基于PROFIBUS和PLC的碱回收蒸发控制系统

ＰＲＯＦＩＢＵＳ符合困际标准ＩＥＣ ６１ １５８ 和欧洲标准ＥＮＥＮ ５０１７０，目前已在加．Ｉ二 制造、过程控制自动化等领域得到广泛 应用。在设计岳阳丰利造纸厂碱回收蒸 发控制系统中，成功运用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ
５６ ｆ嘭芝县明·冶金电气·２００９年第２８卷第８期
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现场总线技术，并取得了良好的效果。
计算机仿真寻优是通过给定一个激励电流的
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阶跃信号，黑液液位呈ｓ形的上升曲线，可以用
一个惯性加时滞的模型来近似描述这一系统，传
日（ｓ）２万ｊ莆丽（２） 递函数为
ｒ△一％５
在额定范围内，电流的平均值与黑液液位可 以看成是正比的，可以根据控制系统的阶跃响应 来估算系统的时问常数％、％、疋选用目标函数，
口＝ｆ ｅ ｄｔ，并以口值最小为目标寻优。由于
ＪＯ
系统模型Ｈ（ｓ）是一个近似模趔，实测估算的％、 正，、兄等参数误差也较大，因此上述寻优仅是估 算比例、积分和微分参数的范围，还需要通过现 场整定以确定参数的最佳值。
现场整定是通过在控制面板上增加三个参数 调节数字按钮（ＢＣＤ码），利用ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ口对 ＢＣＤ码进行译码，转换为相应的比例、积分和微 分参数。在实际使ｊ｛Ｊ中，ＰＬＣ程序还根据前一次 误差ｅ（ｋ）的大小和正负、△ｅ（后）的大小和正负， 对比例、积分参数进行自适应校正，以达到最佳 的控制效果。在本控制系统中，为了防止执行机 构的频繁动作而造成的小幅振荡，在ＳＦＢ ４１ “ＣＯＮＴ Ｃ”模块中，设置死区宽度ＤＥＡＤＢ—ｗ， 建立带死区特性的ＰＩＤ控制，有效地解决了调节 阀执行机构频繁动作的问题。
４．系统组态 按照现场工艺要求，设计了蒸发工段、燃烧 工段和苛化一Ｉ：段三个操作员站，主站采用两门子 的ｓ７—３００，ＰＬＣ通过西门子ｃＰ３４２—５通信模块 与其他主站相连，通过其ＣＰＵ上集成的ＰＲＯＦＩ－ Ｂｕｓ—ＤＰ接口连接若干个远程Ｉ／０从站。ＩＰＣ采 用台湾研华公司的工控机，并通过西门子ＣＰ５６１１ 通信适配卡与ＰＲＯＦｌＢＵＳ现场总线相连。 主站与从站之间采用主从协议（Ｍａｓｔｅｒ／ Ｓｌａｖｅ），主站对总线有控制权，从站只是响应一个 主站的请求，从站对总线没有控制权。主、从站交 换数据，其过程是周期性的，操作主站与从站速率 设置为１．５ Ｍｂｉｔ／ｓ，满足了系统实时性要求”１。 燃烧工段，苛化工段主机架配备有通信处理 模块ＣＰ３４２－－５，它们均作为蒸发工段的ＤＰ从站。 ｃＰ３４２—５周期性地与ＤＰ主站进行数据传输，输
１）现场级监控层 现场级ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ与 现场智能设备直接连接，是蒸发控制系统的最基 层。现场级采用ＰＬＣ分布式控制系统，主从站结 构；主站选用Ｓｉｍａｔｉｃ ｓ７—３００，从站选用ＥＴ２００Ｍ 分布式Ｉ／Ｏ，工控机用Ｓｉｍａｔｉｃ ＳＴＥＰ＇／完成主站和 从站的网络配置，硬件组态和程序编制，组成了 一个典型的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－－ＤＰ控制网络。现场级监 控层的主要功能是对现场各种输入没备进行分析 处理，如现场各种变送器、智能仪表及开关量等， 完成现场设备监视及控制。从站还配备Ｓｉｍａｔｉｃ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ触摸屏，现场操作人员可以方便地进行参 数没置和在线修改，实现监控功能。
王树东 高敬更 靳 雷 赵丽峰 迟洋李志红／兰州理工大学电气工程 与信息工程学院
王树东／教授
关键蒲－］／Ｋｅｙｗｏｒｄｓ 碱回收· 蒸发· ＰＬＣ·
ＰＲｏＦｌＢＵｓ·
现场总线是近年来迅速发展起来的 一种数据通信总线，是过程控制和仪器 仪表行业的最新技术，它是一种全开放， 全分散，全数字，多点通信的最先进控 制网络。目前，现场总线主要有ＣＡＮ、 ＰＲＯＦＩＢＵＳ和ＬｏｎＷｏｒｋｓ等多种形式。由 于ＰＲＯＦＩＢＵＳ传输效率高，并具有良好 的开放性和故障诊断功能，故选用ＰＲＯ— ＦＩＢＵＳ现场总线。ＰＲＯＦＩＢＵＳ采用令牌 传送存取协泌，町连接３２个站点（不 带中继器），最多可连接１２７个站点 （带中继器），最高传输速率可达 １２Ｍｂｉｔ／ｓ，根据其传输技术分为三个类 型：ＰＲＯＦＩＢＵＳ－－ＤＰ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ－－ＦＭＳ 和ＰＲＯＦＩＢｕｓ—ＰＡ。具体为：①ＰＲＯＦＩ－ Ｂｕｓ—ＤＰ应Ｊｆｊ于现场级，适用于自动控 制系统与现场没备之间的实时通信，它 采用ＲＳ４８５传输技术。②ＰＲＯＦＩＢＵＳ－－ ＦＭＳ适用于车Ｉ＇ｕ】级，它采用ＲＳ４８５传输 技术。③ＰＲＯＦＩＢＵｓ—ＰＡ应用于过程自 动化没计，采用ＩＥＣ １ １５８—２传输 技术…。
２）车间级监控层 车间级监控层通常要没屯 车间凋度室，有操作员站及打印设备等。操作员 站配置ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信号ＣＰ５６１ｌ，作为二级主站 连入ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络。应用ＷｉｎＣＣ组态软件 完成对现场设备的组态和动态连接，将现场情况 以形象直观的动态画面显示在操作员站，实现实 时监控功能。操作员站计算机向下通过现场总线 （ＰＲＯＦＩＢＵＳ）与主站ＰＩ。ｃ相连，对主站进行控制， 向上通过交换机接入－丁：业以太网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）与厂 调度中心计算机相连，进行数据传输。
电气控制Ｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ
基于Ｐ ＲＯ Ｆ ＩＢ ＵＳ和Ｐ ＬＣ的碱回收 蒸发控制系统
根据岳阳丰利造纸厂碱回收蒸发控制系统的工艺和控 制要求。简述了ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线的特点及应用，设计 了基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ由可编程控制器（ＰＬＣ）和工业控制 计算机（ＩＰＣ）构成的集散控制系统（ＤＣＳ）。运行表明 该系统调节准确。稳定了黑液浓度。降低了能耗。
基于ＰＲＯＦＩＢＵ￥和ＰＬＣ的碱网收蒸发控制系统
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｈ＇ｏｌ Ｉ电气控制
入信息放入ＤＰ输入区，ＤＰ输出区的信息被发出。 ＤＰ主站与ＤＰ从站之间的数据交换是靠ＤＰ接口中 的接收缓冲区与发送缓冲区来完成的。ＤＰ主站启 动数据交换，将数据传出，并将ＤＰ从站数据取 回。在ＰＬＣ程序设计中，把需要传输的数据放入 ＤＢ数据块，应用ＳＴＥＰ？软件中“ＡＧ—ＳＥＮＤ”和 “ＡＧ—ＲＥｌＣＶ”模块可实现三站之间数据的发送 和接收。在通信时应注意收发双方数据的地址分 配以及通信速率的匹配。因为传输距离较远，根 据现场调试，把通信速率设置为１９．２ Ｋｂｉｔ／ｓ，如 果过高，数据可能会发生紊乱，另外还需注意数 据地址的合理分配。燃烧工段，苛化工段上位机 ＰＣ通过ＣＰ ５６ｌ １通信卡及其驱动程序与ＰＩ。ｃ通 信，采用密码通信与校验，避免信号干扰。
３．控制系统软件设计 系统编程软件采用Ｓｉｍａｔｉｅ公司的ＳＴＥＰ７ Ｖ５．４ 版本，主要完成系统的保护、数据采集和控制等 功能＂。。采用结构法编制控制程序，将复杂的任 务分解成独立的小任务，由相应的程序块来执行； 主程序编写在组织块中，通过组织块（ＯＢ）、功 能块（ＦＢ、ＦＣ）、系统功能块（ＳＦＢ、ＳＦＣ）和数 字块（ＤＢ）等模块之间的调用，实现系统的数据 采集和过程控制等。根据工艺的特点和技术要求， 对温度、压力和流量等模拟量信号，编写了采样 子程序、加权平均子程序和量程转换子程序等。 黑液浓度控制足碱同收蒸发１：段的最终控制 指标，维持黑液浓度恒定是保证燃烧工段正常进 行的首要条件。针对黑液液位难以控制的特点， 对黑液液位控制编写了控制子程序。常规ＰＩＤ控 制器的控制量算法以下面的差分方程给出，如下
图１ 碱回收蒸发工段工艺图
控制系统结构设计 １．系统基本构成 根据蒸发控制系统的工艺和技术要求，
基Ｊ二ＰＲＯＦＩＢＵＳ和ＰＬＣ的碱回收燕发控制系统
Ｉ电气控制 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ
采．｝｛ｊ基于ＰＲＯＦｌＢｕＳ—ＤＰ和ＰＬＣ的控制系统，如 图２所示。
图２控制系统结构图
ＰＲＯＦＩＢＵＳ－－ＤＰ本质足一种控制网络，涉及 从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输 过程，按照分层管理和管控分开的原则，将蒸发 控制系统分为以下三个部分¨１：
２００９年４月下－冶金电气·嘭三量调 Nhomakorabea ５７电气控制ｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ
量输出模块ＳＭ３２２。 ２）人机界面操作站操作员站选用研华公司
的Ｔ：业控制计算机，其规格为ＩＰｃ一６１０／Ｐ４ ３．ＯＧ／ ５１２Ｍ／８０Ｇ光驱／软驱／键盘／鼠标，其性能稳定、 可靠、性价比高，操作员站可以控制现场所有没 备，所有现场设备的工作状况也可以从操作员站 观测到。从站配备的西门子触摸屏（Ｓｉｍａｔｌｃ Ｆｌｅｘｉ－ ｂｌｅ ＴＰ２７０—６）主要实现对控制系统各工艺参数的 检测与控制。
蒸发控制系统生产工艺简介 蒸发站采用五体五效板管式布置，黑
液蒸发过程包含三个基本工艺流程，即蒸 气流程、黑液流程和冷凝水流程（如图１ 所示）。蒸发站的蒸气流程为外网来新鲜 蒸气依次进入Ｉ一Ⅱ一Ⅲ一Ⅳ一Ｖ效，未 效的二次蒸气经冷凝后生成冷凝水排出； 不凝气体由真空泉排出。蒸发站的黑液流 程为伞逆流流程，即稀黑液依次进入Ｖ＿＋ Ⅳ＿＋Ⅲ一半浓黑液槽一Ⅱ一Ｉ效进行闪 蒸，最后从Ｉ效浓黑液闪蒸罐出的浓黑液 送浓黑液槽贮存。其与蒸气流程反向而 行，这样随着黑液浓度的提高，蒸发温度 也提高，可减缓黑液粘度的增加。这样既 町节约蒸气消耗，又在一定程度上缓解黑 液结垢问题。Ｉ效排出的冷凝水为清冷凝 水，鲐闪蒸罐闪蒸后送其他ｊｒ段使用，其 他各效排出的冷凝水都为污冷凝水，送污 水处理．Ｉ：段进行处理。
ｗｗｗ．ｅａｇｅ．ＣＯｒｎ．ｃｎ
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３）厂调度中心层设置在厂调度中心的监控 计算机作为客户机，采用Ｃ／Ｓ结构通过ＴＣＰ／ＩＰ网
络协议访问服务器，远程 实时监控现场的生产情 况，对现场数据进行处 理，根据需要实现统一管 理和调度，并定期打印数 据报表。
本系统设计了两层网 络连接，第一层网络为 Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，遵循网络协议 实现客户机和服务器之间 的双向通信，其传输速度 为１００ Ｍｂｉｔ／ｓ；第二层网 络为ＰＲＯＦｌｌ３ｕｓ——ＤＰ，实 现主站与从站与之间通信，通信速率为 １．５ Ｍｂｉｔ／ｓ，最大传输距离为４００ ｍ。使蒸发控制 系统通信网络具有ＰＲＯＦＩＢｕｓ—ＤＰ高速数据传送 和Ｅｔｈｅｒｎｅｔ向企业管理层拓扑便利的优点。 ２．控制系统硬件设计 本系统是针对２００Ｔ／Ｄ麦草制浆碱【口Ｊ收蒸发控 制系统设计，主要由以下几部分组成： １）控制单元 系统选用两门子ＰＩ．Ｃ Ｓ７—３００ 作为主控制器（主站点），燃烧工段站和苛化工段 站选用ＣＰＵ３１５—２ＤＰ作为过程控制的中心控制单 元，它集成了ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线接Ｉ Ｊ装置， 直接挂接于ＰＲＯＦＩＢＵＳ－－ＤＰ网络。燃烧工段站数 据量大，选用ＣＰＵ３１５－－２ＰＮ／ＤＰ，它除了集成有１ 个ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ口外，还有一ＰＮ口通过交换机 与工业以太网相连接。这两种ＣＰＵ没有安装集成 的装载存储器，使用时必须插入微存储卡（ＭＭＣ） 用于保存用户程序和数据。三个主站均使用了 ＥＴ２００Ｍ远程Ｉ／Ｏ模块，分别作为智能从站用来控 制现场的各种阀门¨。。 在整个控制系统中，需要控制与检测的变量 有：２５点模拟量输入（ＡＩ）；４４点模拟量输出 （ＡＯ）；５８点数字量输入（ＤＩ）；４９点数字量输出 （ＤＯ）。因此，工程应用中选用４块８点模拟量输 人模块ＳＭ３３１，６块８点模拟量输出模块ＳＭ３３２， ４块１６点数字量输入模块ＳＭ３２１，４块１６点数字