基于 DCS 的造纸自动化控制系统的设计与实现

基于DCS 的造纸自动化控制系统的设计与实现

美卓集团总部在芬兰，是全球领先的工程技术公司。业务涵盖矿山、建筑、能源、金属回收、纸浆和造纸等行业。

一、工艺流程

工程核心设备是芬兰Metso 提供的在线双面涂布超压高速纸机，没有传统工艺的混合浆池，利用混合器使浆料在管道中直接混合，大大缩短了更换纸种所需的时间，提高了纸机的生产效率。

1.浆料流送装置是造纸机的起始部分，习惯上称之为流浆箱或网前箱。

2.网部的主要作用是将悬浮液浆流进行大量脱水，并使之成形具有一定湿强度的湿纸页。纸幅在网部的成形决定了纸张成品的重要性。

3.在压榨部采用直通式双道靴型压榨，大大提高了纸页的脱水率和紧度。

4.干燥部是上烘缸下真空辊的结构，加入了纸幅稳定器用以解决高速纸机的纸幅跳边现象。前干燥部有一套在线清洗设备，保证了纸机的运行效率。

5.施胶部的目的主要是使纸和纸板具有抗拒液体（特别是水和水溶液）扩散和渗透的能力，以适宜于书写或防潮抗湿，施胶剂是松香胶料。

6.超压部分也叫超级压光机，是由3~10个辊筒垂直安装在机架上组成的。提高纸页的平滑度、紧度和光泽度，并使纸页全幅厚薄均匀。

7.传感器的使用：在施胶部之前有一个扫描架，安装了定量、水分和厚度传感器。施胶部之后是第二个扫描架，安装了定量与水分传感器。卷曲机构安装了第三个扫描架，有定量、厚度、水分、颜色、光泽度传感器。

此外，该纸机还装备了Metso公司的Sensodec6S 纸机状态及运行性能检测系统、KajaaniRMi 流着率分析系统、QCS质量控制系统、WMS断纸检测系统和WIS纸幅侦测系统，它们都属于造纸控制系统的组成部分。现在开始着重讲它的集散控制系统DCS。

二、DCS—美卓MetsoDNA

MetsoDNA（Dynamic Network Architecture）是美卓自动化开发的一套DCS 系统，它基于一个树型或者环型拓扑结构的冗余以太网络，将操作管理装置和下面的分散过程控制装置整合到一个平台。

1.ACN

MetsoDNA 控制系统的核心设备是ACN 控制器，基于X86 系列CPU，运行在Linux 系统下，应用程序包括操作系统本身都是在控制器启动的时候从一台名为备份站的主机上读取的。因此，控制器不需要物理硬盘作为数据存储介质。这样就可以降低故障率，方便管理。

特性：

(1). 高处理能力（支持最多5000 个普通I/O、支持控制周期最快到20ms）

(2). 支持多种通讯协议（Profibus、DP/PA、ASi、Foundation Fieldbus 等）

(3). 4个PCI 扩展槽(4). 散热好(5). 自诊断(6). 减震

ACN 控制器前面板有一系列状态指示灯，它们分别是24V 电源、5V 电源、温度报警、硬盘读写状态、控制器运行状态、控制器待机状态、过程总线1 和2 的通讯状态、现场总线1和2的通讯状态。在前面板盖板打开后，可以看到电源开关以及可拆卸的散热风扇空气过滤系统。带硬盘的ACN控制器还装有紧凑型的DVD 光盘驱动器。

ACN 控制器后面板配置了一系列的接口，它们分别是：

(1)鼠标/键盘PS2 接口

(2)双USB 通用串行总线接口

(3)显示器VGA 信号接口

(4) 24V 直流电源接口

(5) 扩展的以太网卡接口（和主板集成的网口形成冗余结构）

(6) PMM 个性化定义模块(Personality Module for MetsoDNA)

(7) 双RS-232 串行接口

ACN-PO 是在ACN-RT 的基础上加入了硬盘，装有WindowsXP操作系统，主要用于备份站、操作站、报警站等需要运行较复杂软件或进行数据存储的场合。ACN-C20 是一款紧凑型的ACN-RT，为I/O 点数较少，处理能力要求不高的场合提供了一个更经济的选择。ACN 控制器能够兼容Profibus、FF、ASi、Hart 等多种制浆造纸过程控制常用的现场总线协议。

2. I/O 卡件的选择

MetsoACN I/O（简称MIO）是美卓新一代I/O 产品，它由IPS 供电模块、IBC 总线控制器以及各种类型的I/O 单元组成。

I/O 具有以下特性：

(1)最快到20ms 的控制周期

(2)更精确的模拟量输入输出

(3)支持HART 协议

(4)1ms 事件顺序纪录(SOE)

(5)支持信号仿真

(6)支持热插拔

(7)可进行自我诊断

(8)更高的封装密度

ACN 控制器通过以太网连入总线中任意一个IBC 即可完成总线连接。为增加安全性，IPS 与IBC 也可以冗余使用。

(1)模拟量输入模块

AI8H 是一个8通道的模拟量输入模块用以检测电流信号，并支持HART 协议。它可以检测0/4-20mA的电流信号，并且每个通道都能独立地为变送器提供带电流限位功能的供电模块。它还具有低通滤波和数字滤波的能力，并能检测线路短路或断路。

(2)模拟量输出模块

(3)数字量输入模块

(4)数字量输出模块

3.用户界面

MetsoDNA 的操作站DNAuse 可以使用ACN-PO 工作站作为主机，运行环境为WindowsXP 操作系统，并支持多个显示器。

4. 网络拓扑结构设计

MetsoDNA 系统在网络拓扑结构上有树形和环形结构可供选择。

快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）：STP/RSTP 的基本原理是，通过在交换机之间传递一种特殊的协议报文（也被称作“配置消息”）来确定网络的拓扑结构。

RSTP 定义了三种端口状态：丢弃（discarding ）、学习（learning ）和转发（forwarding）。

A: 网络处于正常状态。

B: 交换机1 和3 之间的连接中断，交换机3 开通预先保留的通路至交换机2。

C: 交换机3 和交换机1 与2 的连接都中断了，交换机5678 开通预先保留的通路至交换机4。

环形拓扑结构Turbo Ring，它在很大程度上优化了通信冗余功能，并且保证网络的恢复时间更短，让数据的传输获得更高保障。当环网中的某个分支和其余网络断开的时候，Turbo Ring 协议能自动重新调整环网，将之前的保留路径开启来恢复通讯，所以断开的网络能和其他网络重新建立连接。

三、软件工程环境

MetsoDNA 系统的程序设计与管理功能都集中在EAS 工程师站。MetsoDNA 系统的程序都储存在工程师站的数据库里，对这个数据库进行浏览和操作的软件是DNAexplorer。

MetsoDNA 的软件编写环境是一个基于AutoCAD 软件的名为FbCAD 的程序。它在AutoCAD 的基础上，加入了各种模块库。用户在编写程序的时候调用模块库中的各种功能模块，并进行合理的设置与组合，建立起一个符合设计要求的逻辑关系，并通过这种图形化、模块化的编程环境完成程序设计。