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　　1、引言
　　
　　目前，國內(nèi)大型的造紙廠對紙張定量水分的控制系統(tǒng)的策略是進(jìn)口關(guān)鍵單元，如定量水分傳感器和變送器、掃描架、控制器、關(guān)鍵的機(jī)械部件等，控制部分用國內(nèi)的技術(shù)及裝置，組成完整的品控生產(chǎn)線，即滿足了控制要求，而且節(jié)省了半數(shù)的投資。在本項(xiàng)目控制系統(tǒng)中，選用工控計(jì)算機(jī)作為操作站和工程師站，選用西門子s7-300PLC作為主站和從站，網(wǎng)絡(luò)通訊采用以太網(wǎng)和Profibus現(xiàn)場總線?？刂撇呗圆捎弥悄茴A(yù)測控制。
　　
　　2、系統(tǒng)組成
　　
　　掃描架帶動定量和水分變送器在線檢測，檢測信號在計(jì)算機(jī)內(nèi)通過數(shù)字濾波計(jì)算出定量水分的平均值，用定量閥控制紙張的絕干定量，用烘缸蒸汽壓力給定值控制紙業(yè)水分，此過程是通過目標(biāo)值和反饋控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)主要組成部分如圖1所示。
　　
　　2.1掃描架部分
　　
　　掃描架選用impact公司的b/m傳感器變送器及相應(yīng)的o形掃描架系統(tǒng)掃描架和定量水分信號通過tcp/ip協(xié)議和os站交換數(shù)據(jù)。impact公司的掃描架系統(tǒng)可以方便的對定量水分控制進(jìn)行擴(kuò)充，如檢測和控制紙張的厚度、灰分、白度、平滑度、橫向分布等。此控制系統(tǒng)引進(jìn)傳感器型號如下：o型掃描架1880mm（1880mmadvantagepluso-framescanner）；單邊掃描架1880mm（1880mmsinglesidedframe）；定量傳感器－钷147（basicweightsensor-pm147）；水分傳感器-鎢136（basicmoisturesensor-w136）；輕觸式厚度傳感器（lighttouchair-bearingcalipersenor）。
　　
　　2.2fcs（現(xiàn)場控制站）功能設(shè)計(jì)
　　
　?。?）與變送器、執(zhí)行器一起構(gòu)成具有自動調(diào)節(jié)能力的控制站。
　　
　?。?）對現(xiàn)場送來的信號進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換，變成計(jì)算機(jī)能處理的信號。
　　
　?。?）把輸出信號轉(zhuǎn)化成現(xiàn)場執(zhí)行器的控制信號。
　　
　?。?）具有相應(yīng)的擴(kuò)展輸入/輸出（i/o）模塊，可完成輸入/輸出處理。
　　
　?。?）具有與監(jiān)控操作站（os/oe）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的接口。
　　
　?。?）具備一個主控制板，能執(zhí)行設(shè)定好的控制算法。
　　
　　（7）通過profibus-dp現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)與從站和os進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？紤]到系統(tǒng)性能和性價比，可編程控制器采用西門子s7-300plc。其特點(diǎn)是：模塊化、易于擴(kuò)展、通信穩(wěn)定、運(yùn)行可靠。s7具有開放性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適應(yīng)于windowsnt/2000和windowsxp標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)支持dde/opc，可通過以太網(wǎng)與企業(yè)上位信息管理系統(tǒng)連為一體。通過profibus-dp現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)i/o與控制器功能處理分散，可進(jìn)行遠(yuǎn)程擴(kuò)展，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性和可操作性。可以通過計(jì)算機(jī)或觸摸屏設(shè)定各個控制及連鎖邏輯控制回路的控制周期及掃描周期。plc與os站的通訊接口模塊采用cp340。
　　
　　2.3硬件配置
　　
　　根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用s7-300系列的plc來進(jìn)行組態(tài)。對于控制系統(tǒng)的plc，首先，由于控制系統(tǒng)的i/o點(diǎn)數(shù)（本系統(tǒng)為110個點(diǎn)）不多，程序量不大，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所需存儲器容量（存儲器容量（kb）=（1.1～1.25）×（di×10+do×5+ai/a0×100）/1024），根據(jù)存儲器容量大小選擇主控模塊為cpu314即可。
　　
　　供電模塊：10a的ps307；中央處理器（cpu）：選用cpu314；模擬信號輸入：所有的現(xiàn)場參數(shù)，由各自的變送器進(jìn)行檢測，通過相應(yīng)的變送器轉(zhuǎn)換為4～20ma的標(biāo)準(zhǔn)信號與plc系統(tǒng)的模擬量輸入通道連接。選用模塊為sm331/ai8（2塊）；開關(guān)量輸入：主要是一些控制按鈕、急停按鈕、限位開關(guān)、行程開關(guān)等，選用sm321di16（2塊）；模擬信號輸出4～20ma的調(diào)節(jié)信號通過d/a模塊輸出，完成各回路中的調(diào)節(jié)器的控制。閥門采用氣動調(diào)節(jié)閥，通過電氣閥門定位器接受4～20ma電流調(diào)節(jié)信號。選用模塊為sm332/ao8（2塊）；開關(guān)信號輸出：包括一些運(yùn)行狀態(tài)顯示、報警等。選用模塊為sm322/do32（1塊）；通訊模塊：選用r485接口的cp340（1塊）。為了保證控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，在信號的采集和控制通道中充分采用系統(tǒng)隔離技術(shù)。所有現(xiàn)場傳感器信號通過隔離器或配電器進(jìn)入plc的模擬信號采集通道，所有現(xiàn)場的開關(guān)信號及閥門的控制信號采用中間繼電器隔離。
　　
　　2.4系統(tǒng)控制回路
　　
　?。?）上漿濃度控制回路
　　
　　影響定量的只要因素是進(jìn)入沖漿泵的紙漿濃度和流量，濃度通過濃度的自動控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。
　　
　?。?）上漿流量控制回路
　　
　　將流量計(jì)和相應(yīng)的控制閥安裝在沖漿泵的入口的管道上，實(shí)現(xiàn)對上漿流量的控制。根據(jù)一定的定量控制算法，改變流量設(shè)計(jì)值的大小。定量閥采用btg公司的，流量計(jì)采用橫河ae215mg-as2-pnj-ain/br/sct。
　　
　?。?）蒸汽壓力控制回路
　　
　　本系統(tǒng)為三段供汽方式的8缸紙機(jī)，采用分段控制方式。分別對施膠前烘缸組（2缸）和施膠后烘缸組（6缸）壓力進(jìn)行順序控制和定值控制，實(shí)現(xiàn)紙張水分的控制。
　　
　?。?）定量水分測控系統(tǒng)
　　
　　定量和水分儀的探頭安裝在o型掃描架上，隨掃描架的來回移動對紙張連續(xù)掃描檢測，檢測信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。并在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時顯示定量水分橫向分布圖和和縱向趨勢圖。與此同時計(jì)算機(jī)通過檢測值和設(shè)定值之間的偏差根據(jù)一定的控制算法發(fā)出控制信號，分別調(diào)節(jié)定量閥和烘缸蒸汽閥，使定量水分保持相對穩(wěn)定。
　　
　　（5）紙機(jī)車速顯示和調(diào)節(jié)
　　
　　從紙機(jī)傳動部變頻器和增量式編碼器組成車速的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并把車速信號傳輸給計(jì)算機(jī)顯示，通過檢測信號和設(shè)定信號之間的偏差發(fā)出調(diào)節(jié)控制信號，保持車速穩(wěn)定。
　　
　　2.5os站（操作員站）的功能設(shè)計(jì)
　　
　?。?）組態(tài)設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、監(jiān)控和控制操作。
　　
　　（2）與現(xiàn)場控制站連接通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分散控制。
　　
　?。?）完善的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，進(jìn)行工控軟件的二次開發(fā)，提供人機(jī)監(jiān)控操作界面。為保證控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在信號的采集和控制通道采用系統(tǒng)隔離技術(shù)，傳感器信號通過隔離器進(jìn)入PLC的模擬信號采集模塊，所有邏輯信號和閥門控制信號采用施奈德中間繼電器隔離，保證控制系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表的*隔離。該控制系統(tǒng)所有的壓力、流量、液位、濃度、溫度等信號以動態(tài)的形式在計(jì)算機(jī)上顯示。系統(tǒng)的各個控制參數(shù)、工藝參數(shù)及生成的數(shù)據(jù)庫自動的存貯在計(jì)算機(jī)中，便于實(shí)時查詢。
　　
　　3、系統(tǒng)控制策略
　　
　　紙張生產(chǎn)過程中，定量和灰分的調(diào)節(jié)是一個大時滯、大慣性、強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜控制過程。傳統(tǒng)的pid很難對其進(jìn)行有效的控制。本系統(tǒng)利用智能控制策略結(jié)合pid控制很好的解決了紙張定量和水分的控制。
　　
　　3.1系統(tǒng)功能
　　
　　系統(tǒng)具有定量和水分的測量及控制，橫向定量曲線的輸出，絕干漿流量控制。plc根據(jù)定量水分的設(shè)定值和檢測值之間的偏差，按一定的控制規(guī)律發(fā)出控制信號，分別調(diào)節(jié)定量閥的開度和和烘缸蒸汽壓力的大小，保持定量水分的穩(wěn)定。
　　
　?。?）調(diào)漿箱上漿濃度的自動檢測和控制，克服了中濃漿濃度的變化對紙張定量的影響。
　　
　　（2）烘干部烘缸汽壓的自動檢測和調(diào)整，克服了外來汽壓的波動對紙張水分的影響。
　　
　?。?）crt顯示紙張定量水分的工況數(shù)據(jù)歷史記錄。根據(jù)紙張定量水分的設(shè)定值和測量值之間的差值，控制漿流閥的大小和及蒸汽壓力閥的動作，保正產(chǎn)出高質(zhì)量的紙張。
　　
　?。?）根據(jù)工藝，通過電腦鍵盤設(shè)定控制參數(shù)和設(shè)定值。
　　
　?。?）系統(tǒng)操作規(guī)范有手動和自動兩種方式，可根據(jù)需要自動切換。
　　
　　紙張定量的控制特性表現(xiàn)為滯后時間長、時間常數(shù)較短、測量值離散度較大。紙張水分的特性表現(xiàn)為時間常數(shù)大、易受干擾。在紙張生產(chǎn)過程中定量水分的控制存在著強(qiáng)耦合特性，因此要想達(dá)到理想的控制效果，就必須對定量水分的控制回路進(jìn)行解耦，把紙張定量水分的控制回路分離開消除它們之間的相互影響?？刂品桨溉鐖D2所示?？刂栖浖ǎ嚎v向定量水分控制軟件，絕干漿控制軟件，烘缸控制軟件。　　
　　3.3軟件設(shè)計(jì)
　　
　?。?）設(shè)計(jì)平臺：控制系統(tǒng)在windowsxp環(huán)境下運(yùn)行，編程軟件為stpe7v5.4，組態(tài)軟件用wincc。為方便操作人員操作，所有微機(jī)操作都是用鼠標(biāo)，畫面切換、各參數(shù)設(shè)定都采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊畫面上的按鈕來實(shí)現(xiàn)，所有的操作界面都使用漢語。畫面直觀、易懂、操作方便。系統(tǒng)用Profibus總線與下位s7-300PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，下位s7-300通過cp340通訊模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使系統(tǒng)的軟件和硬件組成一個完整的系統(tǒng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。（2）人機(jī)界面：操作站上的人機(jī)界面有以下畫面組成。
　　
　　各參數(shù)（紙張定量、水分、厚度、灰分等）信號橫向顯示，設(shè)5s畫面更新一次；
　　
　　各參數(shù)（定量、水分、厚度、車速、流量、濃度、壓力閥門開度等）歷史趨勢記錄，設(shè)2秒鐘更新周期。
　　
　　實(shí)時、動態(tài)、直觀的顯示各控制點(diǎn)的工藝流程。
　　
　　報警畫面：操作員用鼠標(biāo)點(diǎn)擊報警按鈕，就會切換到報警畫面，操作員可直觀的看到報警信號的工位號、報警類型、注釋、報警時間和當(dāng)前值（實(shí)時更新），點(diǎn)擊報警項(xiàng)就會切換到報警工號對應(yīng)的操作界面，操作員可進(jìn)行相應(yīng)的修改。所有的報警可通過復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位。
　　
　　歷史報告畫面：可以查詢操作人員的操作記錄和操作的詳細(xì)時間，包括程控系統(tǒng)的啟停、各參修改前和修改后的值等控制參數(shù)和工況參數(shù)設(shè)定界面。可存貯1年的歷史數(shù)據(jù)庫。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　目前國內(nèi)紙張質(zhì)量控制系統(tǒng)通過進(jìn)口國外關(guān)鍵設(shè)備結(jié)合國內(nèi)的技術(shù)和裝置可以達(dá)到國外成套設(shè)備的控制精度與控制效率。從而開創(chuàng)了一種性能/價格比*的qcs模式。