集散控制系统课程设计报告

基于DCS制浆造纸纸浆浓度控制方案设计摘要理论上造纸业所有生产过程可由人来判断并进行手动控制，在老式、低速生产线上经常可以看到这种控制方式。但在现代化、高速运行生产线上再熟练的操作人员也根本不可能跟上快速运行设备的节奏，根本不可能达到及时控制生产工艺参数的要求，而且再熟练的人员也会犯错，一旦出错可能会对生产设备产生灾难性的影响，所以应用DCS系统。造纸业的流程很繁琐，纸浆浓度——尤其是上网浓度即文中提到的抄前池出口浓度——对纸张的定量高低起着决定性的影响.正是因为纸浆浓度如此重要,所以在制浆造纸DCS系统中,对浓度回路的控制要求较之其它类型的回路都要高。本文从纸浆造纸浓度控制出发，写明控制原理及DCS的应用关键词：DCS纸浆浓度PID检测仪表目录第一章：HoneywellExperionPKS系统设备的介绍第二章：DCS系统的介绍（一）集散控制系统的整体系统结构（二）集散控制系统的硬件结构 第三章：制浆造纸生产工艺流程（一）生产工艺流程图（二）制浆造纸生产工艺流程的简介第四章：制浆造纸纸浆浓度系统原理（一）造纸过程控制特点与控制策略（二）控制系统原理数学模型及浓度控制工作原理第五章：霍尼韦尔控制系统连接示意图（一）基于总线的连接示意图（二）各个检测仪表的简介六、心得体会七、参考文献DCS系统发展背景集散控制系统是将控制技术、计算机技术、通信网络技术和信号数据处理等技术融为一体的先进控制系统。和传统的计算机集中控制相比,其具有危险分散、功能分散、任务分散的特点,因此其在化工、石油、冶金、电力、造纸、电厂等关系国计民生的重要行业中得到了广泛地应用,占据着主导地位。随着科学技术尤其是信息技术的飞速发展,DCS技术也在不断地推陈出新。与此同时,用户对DCS的性能要求也越来越高,从现在流行的要求”SeetheSensorsinTheBoardRoom(在董事会室可以看到现场的传感器)”中可见一斑.此外,DCS和FCS的融合,通用计算机技术向传统DCS的延伸都是当今自动化技术发展的热点,随着通用计算机技术和集散控制技术地不断融合,现场总线技术地发展,集散控制技术正迎来新的发展与挑战。由于DCS系统基本体系结构本身所涉及的技术已经非常成熟,随着用户对DCS的应用和开发越来越熟悉,价格越来越透明,利润空间也越来越小。受信息技术(网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等)发展的影响,以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加,各DCS厂商必将提升DCS系统的技术水平,并不断地丰富其内容,对DCS的应用进一步拓展。第一章：HoneywellExperionPKS系统设备的介绍EPKS霍尼韦尔控制系统EPKS集散控制系统是美国Honeywell公司最新推出的以MicrosoftWindows2003为操作系统的集散控制系统，是一种低成本高效益的开放式控制系统，适用于造纸工艺流程的生产过程控制，提供的服务器、操作员站及现场控制器具有强大的适应性，EPKS控制系统主要的特点有：无缝的集成平台，平台与Honeywell其他系统完全兼容，也与其他供应商的过程自动化系统兼容；集成的安全管理系统；与现场总线的集成；提供无线通信的解决方案；协同决策支持工具；过程知识的获得和共享；支持医药和其他FDA有关的工业所需的电子签名。其系统分为三层结构，分别为控制级，生产管理级，工厂管理级，其中控制级和生产管理级构成了基本的DCS控制系统。第二章：DCS系统的介绍集散控系统的体系结构（一）集散控制系统的整体系统结构随着DCS开放性的增强，其层次化的体系结构特征更加显著，充分体现了DCS集中管理、分散控制的设计思想。DCS是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统，它以多层局部网络为依托，将分布在整个企业范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部分的信息共享和协调工作，共同完成各种控制、管理及决策任务。按照DCS各组成部分的功能分布，所有设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。1.1.现场控制级现场控制级设备直接与生产过程相连，是DCS的基础。典型的现场控制级设备是各类传感器、变送器和执行器。它们将生产过程中的各种工艺变量转换为适宜于计算机接收的电信号送往过程控制站或数据采集站；过程控制站又将输出的控制器信号)送到现场控制级设备，以驱动控制阀或变频调速装置等，实现对生产过程的控制。1.2.过程控制级过程控制级主要由过程控制站、数据采集站和现场总线接口等构成。其功能是过程控制站接收现场控制级设备送来的信号，按照预定的控制规律进行运算，并将运算结果作为控制信号，送回到现场的执行器中去。1.3.过程管理级过程管理级的主要设备有操作站、工程师站和监控计算机等。操作站是操作人员与DCS相互交换信息的人机接口设备，是DCS的核心显示、操作和管理装置工程师站是为了控制工程师对DCS进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。监控计算机的主要任务是实现对生产过程的监督控制，如机组运行优化和性能计算，先进控制策略的实现等。1.4.经营管理级经营管理级是全厂自动化系统的最高一层。经营管理级的设备可能是厂级管理计算机，也可能是若干个生产装置的管理计算机。它们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。（二）集散控制系统的硬件结构通过通信网络系统将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。2.1分散控制装置分散过程控制装置主要包括现场控制站、数据采集站、顺序逻辑控制站和批量控制站等，现场控制站是DCS与生产过程之间的接口，它是DCS的核心。2.2集中集中操作管理系统部分集中操作管理系统主要包括操作站外部设备服务器等，DCS操作站一般分为操作员站和工程师站两种。其中工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口。2.3数据通信技术通信是指用特定的方法，通过某种介质将信息从一处传输到另一处的过程。数据通信系统由信号、发送装置、接收装置、信道和通信协议等部分组成。第三章：制浆造纸生产工艺流程（一）生产工艺流程图（二）制浆造纸生产工艺流程的简介1.制浆的过程制浆为造纸的第一步，一般将木材转变成纸浆的方法有机械制浆法、化学制浆法和半化学制浆法等三种。制浆的基本流程：原料选择→蒸煮分离纤维→浓缩或抄成浆片→磨浆→原木贮存→锯木→去皮、除节→削片→蒸煮→洗涤→筛选、净化→漂白→漂白浆板→浸渍和磨浆→本色浆板。2.调制过程纸料的调制为造纸的另一重点，纸张完成后的强度、色调、印刷性的优劣、纸张保存期限的长短直接与它有关。一般常见的调制过程大致可分为以下三步骤：a.散浆；b.打浆；c.加胶与充填。3.抄造过程抄纸部门的主要工作为将稀的纸料，使其均匀的交织和脱水，再经干燥、压光、卷纸、裁切、选别、包装。4.纸张丝流浅解造纸另外一个要件是纤维打浆叩解，利用搅刀及大马力机械，使植物纤维分叉破碎，再抄制成纸匹俱有较大结合力，不像光洁丝状纤维容易滑脱；另外在打浆后所产生碎屑及糊状物，在抄纸时有填塞孔隙及黏结纸匹功用。第四章：制浆造纸纸浆浓度系统原理（一）造纸过程控制特点与控制策略6.1：造纸过程控制特点造纸控制对象是一个复杂的多变量控制对象.对于网前部，网部，压榨部和烘干部等的局部控制,被控变量与控制变量的选择视不同纸机而异。造纸过程控制是复杂的，系统的造纸过程控制有一系列特点。6.1.1对象的不确定性造纸过程扰动因素多,特别是白水的浓度，纸机的车速，压辊的线压，网部的老化等这些慢时变特性,导致造纸过程模型结构的不确定性和参数的不确定性。空气温度和湿度的变化,纸浆打浆度和湿重的变化,也会引起造纸过程模型结构的变动。传感器和执行器的特性漂移等易见地会造成造纸过程广义对象特性的改变。6.1.2对象的纯滞后性造纸过程具有纯滞后性,有的造纸过程具有特大纯滞后。纯滞后时间与纸机车速，定量和流程长度有直接关系。6.1.3对象的非线性特性造纸过程是一个复杂的工业过程,造纸过程具有非线性,在某些局部非线性还十分严重。非线性严重的程度随不同的纸机而异,大多数都可以在工作点附近用线性方程来近似,有的还可以用双线性方程来替代,可是也有某些纸机非线性十分严重,只有用非线性方程来描述它的特性。6.2造纸过程的系统专家PID控制策略纸浆浓度是造纸过程中最重要的物理量之一。纸浆浓度——尤其是上网浓度即文中提到的抄前池出口浓度——对纸张的定量高低起着决定性的影响.正是因为纸浆浓度如此重要,所以在制浆造纸DCS系统中,对浓度回路的控制要求较之其它类型的回路都要高。专家控制PID在纸浆浓度调节系统中的应用,既考虑到了和PID算法的结合,又根据多个回路之间的关系起到了回路与回路之间的协调作用。（二）控制系统原理数学模型及浓度控制工作原理纸浆浓度是指单位质量纸浆里所含纤维的多少,通常是用百分比的形式来表示.在碎浆,制浆过程中,纸浆浓度是衡量浆得率的一个重要指标。1．纸浆浓度控制系统的数学模型浓度控制系统由纸浆浓度变送器（浓度计）、电动调节阀、浓度控制器三部分组成，如图1：其浓度控制的传递函数表达式为：式(1)中，k为对象增益，T为惯性时间，τ为滞后时间，Y(s)为纸浆浓度测量的拉氏变换，U(s)为阀门开度的拉氏变换。2：纸浆浓度控制系统的工作原理纸浆浓度自动控制系统组成如图2所示。纸浆浓度变送器把浆管内流动的浆料的浓度转换成4-20mA电流信号送入浓度控制器。经过A/D转换成浓度数值信号送显示器，并将此浓度值与用户设定值比较，控制器按两者差值调节电动阀的开度，从而调节进入浆泵的稀释水量，使输浆管内的浆料浓度发生变化，这时浓度变送器将检测到新的浓度。重复上述过程，使浆料浓度逐渐接近用户设定的浓度值，最终得到浓度稳定的浆料。注意：以下部分先不要抄，需要修改和补充。第五章：霍尼韦尔控制系统连接示意图（一）基于总线的连接示意图（二）各个检测仪表的简介采用美国Honeywell公司的ExperionPKS分布式控制系统,实现对过程数据的高性能采集、控制和监视。系统的结构采用冗余服务器、冗余控制网络以及冗余电源的模式,其中包括2台工程师站、4台操作员站、C200过程控制器和过程I/O接口。工程师站主要用来实现对系统的配置与组态,同时作为系统的数据服务器实现对过程数据的保存以及档。1：现场总线简介ExperionPKS系统可组成现场总线控制系统，基金会现场总线，ControlNet现场总线，Profibus现场总线，DviceNet现场总线和HART现场总线等。其中ControlNet是实时的控制层网络，在单一物理介质链路上，可以同时支持对时间有苛刻要求的实时I/O数据的高速传输，以及报文数据的发送，包括编程和组态数据的上载/下载以及对等信息传递等。在所有采用ControlNet的系统和应用中，其高速的控制和数据传输能力提高了实时I/O的性能和对等通讯的能力。对在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作，均具有相同的带宽。支持多主方式。2：C200过程控制器C200控制器由机架、电源、控制器处理模件(CPM)、ControlNet接口,冗余模件和I/O连接模件所组成,完成对过程的控制、与过程I/O接口的通信,通过监控网络将数据传送到服务器等功能。过程I/O接口主要包括接线端子、输入/输出(I/O)卡件和连接电缆等,主要实现对数据的采集、处理和工程单位的变换。过程控制器完成下列功能:I/O处理,RS232/RS485(Modbus)通讯,数据采集、模拟控制、批量控制、顺序控制。另外控制站还可以具有复杂控制功能,如PID参数自整定,模糊控制和先进控制功能。控制器完成全部的监测调节和顺序控制功能,包括(但不限于):温度、压力、流量、浓度的监视、PID的调节和各种复杂调节、各种阀门的开关、各种油泵的开关等顺序控制、各种设备运行状态的监视及联锁保护等。3：过程I/O接口过程I/O接口包括2个15槽文件卡板箱以及各类信号的接线端子FTA模件。I/O模件以卡件的形式插放在文件卡板箱中,并且通过专用电缆与FTA模件相连。4:系统网络连接信息网络的连接，由于信息网络采用的是标准以太网的结构,因此网络通过交换机将工程师站和操作员站连接起来,连接的方法采用标准以太网的连接方法。由于采用冗余网络的配置,两个网络通路应该相互独立,不能有交叉。监控网络的连接，通过控制网络T型接头实现从C200控制器的控制通信模块和两台服务器的连接。对于冗余网络配置,每台服务器采用2个T型头,分别称为A口和B口,T型头一端通过接插件与同轴电缆相连,一头安装控制网络终端电阻。控制通讯模块采用2个T型头,分为T型头A和T型头B,分别与两台服务器相连。5、造纸厂常用仪表（1）常用仪表在线测量纸页水分方法：红外水分仪、微波水分仪、电导式，电感式，温差式水分仪常用纸浆液位测量仪表：法兰式差压液位计、电容式液位计常用纸浆调节阀：隔膜阀、球阀（O型或V型）常用浓度测量仪表：动刀式浓度变送器，静刀式~、光电式浓度变送器、旋转式~常用纸浆流量仪表：电磁流量计、蒸汽流量仪表、差压流量计纸页定量测量仪表：ß射线定量测量仪(1)红外水分仪测量原理：每种物质都有它的特征频率，当外界电磁波的频率与该物质特征频率相同时，电磁波能量会被该物质的分子吸收。世界上使用的红外水分仪都选用1.94μm波长，因为在这个波段中可用普通光学玻璃作为仪表中的光学元件，水分子对1.94μm的波段的吸收峰较大，而被测纸页的纤维对1.8~2.0μm波段无吸收峰，减小了纤维对测量的影响。(2)纸页定量测量原理：选用ß射线作为射源，因为它比γ射线和x射线的穿透性小，测量纸页定量变化灵敏度高，而它对纸页的组分（纤维种类、纸页水分和灰分等）的变化则不明显。（2）用在纸机干部的仪表dPRC—2/3/5：通过调节气水分离器的闪蒸汽排出量，控制该段烘缸上下必要的压差，控制冷凝水排放，保证冷凝水的合理排放（若压差大，阀关小）PsC—3/5：调节总管蒸汽的加入量补充蒸汽，保证两段之间的压差梯度（5-主、中段，3-中、湿段压差梯度）当压力接近冷凝水排出所需临界压力时，则PSC自动使下一段压力降低，以保证冷凝水和空气排出MRC—7/PRC—7：调节主段蒸汽压力，保证施胶前纸页的水分一定（串级控制系统）LRC—4/6/8：通过调节冷凝水排放，控制液位，保证冷凝水良好的闪蒸和防止泵空吸MRC—12/PRC—12：调节末端蒸汽压力，保证纸页的水分一定（水分偏高，压力变大，阀门12关小）WRC—14：纸页定量控制信号去纸机冲浆泵流量控制器（给定值）TenR—7：卷曲张力检测记录—监控车速TIC—3：熔硫贮槽温度控制，防止过热粘稠、过冷结晶（温度高，阀门3关小）BPRC—2：浓黒液浓度控制—黒液密度与其密度的有关PRC—1：除气室压力控制（压力大，阀门开小）（3）用于长网纸机湿部的仪表EwRC—11A：根据伏辊真空度情况调节磨浆机负荷（打浆度）—真空度偏大，磨浆机功率调小PRC—7：通过调节排气量，控制网前箱压力，与LRC—6构成供浆控制系统（检测点在液面下，是因为考虑了液位波动而产生的压力波动）LRC—3：调浆箱液位控制LRC—6：调节冲浆泵回流量保证稳定的网前箱液位(液位偏高，阀LV—6开大)VIC—8/9/10：网部真空箱真空度控制（调节抽气量控制总管真空度）目的，提高网部脱水效率VR—11：伏辊真空度记录，测量值用于控制精浆机电机打浆负荷（真空度偏高，说明打浆度高，磨浆功率调小）VR—12：根据纸页情况决定压榨辊加压大小（手动）以改善纸页紧度与表面特性LRC—1：控制进抄前池的浆料流量，保证液位稳定CRC—2：控制稀释水量，保证浆料浓度稳定FRC—4：纸浆流量控制根据干部定量控制器的信号，决定供料速度（若定量大，关小阀门4，减小纸浆流量）pHRL—5：调节加入到纸料中的矾土量，保证合适的pH值(4).浓度检测仪表当前在造纸行业应用较为广泛的有旋转式和刀式两种浓度检测仪表.旋转式浓度检测仪表根据剪切应力原理,间接测量纸浆浓度.它采用旋转叶轮为敏感元件,把浓度转换为扭矩,输出电流产生电磁反馈力矩,以平衡测量力矩,构成数字随动仪表;运用微机化转换电路,变斜率逼近式反馈算法,使变送器成为真正零位移动数字随动系统提高了仪表灵敏度和稳定性,并带有一定的智能功能.其测量范围为2%~4%,灵敏度为0.02%.刀式浓度检测仪表也是根据剪切应力原理,插入浆流管道中间位置的刀根据流经刀两侧面所产生的剪切力,经过电路转换,输出4~20mA或其它类型的标准信号。刀式浓度检测仪表按照刀位置固定与否可以分为静刀和动刀两大类,静刀是被动测量,浆不流动时信号为零,而实际浓度并非为零;动刀是主动测量,浆不流动仍然有浓度信号.这两种浓度变送器的主要技术参数不同:

1)灵敏度:静刀0.05%,动刀可达0.01%;

2)适用浓度范围:动刀分两档1.5%～5%,3%～8%;静刀1.5%～5%;

3)适用浆料流速范围:国产静刀是0.5～1.5m/s,进口静刀上限才能达到0.5～5m/s,而动刀这一性能指标可达0.2～5m/s。4)静刀在高温强腐蚀环境无法使用;而动刀则可以使用；5)静刀存在着较大温漂现象,需要进行温度补偿;而动刀则不存在改问题,检测介质温度可达80℃；

6)压力变化对静刀会产生零点迁移,需重调零点；而动刀则对压力变化不敏感；

7)静刀怕振动,使用时需在变送器两端或输浆泵出口加装减震器。而振动对动刀基本无影响,无需使用减震器；

8)国产静刀对安装有特殊要求,对通径小于150mm的浆管需进行扩管,加装通径150mm的直管段。动刀可直接装在通径80mm以上的浆管上,因此现场安装动刀比静刀方便得多；

9)静刀使用寿命短；动刀的使用寿使长；

10)静刀不易维修；动刀维护简便；

11)在安装形式上,静刀只能水平立装;动刀则可在垂直,水平,斜管上安装。

静刀和动刀浓度检测仪表在技术参数上的区别也决定了其不同的适用场所和价格档位.但其作为浓度控制回路的一个检测仪表而言是没有任何区别的,了解它们两者之间的不同,为后续的模型建立和数据处理提供了知识基础和参考[6][7].1)灵敏度:静刀0.05%,动刀可达0.01%；

2)适用浓度范围:动刀分两档1.5%～5%,3%～8%;静刀1.5%～5%；

3)适用浆料流速范围:国产静刀是0.5～1.5m/s,进口静刀上限才能达到0.5～5m/s,而动刀这一性能指标可达0.2～5m/s；

4)静刀在高温强腐蚀环境无法使用;而动刀则可以使用；

5)静刀存在着较大温漂现象,需要进行温度补偿；而动刀则不存在改问题,检测介质温度可达80℃；

6)压力变化对静刀会产生零点迁移,需重调零点;而动刀则对压力变化不敏感；

7)静刀怕振动,使用时需在变送器两端或输浆泵出口加装减震器。而振动对动刀基本无影响,无需使用减震器；

8)国产静刀对安装有特殊要求,对通径小于150mm的浆管需进行扩管,加装通径150mm的直管段.动刀可直接装在通径80mm以上的浆管上,因此现场安装动刀比静刀方便得多；

9)静刀使用寿命短；动刀的使用寿使长；

10)静刀不易维修；动