集散控制系统课程设计

1、2020年4月19日集散控制系统课程设计文档仅供参考，不当之处，请联系改正。 基于DCS制浆造纸纸浆浓度控制方案设计摘要 集散控制系统经过不断地改进和发展，在工业生产过程中有了很大的应用，其中的霍尼韦尔控制系统是其中的一种。本设计方案主要从以下几个方面介绍了集散控制系统在造纸行业中制浆造纸纸浆浓度控制中的应用，首先介绍了霍尼韦尔集散控制系统的发展前景和在工业控制中的优越性，充分利用霍尼韦尔系统的高效益，分散控制，集中管理的的特点对造纸中的纸浆浓度进行控制；其次介绍了现代造纸业的工作流程和集散控制系统在其中的体现，经过分析了解整个过程，从而对造纸业的DCS系统有了初步的认识。纸浆浓度是造纸过程中

2、最重要的物理量之一。纸浆浓度特别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,因此在制浆造纸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，在浓度控制设计中，分析控制其数学模型对于以后的仿真和原理说明是很重要的，其中整个控制的控制策略的设计我们采用了专家PID控制算法进行对浓度的控制；最后，我们介绍了霍尼韦尔控制系统在造纸行业中的连接方式，对用到的现场总线，控制器，以及其中所用到的主要检测仪表进行了简单的介绍和选型。关键词： DCS 纸浆浓度 PID控制 检测仪表目录第一章：发展背景第二章：Honeywell Experion PK

3、S系统设备的介绍第三：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四：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五：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六：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第七章：计算机监控系统心得体会参考文献.第一章：发展背景 随着人民生活水平的提高，随着生活水平的提高,造纸行业的发展更是日新月异。从现场操作到采用DCS控制,从靠工人的经验判断纸张质量的好坏到用QCS来控制产品质量,从靠工人的眼睛来判断

4、纸张外观纸病到在线WSI,这些技术的发展带来造纸行业的变革,使造纸无论从质量还是从产量上都是有了质的飞跃。集散控制系统，在造纸行业的应用十分广泛。这不但是因为它具有集中显示、分散控制的传统优点，而且随着计算机技术的发展，现在的DCS系统已经是一个可供数据融合的系统平台。它具有的开放性、兼容性、扩展性、各种信息化、人性化的功能不但能够提供高品质的过程控制，而且为工厂管理、企业信息自动化建设提供了坚实可靠的基础。近十年来，中国造纸工业的技术及装备有了很大进步，纸浆浓度是造纸过程中最重要的物理量之一.纸浆浓度特别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

5、此重要,因此在制浆造纸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。造纸工业是一个技术密集型行业，集散控制系统在造纸上的广泛应用，更会在生产数据的采集、处理和共享上为造纸业的信息化发展提供基础和动力。 第二章：Honeywell Experion PKS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Microsoft Windows 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

6、，平台与Honeywell其它系统完全兼容，也与其它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；支持医药和其它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。EPKS霍尼韦尔控制系统的集散控制系统包括：1：分散过程控制装置主要包括C200 过程控制器，C300 过程控制器，输入输出子系统，现场总线设备。其中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

7、组成,完成对过程的控制、与过程 I/O 接口的通信,经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。另外控制站还能够具有复杂控制功能,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

8、保护等。2：操作和管理装置主要包括服务器，操作站，数字视频管理站DVM，应用控制环境，等。3：通信系统：EPKS霍尼韦尔控制系统主要采用分层结构，第零层是现场总线层，现场总线仪表和设备经现场总线连接到现场总线接口模块FIM。第一层是将控制器和现场总线接口模块模块连接到第一层的交换机。第二层是具有高可靠性和高可用性，用于监视来自生产过程的信息。第三层被连接到具有交换机功能的路由器，它与第二层交换机相连。另外还有，DMZ层，商业网络层，容错以太网，以及ControlNet现场总线。第三章：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

9、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 。其系统框图如下（如课本图）：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

10、、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D

11、CS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经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，

12、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，经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。 第四：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

13、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.HYPERLINK t _blank打浆； c.加胶与充填。 3.抄造过程HYPERLINK t _blank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HYPERLINK t _blank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

14、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。 第五章：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

15、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,大多数都能够在工作点附近用线性方程来近似,有的还能够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。纸浆浓度特别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

16、起着决定性的影响.正是因为纸浆浓度如此重要,因此在制浆造纸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,一般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示式为： 式(1)中，k为对象增益，T为惯性时间

17、， 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。第六章：霍尼韦尔控制系统连接示意图（一）基于总线的连接示意图（三）各个现场检测仪表的简介采用美国 Ho

18、neywell 公司的 Experion PKS 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 Experion PKS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，Dvice Net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，能够

19、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。3：ControlNet现场总线设备的连接ControlNet通信模块用于连接控制器到ControlNet网络，其中现场设备经过输入输出ControlNet现场总线进行并行挂接到现场总线上，它是一种设备级现场总线，基于生产者/消费者模式的，可重复的，高度的确定性网络。以太

20、网接口模块用于服务器和控制处理器之间的数据通信，过程管理I/O接口模块IOLM提供与过程管理器I/O进行连接的接口，把过程管理器的输入输出集成到PKS系统，另外还有，串联通信接口模块SIM，Profibus接口模块PBIM，ACE等。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,因此网络经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，经过控制网络 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

21、,分别称为 A 口和 B 口,T 型头一端经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、造纸厂常见仪表（1）常见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，温差式水分仪常见纸浆液位测量仪表：法兰式差压液位计、电容式液位计常见纸浆调节阀：隔膜阀、球阀（O型或V型）常见浓度测量仪表：动刀式浓度变送器，静刀式、光电式浓度变送器、旋转式常见纸浆流量仪表：电磁流量计、蒸汽流量仪表、差压流量计纸页定量测量仪表：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

22、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1.94m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1.94m的波段的吸收峰较大，而被测纸页的纤维对1.82.0m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：选用射线作为射源，因为它比射线和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dPRC2/3/5：经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）

23、PsC3/5：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MRC7/PRC7：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）LRC4/6/8：经过调节冷凝水排放，控制液位，保证冷凝水良好的闪蒸和防止泵空吸MRC12/PRC12：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）WRC14：纸页定量控制信号去纸机冲浆泵流量控制器（给定值）TenR7：卷曲张力检测记录监控车速TIC3：熔硫贮槽温度控制，防止过热粘稠、过冷结晶（温度高

24、，阀门3关小）BPRC2：浓黒液浓度控制黒液密度与其密度的有关PRC1：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EwRC11A：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PRC7：经过调节排气量，控制网前箱压力，与LRC6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）VIC8/9/10：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LRC1：控制进抄前池的浆料流量，保证液位稳定CRC2：控制稀释水量，保证浆料浓度稳定FRC4：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

25、4，减小纸浆流量）(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420mA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

26、否能够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,浆不流动依然有浓度信号.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0.51.5m/s,进口静刀上限才能达到0.55m/s,而动刀这一性能指标可达0.25m/s。4)静刀在高温强腐蚀环境无法使用;而动刀则能够使用；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；第七章：计算机监控系统 集散控制系统的监控系统指集散控

27、制系统的人机交互系统。监控系统的主要设备是操作站，工程师站，历史数据站等。也包括一些服务器和上位管理站。对于各种显示类型，可从区域到单元，到组，到细目进行逐级细分，用户可从中了解过程的全局，局部知道各细节。分层结构使画面系统系统化，在过程操作时，操作人员能从全局的了解向局部深化，在故障处理时，有利于操作员从局部的故障处理转向全局的处理。其中操作画面的分层结构包括区域显示，单元显示，组显示，细目显示。操作画面又包括概貌显示画面，过程显示画面，仪表面板显示画面，操作点显示画面，趋势显示画面，报警显示画面等监控画面。为了有效的进行操作和管理，集散控制系统的操作画面采用分层结构。集散控制系统一般提供各种画面显示信息，既包括图形信息，也包括文字信息，一些集散控制系统还提供多媒体信息，例如声光和视频信息等。为了生产过程的监控、操作和控制，用户需要绘制有关的操作画面：如概貌显示画面、过程显示画面、仪表面板显示画面、操作