基于西门子PLC造纸生产自动控制系统的应用

随着造纸生产工艺和设备的不断进步，对造纸生产自动控制的要求越来越高，也使厂家对这方面越来越重视，如何更好地选择和切合实际地配置性能价格比最高的自动控制系统，已突出地摆在各生产厂家面前。造纸生产的自动控制，过去只集中在电气传动方面，现在的范围己扩大到打浆控制系统、配浆控制系统、上浆流送控制系统、纸机干燥部多段通气控制系统（热泵控制）和水分定量检测等方面，即通常说的DCS过程控制系统和QCS质量检测系统，正朝着整厂集中控制的方向发展。
一．电气传动传动系统
　　近些年电气传动系统普遍采用国外控制装置以来，传动系统的稳速精度、动态响应和可靠性等方面得到了大大的提高，尤其是交流变频控制装置的推广，使生产厂家得到了很大的益处，使长期困扰厂家的国产模拟控制装置的诸多问题有了根本性的改变，提高了生产效益。目前传动系统己由最初的模拟设定向全数字网络通讯的方向过度，后者分辨率更高、控制更精确，同时，作为整厂集中控制系统的一部分，便于与其它有关部分通过数据网络的联接，正因如此，一些通讯功能弱的或通讯协议开放性差的控制器的市场份额逐步在下降，而一些著名品牌高档次的控制器正越来越多地得到应用。本公司长期从事造纸行业的自动化工程项目，自1994年首台1760/300文化纸机全数字电气传动系统在广宁人民造纸厂投产成功以来，采用西门子公司先进技术，成功地开发出不同的控制系统，形成了较完整的产品系列。在板纸等较厚纸种的生产线上，如车速在150m／min以下，我们通常选用西门子公司MDV型变频器、西门子公司S7-200型PLC，采用USS数据通讯协议。这种配置最大的特点是结构简单、经济实用。在车速150m／min以上的纸机或薄页纸、特种纸生产线上，我们通常选用西门子公司6SE70工程型变频器、西门子公司S7-200或S7-300型PLC，采用USS数据通讯协议。这种配置的特点是结构简单、控制精度较高。在较大型纸机或用户对电气传动系统的组网能力和配置水准要求较高时，我们选用代表目前先进水平的西门子公司6SE70程型变频器、西门子57－400型PLC，采用PROFIBUS-DP现场数据总线网络的方式进行通讯，这种配置的主要特点是通讯速率高，达12MB/s，系统的容量大，现场数据总线可接127个站。
二．整厂集成控制系统
　　随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的迅速发展，人们对工业自动化过程控制系统提出了更高的要求，面对的三大主要问题是系统各层次之间的数据交换量迅速增大、系统中现场总线技术的融合与提高、安全可靠的软件。PCS就是在这种形势下开发的新一代过程控制系统，它是在西门子公司TELEPER M系列集散系统及S5、S7系列PLC的基础上，面向整个生产过程的过程控制系统。西门子公司推出的PCS7控制系统使用SIMATIC PCS7软件及SIEMENS S7系列硬件组成完整的、统一的工厂自动化系统。是基于全全集成自动化思想的新一代过程控制系统。
　　1. 控制结构及通讯网络：整厂集成控制系统一般分为过程控制级、自动化级和现场级。
　　过程控制级
　　过程控制级采用高性能的PC机，采用标准软件和网络可实现过程诊断、过程监视、控制及全厂信息管理。用标准的显示和操作窗口，可显示各生产环节的画面及图表。调用所有操作参数及设备参数进行修改和调整，所有数据随时可以拷贝存档,该系统是完全开放的。
　　自动化级
　　自动化级均采用装有单处理器或多处理器的CPU，自动化级与过程控制级的通讯由SIMATIC NET INDUSTRIA ETHERNET工业以太网实现。该网络系统可接入1024个站点，速率为10MB/S。与现场级的通讯由SIMATIC NET PROFIBUS-DP通讯网络实现，速率可达12MB/S，系统可接127个站。
　　现场级
　　在现场级，主要有三类标准的系统产品连接在现场总线上。现场操作面板OP27、OP25、TP27等。操作面板OP27、OP25、TP27等适合于分散的，与设备相关的控制和监视。不同的传动和传动组均可有标准的图形显示及相同的操作步骤。交流变频器等控制装置。6SE70、6RA70作为电机的驱动和控制单元，具有相同的性能、有清晰的硬件结构，清楚明了的运行和故障诊断方式。远程智能化接口 SIMMIC S7 ET200 。ET200M I／O系列提供了各种电压和保护等级的数字、模拟I／O单元，可以集中放置，也可以分散安装在现场，其它的传 感器和执行机构可以直接连接在此开放式的总线结构中。
　　PROFIBUS现场总线
　　PROFIBUS用于现场控制及检测采集单元的数据交换。PROFIBUS现场总线是基于国际标准EN50170的开放的现场总线，采用令牌调度原理进行数据通讯，主要包括最高波特率可达12M的高速总线PROFIBUS-DP（H2）和用于过程的本安型低速总线 PROFIBUS一PA（H1）。DP和PA的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线。PROFIBUS既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆。大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。值得注意的是，目前在纸机电气传动系统中，国外似乎己毫无例外的采用PROFIBUS-DP现场数据总线网络的方式进行通讯，无疑，这将是今后应用得最广泛的，因为它是可靠性和安全性都较完善的现场实时控制网络，但受到价格等诸因素的影响，中、小型纸机应用较少。
　　2．操作系统及软件
　　SIMATIC全集成自动化系统目前可以为所有的自动化应用提供统一的技术环境，主要是：统一的数据管理，统一的通讯协议，统一的组态和编程软件。 SIMATIC PCS采用WinCC作为上位机的监控软件，操作系统用Windows NT4.0，通讯网络是采用工业以太网和PROFIBUS现场总线。工业以太网用于系统站之间的数据通讯，PROFIBUS网用于I/O站的通讯。SIMATIC PCS采用符合IEC-1131-3国际标准的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作，缩短工程周期。SIMATIC PCS7具ODBC、OLE等标准接口，并且应用以太网、PROFIBUS现场总线等开放网络，从而具有很强的开放性。可以很容易地连接上位机管理系统和其它厂商的控制系统。在服务器上，操作系统用Windows NT 4.0 控制软件采用 SIMATIC WINCC控制系统。 SIMATIC WINCC是SIMATIC全集成自动化的一个重要组成部分，对于我们来说，可以将组态过程中的符号表连接到WINCC的变量中，也可以将有关控制器的控制信息在WINCC的系统中直接体现。SIMATIC WINCC控制系统的特点：SIMATIC WINCC在较短的时间内，发展成为世界范围内最成功的HMI/SCADA系统之一。即Windows Control Center（视窗控制中心）它是第一个使用32位技术的过程监控系统。它抢先式多任务的特点适合于对过程事件的快速反应。WINCC的开放性和可扩充性是其最显著的特点，开放性主要体现在软件方面： a.集成了标准的数据库接口，ODBC/SQL。当厂家在全厂建立起信息数据管理系统时，生产现场的数据可以通过数据库接口与全厂信息数据管理系统连接。b.提供了标准的OPC、工业ActiveX接口。通过接口，其它的应用程序可集成到过程画面上，并与WINCC交换相关的数据，WINCC控制系统中集成了 OPC接口，用于连接其它符合OPC规范的控制器驱动程序，所以，WINCC理论上可以支持所有控制器。 c.提供了标准的API编程接日，程序工程师可以使用其它编程语言，通过API接口访问WINCC以交换数据。WINCC的基本功能：
　　图形系统：通过组态，可构成丰富多彩的动态参数控制画面。
　　趋势归档：生产工艺过程中出现的事件和事故分析及趋势均可记录在WINCC中。
　　信息报警：WINCC捕捉过程信息和本地事件，将这些内容归在档案库中，并在需要时有选择的提取它们，或直接转移到相关的过程画面上。
　　生产报表：WINCC提供了一套报表系统，可方便地产生黑白和彩色的生产报表；
　　三．本公司在造纸行业PCS系统的应用
　　本公司近年来在西门子公司PCS7系统基础上开发的整厂集成控制系统，根据实际情况，采用多重CPU的控制结构，较好地解决了系统的快速性和安全性的问题，使整厂集成控制系统局域化，既作到了集中管理，又分散和加强了局域控制能力，在运行过程中取得了很好的效果。
　　以山东在平造纸厂干法纸机为例：
　　1．系统控制结构：本系统采用PCS7体系控制结构，从上至下，为三层网络结构：过程控制级、自动化级、和现场控制级。现场控制级带9个现场操作站与7个显示终端，分别显示及控制局部区域的过程参数。按整机控制系统的要求，系统分九个部分的内容：
　　1）主传动控制系统
　　2）温度控制系统
　　3）压力控制系统
　　4）张力控制系统
　　5）湿度控制
　　6）断纸检测
　　7）喷胶控制
　　8）辅传动控制系统
　　9）气路控制系统
　　2．系统的三个功能级
　　现场控制级：
　　1）本级由9个SIEMENS S7型PLC与7个显示终端及若干变频控制器、智能过程控制仪、张力传感器、湿度传感器、压力传感器、光电传感器及变送器等组成。
　　2)功能强大、使用方便。PLC、智能过程控制器等根据设备现场的布局，采用分布式布局，就地实时响应生产过程事件，极大地减少了现场至控制室的电缆联线，使生产过程控制局部化、模块化，不仅提高了系统的性能，使风险系数降低，而且又有利于系统的扩展与维护。
　　3)现场操作与显示终端(PWS）以动态图形(X-Y图形）实时显示生产数据，现场操作人员可通过触摸屏操作现场设备。
　　4)智能过程控制器等分别完成对诸如压力、温度等参数的自动控制。
　　5)PLC及智能过程控制仪、变送器通过现场控制网络、联接中心控制PLC、交换各种实时信息。
　　自动化控制级（中心控制级）:
　　1)本级由SIEMENS大型PLCS7－414组成。
　　2)运用PROFIBUS通讯协议构成先进的L2-DP现场总线网络。
　　3)作为整机的中心控制单元，控制主传动点的运行状态。
　　4)根据工艺要求完成各现场PLC所组成的子系统之间的协调控制。
　　5)接收现场PLC及智能过程控制站传送的实时信息。
　　6)通过生产管理网络联接生产管理级计算机传输各种生产数据。
　　7)执行生产管理级计算机的指令。判断并处理整机运行事件。
　　过程控制级：
　　1)本级由一台工业控制计算机组成。
　　2)系统使用SIMATIC PCS7软件，操作系统用 WindOWS NT 4．0，采用 WinCC作为上位机的监控软件。
　　3)通过过程控制网络，接受中心PLC的生产数据。
　　4)实时显示工艺流程控制点的过程参数。
　　5)监控整机运行状况，发现异常事件，作出提示、报警及处理命令。
　　6)调阅与修改控制参数。
　　7)远程切换工作状态。
　　8)故障诊断及报表打印。
　　9)保存生产报表及报警信息。
　　10)过程控制计算机可联入厂级经营管理网络，向经营管理网络传送各类生产数据及接受各类生产任务。
　　3．纸机主要控制点的控制方式：
　　a．主传动：
　　1)整机主传动指B201＃一B211＃。
　　2)其中B205＃成型辊电机暂未考虑。
　　3)采用西门子6SE70型全数字矢量型变频器作为驱动单元，旋转式光电编码器作为速度反馈单元，构成闭环控制。
　　4)现场操作台上的三台PWS和计算机界面均能显示其线速度、负荷等参数，并可根据工艺要求进行速度的设定和微调。
　　5)各分部速度给定采用链式给定方式，在保证各分部速差的基础上，实现同步控制。
　　6)B201#、B202＃两台送料电机与纤维分离传动电机D101＃联锁，D101＃电机未达额定值送料电机不能启动。
　　7)两台送料电机设手动一自动切换钮，手动状态独立起、停，联动状态交替运行。
　　8)两台送料电机的速度由定量检测仪输出信号控制。
　　b．热辊表面温度（TO1、T02、T22）：
　　1)采用红外温度传感器进行表面温度测量。通过智能温度控制仪控制可控硅无级调温装置，进而调节加热棒的电功率。
　　2)显示：现场与计算机界面显示。
　　3)设定：现场与计算机界面设定。
　　4)超限声光报警。
　　c.烘箱的风温控制(T03-06、T10一T17）：
　　1)采用温度传感器通过智能仪表控制电动调节阀V01-V03，进而控制进油量来调节温度。
　　2)显示：现场与计算机界面显示。
　　3)设定：现场与计算机界面设定。
　　4)超限声光报警。
　　d．热辊的压力控制（P02、P04、P07）：
　　1)在热辊两端安装压力传感器以检测线压。
　　2)通过控制仪表调节气动调节阀，实现气囊气压的恒定。
　　3)显示：现场与计算机界面显示。
　　4)设定：现场与计算机界面设定。
　　5)超限声光报警。
　　e．成型部真空压力(Y01一Y04）：
　　1)成型部下部安装真空压力传感器。
　　2)采用智能仪表调节电动阀门的开度，控制抽风量，来保持下部负压恒定。
　　3)显示：现场与计算机界面显示。
　　4)设定：现场与计算机界面设定。
　　5)超限报警。
　　f．张力控制：
　　1)整机纸页的张力控制设在卷取前。
　　2)通过张力变送器的信号，调节相关主传动的速度，保证纸页张力恒定。
　　3)显示：现场与计算机界面显示。
　　4)超限声光报警。
　　g．湿度控制：
　　1)成型部的湿度控制采用湿度控制仪表分段控制四路电磁阀的方式。
　　2)湿度现场与计算机界面显示。
　　h．喷胶控制：
　　1)喷胶流量控制采用流量控制仪调节电动阀门的方式。
　　2)喷胶气压手动控制。
　　3)流量电动闹与喷胶气阀同时打开。
　　4)电动阀关闭十秒后，气阀才关闭。
　　5)现场和计算机界面显示与设定。
　　4．计算机监控画面的设置：a．监控画面根据DCS系统画面的要求，在W．NT下编程制作。b．画面通过缩略方式突出工艺流程全过程。动电气系统元件的图形符号按国家标准设置。d．主传动点及重要的辅助传动点电机运行在线动态显示，红色为静止，绿色为运行（转动），单击可显示窗日，进行状态切换。e.用鼠标单击各主传动点，可激活相应的控制参数显示窗口，如速度、负荷等，显示设定值、实际值，并可修改设定。f．主传动点的参数棒图和数值显示。g．重要的电磁阀动态显示，红色为关闭，绿色为开启。h．电动阀门指示开度，单击可显示开度百分比。i．温度与压力检测点全部在线数字显示。控制点显示设定值、实际值，并可修改设定。j．张力控制点在线数字显示。k．断纸、断料检测点在线动态显示。断纸、断料时红块闪烁。l．胶液流量在线数字显示。m.胶料料罐低料位闪烁报警。n．温度和压力测量点的参数棒图和数字显示。o.电动机及电磁阀列方阵表格显示状态。P．环境温度、湿度和纸机运行速度在画面左下角列框显示。q．设寻查键，令画面动态锁定，以分析各参数瞬时状况。制浆造纸过程是一个复杂的工业过程，具有高度不确定性，非线性，关连性， 大滞后和状态不完全性。目前，国内造纸行业的自动化水平普遍不高，各厂家应从 生产过程的优化控制等底层自动化方面开始做起，在系统配置时，应充分考虑管理 信息系统的要求，注意系统的标准化和开放性，为企业的发展服务。