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1 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上世纪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将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，进行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如图1所示。
图1 PRC-APMP工艺基本流程图
2 工艺概述及控制要求
2.1 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系统增强了木片挤压与预浸效果，取消中间浆池，设置高浓漂白塔，而达到同样效果。PRC-APMP系统与APMP系统最大区别在于漂液加入点增加，从而提高浆白度，使控制更容易。
(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。基本工艺流程如图2所示。
图2 PRC-APMP原料输送基本流程图
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
打浆工段
本工段由双盘磨组等设备组成。
2.2 控制要求与特点
(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，企业中的重要设备。生产线全流程自动化程度要求非常高，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。由于采用进口设备、企业对自动化技术也不十分了解，一般全部自控设备由设备供货商提供，企业省心但也花费了大量资金；另一方面，也可采取设备由供货商提供，自动化控制设备企业自己招标的方式，可使企业节约了大量资金。然而，很长时间来国内所用此装置的自动化系统即DCS全部采用进口。但实际进口DCS产品在生产线运行效果又是如何呢？有用户表示：该DCS很先进，出现的问题也很难解决。售后服务跟不上，造成长时间停产，损失严重。
北京和利时系统工程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，系统改造运行近一年来，企业产量猛增，收益明显。
(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，不仅要求速度控制连锁，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。
2.3 工段控制特点
(1) 预蒸洗涤工段主要控制点：
1#预蒸仓温度、时间自动控制；
1#预蒸常压螺旋送料速度、转矩控制与2#预蒸仓料位连锁控制；
木片洗涤机排渣连锁控制；
洗涤水槽温度、液位控制；
斜筛自动清洗连锁控制；
2#预蒸仓压力、温度、流量、时间自动连锁控制。
(2) 浸渍工段主要控制点：
? 侧喂料螺旋、木片压榨机自动控制：
① 速度连锁控制、转矩控制实现4 : 1高压缩比；
② 负载电流、负载功率连锁控制；
③ 冷却水压力自动控制。
? 侧喂料螺旋、压榨机与1#浸渍器加碱量流量连锁控制；
? 侧喂料螺旋、压榨机与3#汽蒸仓料位连锁控制；
? 3#汽蒸仓温度、时间自动控制；
? 侧喂料螺旋、压榨机与2#浸渍器加碱量流量连锁控制；
? 侧喂料螺旋、压榨机与反应仓料位连锁控制；
? 反应仓压力、温度、流量、时间自动连锁控制；
? 带压螺旋输送机入口开度液压油泵压力、液位检测与控制；
? 带压螺旋输送机温度控制、输送浆料速度连锁控制。
(3) 磨浆工段主要控制点：
磨浆机控制国内进口产品有两种配置方式：
① 设备本体带单板机控制系统。
② 设备本体带PLC控制系统。
磨浆机主要控制点构成，80点（AI－10、AO－3、DI－42、DO－11、RTD－14）；
磨浆机主要连锁点构成如表1所示。
表1 磨浆机主要连锁点构成
(4) HC卸料、压榨工段主要控制点
料塞螺旋器速度、电流、转矩、负载连锁控制。
料塞螺旋器压缩空气压力连锁控制。
HC卸料塔、浆位、温度等连锁控制。
螺旋压榨机自动控制：
① 速度连锁控制、转矩控制；
② 负载电流、负载功率连锁控制；
③ 冷却水压力自动控制；
④ 压缩空气连锁控制；
⑤ 自动清洗控制。
流程浓度、流量连锁控制。
(5) 浓缩筛选过滤工段主要控制点
压力筛控制：
良浆出入口压力差自动反冲洗控制；
入口浆与渣浆流量比值控制；
入口浆与良浆流量比值控制；
渣浆与良浆流量比值控制；
清洗水比例控制；
水封压力检测控制；
入口浆流量连锁控制。
自动反冲洗控制：
超过下限要自动停车，超过上限要自动报警；
(6) 打浆工段主要控制双盘磨磨浆机控制：
对打浆度的控制是打浆机控制的难点，也是打浆机控制的重点。首先，打浆机的磨电机、进/退刀电机均为变频器控制。当打浆的量为一定值时，也就是说，当打浆的纸浆绝干量为一个常量时，磨电机的电流值与纸浆的打浆度（叩解度）成某一个曲线特性，当打浆度为一个常量时，磨电机的电流值与打浆的纸浆绝干量成一个正比的关系。因此，用纸浆绝干量（纸浆流量、浓度的乘积）乘以磨电机的电流值得出一个变量，然后把这个变量作为纸浆打浆度的一个表征变量，用这个信号来控制打浆机的进/退刀电机。这个控制方案对打浆机的控制能取得比较好的控制效果。
为稳定浆料叩解度、湿重指标，保证纸张匀度、裂断长、紧度、光泽度、撕裂度等物理指标的实现。纸浆游离度控制是打浆最重要的环节。一般具有如下特点：
① 对浆料流量至磨浆机动力均经过预测以最佳的电力设定值，使空耗时间减少；
② 对标定的电流－游离度信号进行输入处理，具有高度可靠性；
③ 根据压差信号对游离度控制进行空耗补偿；
④ 磨浆机电力控制以输入脉冲，防止空耗的控制输出；
⑤ 对不同浆种采用分别标定，DCS按给定浆种号，预测电力设定值进行类别管理；
⑥ 采用模态开关进行控制，程序自动识别与转换。
2.4 DCS系统规模
图3 DCS系统配置图
表2
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，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。控制规模如表2所示（产量规模不同下一般1600~2000点）。
3 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：
① 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。
② 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。
③ 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。诊断结果每秒钟都上传到上位机的系统状态图中显示。
④ 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。
⑤ 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。系统结构图如图3所示：
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PROFIBUS-DP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。
4 部分设备的控制
1#仓液位控制PID闭环控制，手自动切换条件：
液位小于95%，并且1002M在运行状态，1#仓液位开关无报警，切换到自动，否则手动并停掉进料电机。
2#仓液位控制
采用串级PID回路闭环控制，液位作为副调，螺旋压榨机的速度作为主调。
洗涤水液位控制
PID闭环控制，和清水池控制输出去控制阀门，手自动转换条件：洗涤水泵1010M运行则切到自动，没有运行则关闭阀门。
喂料器速度控制控制方式
PID闭环控制，ST206的值和木片压榨机SIC209的速度相除，取比值显示为C1，SIC209经比值运算和WR205的输出转换（WR）＞2500延时XX秒）控制205M。转矩WR250的转换：喂料器功率×9550×95%/（喂料器的速度×68）。转矩再用PID控制，比值无PID。ST206只有显示和运算。
木片压榨机速度控制
串级PID控制，SC209作为主调，LIC216作为副调，主调的参数都设为零，主要靠副调来调。副调的输出幅度在XX%和100%之间。手自动转换条件：当2002M电机停止时切换到手动。
反应仓卸料螺旋
比值控制，喂料器的速度控制输出乘以系数（在画面上可改动）作为输出控制SC237，如果2011M停止运行信号产生送0给2011M的变频。
盘磨稀释水流量控制
比值和PID控制，比值采用料塞螺旋喂料器的速度乘以系数（手动输入）作为流量的给定值，来控制流量。切换条件：如果盘磨功率大于设定值，延时后，切换到比例控制方式。
盘磨功率控制
把盘磨打浆的功率消耗作为设定值，和转化的值进行比较，可得出进退刀的逻辑。
如果负荷小于2MW或没有喂料信号则转化到手动，可做自动切换按钮，在屏幕上，供工程师操作。
5 结语
该项目于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，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。
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