪5 q z 2 0 1 c 面浆流量控制阀 f v 1 0 1 电子式电动单座调节阀1 z d l p 6 b 衬浆流量控制阀 f v 1 0 2 电子式电动单座调节阀2 z d l p - 6 b 芯l 流量控制阀 f v 二1 0 3 电子式电动单座调节阀3 z d l p 6 b 底浆流量控制阀 f v - 1 0 4 电子式电动单座调节阀4 z d l p - 6 b 芯2 流餐控制阀 f v 二1 0 5 电子式电动单座调节阀5 z d l p - 6 b 水流量控制阀 f v 二1 0 6 电子式电动单座调节阀6 z d l p 6 b 输送泵转速1 m m r 1 0 1 西门子变频器1 m m 4 2 0 1 l 2 输送泵转速2 m m r 1 0 2 西门子变频器2 m m 4 2 0 - 1 1 2 3 1 2 下位机系统 下位机硬件采用p l c ，p l c 产品繁多，各有各的优点。s i m a t i c $ 7 - 3 0 0 系列p l c 适 用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s 7 - 3 0 0 系列的强大功能使其无 论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因为s 7 3 0 0 系列具有极高的性价 比，因此该系统下位机采用德国西门子公司s i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 。 下位机主要对检测仪表送来的信号进行实时采集、处理、运算并通过执行机构进行控 制，该功能的实现分别由相应的软硬件来实现。硬件配置选型如表3 - 2 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 表3 - 2p i , c 下位机硬件配置表 数 软硬件名称型号备注 量 c p u 模块 c p u 3 1 5 - 2 d pl1 2 8 kr a m ，a i a o2 5 6 点，d i d o1 0 2 4 点 m m c 内存卡 m m c2 m1 2 m 模拟量输入模块 s m 3 3 l2 8 路模拟量输入( 1 2 位) 模拟量输出模块 s m 3 3 22 4 路模拟量输出( 1 2 位) 数字量输入脂俞出模块 s m 3 2 318 入，8 出，2 4 v d c ，0 5 a m p i 网卡 c p 5 6 1 l1 带s 7 5 6 1 1 驱动软件( s o f t n e t - s 7 ) 电源模块 p s 3 0 7l a c l 2 0 2 3 0 v 输入，输出2 4 v 1 0 a 编程电缆 p c m p il 5 米 控制柜( 包括空气开关、普通导轨、 定制l 厂家配制 电缆线、信号线、线槽、接线端子) d i n 安装导轨 8 3 0 m m l 安装c p u 及其它模块 研华工控机：p 42 8 g ，d d r5 1 2 m ，8 0 g ， 工业计算机 i p c 6 1 0 hp 41 配1 9 c r t 因为下位机硬件选用s 7 3 0 0 系列p l c ，所以下位机编程软件选s t e p7p r o f e s s i o n a l w i n 9 5 9 8 ，n t m d e 2 0 0 0 ) op r o ，该软件可运行于各种操作系统，具有编程简单易学、调 试可视化、通信标准化、操作便利、性能稳定、功能可扩展等优点。系统数据的实时采集， 运算、及各种智能控制策略的实施等具体下位机程序均通过编程软件中的s t l 编辑器( 语 句表) 设计。 3 1 3 上位机系统 上位机在控制系统中主要起定时数据记录、在线监测与实时控制、系统管理等作用， 硬件选用工业专用工控机一1 p c 。近年来，一些用于快速构造和生成上位机监控系统的工 控组态软件发展很快，这些工控软件自身是一个软件平台，通过驱动程序与现场智能仪表、 模块等对实际过程进行监控，通过标准网络总线与现场仪表或上位机进行通讯，用户根据 对象特点与要求，按组态规则进行画面、控制、系统等组态，便可生成形象逼真、生动具 体、便于操作员观察理解的监控系统。从功能、操作、性能等方面考虑，采用北京亚控科 技的k i n g v i e w 6 5 1 版组态王软件，该软件是一款使用方便，功能强大，性能稳定，质量可 靠的工控软件，并久经工业现场考验 3 9 。上位机的组态内容具体包括系统组态、站点组态、 画面组态( 流程图组态、实时趋势组态、历史趋势组态、报警画面组态等) 、变量数据库 组态四大部分。 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 控制网络与信息网络的集成 在实现浙江某纸业集团有限公司信息集成平台时，为整合不同数据存取技术，必须提 供数据集成平台的抽象层，通过抽象层将数据的使用者和提供者隔离开。数据集成平台的 核心内容是要求所有的数据存储都能提供一种相同的访问接口，使数据的使用者( 包括基 础自动化设备、上层e r p 系统) 均可使用一致的方式访问企业内部各种数据，而无需考虑 具体的基础自动化设备、数据存储地点、数据类型及数据存储格式。在整体上系统体系结 构设计为设备层、抽象层和信息层三层，如下图3 2 所示。 图3 2 数据集成平台体系结构图 设备层中设备种类繁多，有传感器、启动器、驱动器、变送器等。i o 接口一致提供 对基础自动化设备的数据采集与回送。由于企业各个基础自动化控制设备是由不同厂家提 供，其产品从硬件结构到软硬件环境都有很大的区别。目前，企业现有的基础自动化设备 包括：传动控制d c s 、湿部控制d c s 、蒸汽控制p l c 和加药控制p l c 等。数据抽象层与 设备层之间的数据交换方式有o p c 、网络节点、d d e 、串行通讯和通讯卡等方式。 数据抽象层的主要功能是屏蔽设备层种类繁多的数据接口，向上层提供统一的数据存 取接口。企业底层控制网络采用的拓扑结构的数据存取协议多种多样，我们不可能对其进 行全部的替换而只能允许其存在。数据抽象层为信息层屏蔽了设备层的具体实现细节，使 信息层的数据传输独立于设备层基础自动化设备所采用的物理介质和介质访问方式；同时 它还允许继续完善和补充新的基础自动化设备及相应的数据访问方式，从而适应已有和未 一1 4 浙江工业大学硕士学位论文 来发展的各种控制网络，具有可扩充性。 数据抽象层是连系设备层和信息层的纽带。在实现形式上，它既是信息层网络上的一 个工作站，也是控制网络