MACS在APMP碱性过氧化氢机械浆项目中的应用

一、前言

    为了发展林业、农业，带动造纸工业发展，并保护生态环境，国家近几年相继推出了林纸一体化、退耕还林、发展速生林等战略措施和政策。在这些措施与政策的推动下，北方很多地区都大面积种植三倍体毛白杨等速生杨树。这种速生材种生长迅速、材质良好。不但绿化了环境，而且为木材工业，特别是造纸工业提供了大量质优的原材料，延伸产业链，发展制浆、造纸业，大大缓解我国长纤维造纸原料不足的状况。

    我国速生杨、桦木林等速生材的碱性过氧化氢机械制浆（即APMP）工艺及其成套制浆设备与DCS系统配合。APMP制浆生产工艺及设备是在八十年代漂白化学热磨机械浆（BCTMP）基础上发展起来的九十年代新兴制浆方法。APMP浆的原料是三倍体毛白杨采用制浆和漂白流程合二为一的工艺。PRC－APMP技术是近年集药液处理、磨浆、漂白于一体的高得率制浆方法，利用磨浆机喷放管中高温、高浓、高压等条件，实现浆料与药液的充分反应及均匀分布混合，且在HC高浓储浆塔中完成漂白作用。它在木片化学药液浸渍预处理之前用机械的方法浆木片沿纵向纹路方向压裂成为均匀的小木丝，然后再用氢氧化钠和过氧化氢进行预浸渍处理，在磨浆之前，已开始漂白，在盘磨机中将磨浆和漂白过程综合在一起完成，因而减少了磨浆时的动力消耗，从而降低了成本。生产流程为：木片经洗涤后，进行常压汽蒸，然后经压缩螺旋挤压木片后，进第二次汽蒸和二次压缩螺旋挤压，然后进行化学预浸渍，经过汽蒸后，再经过一段、两段磨浆机磨浆，完成漂白、制浆过程，然后经洗涤筛选后制得杨木APMP漂白浆，本制浆系统得率高、污染小、耗水少，成品浆的质量也较高。APMP工艺流程一般工艺流程。

二、工艺概述及控制要求

1、 工艺概述

    本生产装置全线为奥地利某公司制造，近年来有辽宁鸭绿江纸业有限公司、岳阳泰格林纸集团、四川宜宾纸业股份有限公司、河南焦 作 瑞 丰 纸 业 有 限 公 司、河南濮阳龙丰纸业、黑龙江齐齐哈尔纸业公司等企业投运此套装置。从PRC-APMP、APMP两套装置工艺流程比较来看，PRC-APMP 85%流程与APMP系统相同，但设备配置数量远远少于APMP系统， PRC-APMP系统对增强了木片挤压与预浸效果，改为二段，实质各个企业上的配置原也有差。

    PRC-APMP取消中间浆池，设置高浓漂白塔、效果是一致的。PRC-APMP系统与APMP系统最大区别，漂液加入点增加，提高浆白度、控制容易。低浓磨浆机增加实质造纸打浆工段迁移。

1.1、原料输送车间
原料输送车间包括杨木、竹竿原料场、带式输送机、水平输送机、八刀削片机、带式输送机、惯性筛、永磁除铁器、原料储存仓等工序。
1.2、制浆车间
在制浆车间，按照功能大致分为六部分：预蒸、洗涤工段、浸渍工段、磨浆工段、HC卸料压榨工段、浓缩筛选过滤工段、打浆工段。
1.2.1、预蒸、洗涤工段
本工段由皮带输送机、1#预蒸仓、1#预蒸常压螺旋挤浆机、木片洗涤机、木片泵、木片脱水螺旋、2#汽蒸仓、弧形筛等设备组成。
1.2.2、浸渍工段
本工段由侧喂料螺旋、木片压榨机、一次浸渍器、螺旋输送机、3#汽蒸仓、卸料螺旋、水平螺旋等设备组成。
1.2.3、磨浆工段
本工段由料塞螺旋、一段磨浆机、带刮刀旋风分离器、洗涤液冷凝器、空气洗涤器、浓缩过滤池等设备组成。
1.2.4、HC卸料、压榨工段
本工段由料塞螺旋、水平输送机、HC卸料塔、SF浆泵、真空泵、螺旋压榨机等设备组成。
1.2.5、浓缩筛选过滤工段
本工段由水平螺旋输送机、鼓型浓缩机、一段二段三段压力筛、多元盘过滤机等设备组成。
1.2.6、打浆工段

2、控制要求与特点

2.1、 APMP生产线自动化水平要求

    此生产装置由于是企业供浆生产线，从工艺、生产、管理、效益等各个方面是企业重要流程与设备。生产线全流程自动化要求程度非常高，其目的就是充分发挥浆线生产能力，为企业创造更多的效益。由于设备进口、企业对自动化方面也不了解，一般全部自控设备由设备供货商提供，企业显然省心也浪费一部分资金。另一方面，设备由供货商提供，自动化控制设备企业自己招标，企业费心操作节约一部分资金。然而，国内所上此装置的自动化系统即DCS（集散型控制系统）全部采用进口，原因是多方面地。但实际进口DCS产品在生产线运行效果又是如何呢？有用户说：我上这条线是国际上最先进的DCS，运行出现问题也是国际最高水平。售后服务跟不上，造成常时间停产严重损失时，企业着急了，果然节约资金没有停产损失严重。售后服务收费时，企业瞪眼了，每年近百万元售后服务费，难以承受。

    北京和利时自动化股份有限公司是国内最大DCS生产制造、集成供货商，对国内某企业APMP生产线使用不足3年的进口DCS系统控制进行全线拆除改造，深深知道2000余控制点控制意义，深深知道国人使用DCS过程中的酸甜苦辣。系统改造运行近一年来，企业偿到了甜头，产量猛增。

2.2、全流程控制特点：

1、 全流程由于工艺设备决定浆缓冲池极少，因此设备控制连锁保护要求较高。工艺参数要求连锁控制。
2、 设备动力源采用变频调速较多，不仅采用速度控制、连锁，还有转矩控制、连锁，功率负载控制、连锁，工艺控制、连锁等。
3、 系统设备油路水密封、油温、油压、过滤差压、油流量开关等控制连锁较多。
4、 全流程工艺加药环节较多，加药不仅流量计量要准确，而且流量与产量、设备负荷等连锁。保证浆质量。
5、 系统关键设备磨浆机，磨浆机油压控制回路、水封、油温、油压、过滤差压、油流量开关、轴承润滑、进退刀、震动加速计、位移反馈等控制、连锁。
6、 压力筛全闭环控制连锁，流量比值连锁控制、压差自动反冲洗、水封压力闭环控制、自动清洗控制。
7、 双盘磨浆机绝干浆、压差、电流占空比、叩解度软测量控制。

3、工段控制特点

3.1预蒸洗涤工段主要控制点
3.2浸渍工段主要控制点：
3.3磨浆工段主要控制点：
3.4、HC卸料、压榨工段主要控制点
3.5、浓缩筛选过滤工段主要控制点
3.6、打浆工段主要控制点

4、DCS系统规模

    整个项目分两个车间（原料、制浆），其控制测点均为常规测点，即：4～20mA模拟量输入测点（AI测点），Pt100模拟量输入测点（Pt100测点），4～20mA模拟量输出测点（AO测点），干触点开关量输入测点（DI测点），继电器开关量输出测点（DO测点），事故追忆SOE开关量输入模块，具备带电插拔功能可在系统加电的情况下直接插拔本模块， 不会影响本模块及系统的正常运行模块可以诊断现场SOE 信号触点发生的抖动，具有看门狗定时器电路，可使模块在异常情况下自动复位模块提供了过电压保护DC24V 反向保护通讯线箝压保护可以采集16 路触点型共地的SOE 信号，具有较大的数据采集缓冲区。控制规模如下表所示：（产量规模不同下一般1600-2000点）。

三、控制系统的实现

1、控制系统的选择

    利用在造纸行业应用比较成功的集散控制系统对生产过程中电气、仪表等反映的工艺设备参数进行集中管理。四川某企业经过对国内外控制系统性能、价格、过程服务、工程能力的综合分析比较，最后决定选用由北京和利时系统工程股份公司生产的新一代现场总线DCS产品——MACS系统。

2、控制系统的特点

    MACS系统是基于现场总线技术设计的新一代DCS系统。具有如下特点：

a.危险分散措施

    过程I/O单元采用的智能化设计方法，可有效地将部分控制或采集运算分散到各I/O单元，降低主控单元的负担，提高可靠性。另一方面，一旦主控制器发生故障，各单元仍能完成基本的输入输出功能。如控制输出的自动保持功能，回路控制的独立执行等

b.故障隔离措施

    所有过程输入输出单元都采用可靠的光电隔离技术，使各单元之间和单元与上位机之间的CPU无任何电气联系，从而提高系统的抗干扰能力、可靠性和安全性。在同一单元的不同通道间及逻辑功能侧和现场信号侧，也提供了隔离措施，可消除由于现场地电位差对系统造成的损坏。

c.迅速排除故障措施

    现场控制站的所有单元上均带有CPU，每单元均可进行周期性自诊断。诊断主要包括CPU与内存等的自检、开关量输出回读比较、模拟量输入通道的正确性比较判断、模拟量输出通道的正确性比较等。

d.各种运行提示

   系统中所有单元上均有状态指示灯包括运行灯、故障灯、网络通信灯等。

e.可带电插拔

    一旦发现故障，可带电对故障单元进行更换。由于采用了特殊保护措施，系统中所有过程I/O单元均可带电拔插，对系统的运行不会产生任何影响。

3、控制系统的结构

    该项目分为两个车间，因此把DCS系统也划分为两个相互独立又相互联系的子系统。磨浆机系统又独立分为两个子系统OP270（分别现场开机操作），每个子系统各自成为一个完整的DCS系统，同时，通过MNET网段把四个子系统联起来，实现数据和资源的共享，通过设置和登录不同级别的用户，可以在一个子系统上对其他子系统进行监视和操作。工程师站（由操作员站兼任）完成组态修改及下装，包括：数据库、图形、控制算法、报表的组态，参数配置，操作员站、服务站、现场控制站及过程I/O模块的配置组态，数据下装和增量下装等。

    操作员站进行生产现场的监视和管理，包括：工艺流程图显示，报表打印，控制操作，历史趋势显示，报警管理等。

    现场控制站又称I/O站，是MACS系统实现数据采集和过程控制的重要站点，主要完成数据采集、工程单位变换、控制和联锁算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到系统服务器等功能。

    现场控制站由主控单元、智能IO单元、电源单元和专用机柜四部分组成，在主控单元和智能IO单元上，分别固化了实时控制软件和IO单元运行软件。

    现场控制站内部采用了分布式的结构，与系统网络相连接的是现场控制站的主控单元，冗余配置。主控单元通过控制网络（CNET）与各个智能IO单元实现连接。

    MACS系统采用FM1系列I/O模块及DP主站组成现成控制站，采用ProfibusDP现场总线技术，构成先进的、可靠的DCS分布式控制系统。I/O模块和底座组成现场模块单元（FMU），在现场总线控制系统中成为DP从站。现场控制站主要由I/O模块、底座、电源模块、终端匹配器、DP主站接口卡组成。

4、MACS系统的网络结构

    MACS系统的网络由上到下分为管理网络、系统网络和控制网络三个层次，管理网络实现工程师站、操作员站、打印服务站、高级计算站与系统服务器的互连，系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程I/O模块的通讯。

    MACS系统网络采用可靠性高的双冗余结构，应用时可以保证在任何一条网络失效的情况下都不影响系统通信。系统的网络的拓扑结构为星型，中央节点为服务器。

    管理网络（MNET）由100M高速冗余以太网络构成，用于系统服务器与工程师站、操作站、高级计算站的连接，完成工程师站的数据下装，操作员站、打印服务站、高级计算站的在线数据通讯。

   系统网络（SNET）由100M以太网构成，用于系统服务器与现场控制站、通信控制站的连接，完成现场控制站、通讯控制站的数据下装，服务器与现场控制站、通讯控制站之间的实时数据通讯。

    控制网络（CNET）由PROFIBUS-DP总线构成，用来实现过程I/O模块与现场控制站主控单元的通信，完成实时输入、输出数据的传送。PROFIBUS-DP是专门为自动控制系统与在设备级分散I/O之间进行通讯而设计的。既可满足高速传输，又有简单实用、经济性强等特点。

四、系统的部分设备控制内容

1#仓液为控制（控制变频器）

PID闭环控制，手自动切换条件：

2#仓液位控制（变频）

采用串级PID回路闭环控制

PID闭环控制

喂料器速度控制控制方式

木片压榨机速度控制

反应仓卸料螺旋

盘磨稀释水流量控制

盘磨功率控制

五、结束语

    MACS系统在该项目上于2004年6月份开始安装、在不影响正常生产情况下顺利改造成功，系统运行稳定，系统控制效果良好，各项工艺指标均正常，产品质量稳定，为企业带来了极大的经济效益。