1、引言
　　
　　目前，國(guó)內(nèi)大型的造紙廠(chǎng)對(duì)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(guó)內(nèi)的技術(shù)及裝置，組成完整的品控生產(chǎn)線(xiàn)，即滿(mǎn)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(mén)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(chǎng)總線(xiàn)?？刂撇呗圆捎弥悄茴A(yù)測(cè)控制。
　　
　　2、系統(tǒng)組成
　　
　　掃描架帶動(dòng)定量和水分變送器在線(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)在計(jì)算機(jī)內(nèi)通過(guò)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(guò)程是通過(guò)目標(biāo)值和反饋控制系統(tǒng)來(lái)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(hào)通過(guò)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(duì)定量水分控制進(jìn)行擴(kuò)充，如檢測(cè)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(hào)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(chǎng)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(dòng)調(diào)節(jié)能力的控制站。
　　
　　（2）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換，變成計(jì)算機(jī)能處理的信號(hào)。
　　
　?。?）把輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器的控制信號(hào)。
　　
　?。?）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。
　　
　　（5）具有與監(jiān)控操作站（os/oe）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的接口。
　　
　　（6）具備一個(gè)主控制板，能執(zhí)行設(shè)定好的控制算法。
　　
　　（7）通過(guò)profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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?xún)r(jià)比，可編程控制器采用西門(mén)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(kāi)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(guò)以太網(wǎng)與企業(yè)上位信息管理系統(tǒng)連為一體。通過(guò)profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)計(jì)算機(jī)或觸摸屏設(shè)定各個(gè)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(lái)進(jìn)行組態(tài)。對(duì)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(gè)點(diǎn)）不多，程序量不大，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所需存儲(chǔ)器容量（存儲(chǔ)器容量（kb）=（1.1～1.25）×（di×10+do×5+ai/a0×100）/1024），根據(jù)存儲(chǔ)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(hào)輸入：所有的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，由各自的變送器進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)相應(yīng)的變送器轉(zhuǎn)換為4～20ma的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(kāi)關(guān)量輸入：主要是一些控制按鈕、急停按鈕、限位開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等，選用sm321di16（2塊）；模擬信號(hào)輸出4～20ma的調(diào)節(jié)信號(hào)通過(guò)d/a模塊輸出，完成各回路中的調(diào)節(jié)器的控制。閥門(mén)采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)電氣閥門(mén)定位器接受4～20ma電流調(diào)節(jié)信號(hào)。選用模塊為sm332/ao8（2塊）；開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出：包括一些運(yùn)行狀態(tài)顯示、報(bào)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(hào)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(chǎng)傳感器信號(hào)通過(guò)隔離器或配電器進(jìn)入plc的模擬信號(hào)采集通道，所有現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)及閥門(mén)的控制信號(hào)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(guò)濃度的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)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(duì)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。
　　
　　（3）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(duì)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(cè)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(lái)回移動(dòng)對(duì)紙張連續(xù)掃描檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)通過(guò)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(shí)顯示定量水分橫向分布圖和和縱向趨勢(shì)圖。與此同時(shí)計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)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(hào)，分別調(diào)節(jié)定量閥和烘缸蒸汽閥，使定量水分保持相對(duì)穩(wěn)定。
　　
　?。?）紙機(jī)車(chē)速顯示和調(diào)節(jié)
　　
　　從紙機(jī)傳動(dòng)部變頻器和增量式編碼器組成車(chē)速的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并把車(chē)速信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)顯示，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)和設(shè)定信號(hào)之間的偏差發(fā)出調(diào)節(jié)控制信號(hào)，保持車(chē)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(chǎng)控制站連接通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分散控制。
　　
　?。?）*的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，進(jìn)行工控軟件的二次開(kāi)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(hào)的采集和控制通道采用系統(tǒng)隔離技術(shù)，傳感器信號(hào)通過(guò)隔離器進(jìn)入PLC的模擬信號(hào)采集模塊，所有邏輯信號(hào)和閥門(mén)控制信號(hào)采用施奈德中間繼電器隔離，保證控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)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(hào)以動(dòng)態(tài)的形式在計(jì)算機(jī)上顯示。系統(tǒng)的各個(gè)控制參數(shù)、工藝參數(shù)及生成的數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)的存貯在計(jì)算機(jī)中，便于實(shí)時(shí)查詢(xún)。
　　
　　3、系統(tǒng)控制策略
　　
　　紙張生產(chǎn)過(guò)程中，定量和灰分的調(diào)節(jié)是一個(gè)大時(shí)滯、大慣性、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性的復(fù)雜控制過(guò)程。傳統(tǒng)的pid很難對(duì)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(cè)量及控制，橫向定量曲線(xiàn)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(cè)值之間的偏差，按一定的控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，分別調(diào)節(jié)定量閥的開(kāi)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(dòng)檢測(cè)和控制，克服了中濃漿濃度的變化對(duì)紙張定量的影響。
　　
　?。?）烘干部烘缸汽壓的自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)整，克服了外來(lái)汽壓的波動(dòng)對(duì)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(cè)量值之間的差值，控制漿流閥的大小和及蒸汽壓力閥的動(dòng)作，保正產(chǎn)出高質(zhì)量的紙張。
　　
　?。?）根據(jù)工藝，通過(guò)電腦鍵盤(pán)設(shè)定控制參數(shù)和設(shè)定值。
　　
　　（5）系統(tǒng)操作規(guī)范有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，可根據(jù)需要自動(dòng)切換。
　　
　　紙張定量的控制特性表現(xiàn)為滯后時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)間常數(shù)較短、測(cè)量值離散度較大。紙張水分的特性表現(xiàn)為時(shí)間常數(shù)大、易受干擾。在紙張生產(chǎn)過(guò)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(duì)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(kāi)消除它們之間的相互影響?？刂品桨溉鐖D2所示。控制軟件包括：縱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)
　　
　　（1）設(shè)計(jì)平臺(tái)：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(huà)面切換、各參數(shù)設(shè)定都采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊畫(huà)面上的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，所有的操作界面都使用漢語(yǔ)。畫(huà)面直觀、易懂、操作方便。系統(tǒng)用Profibus總線(xiàn)與下位s7-300PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，下位s7-300通過(guò)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(gè)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(huà)面組成。
　　
　　各參數(shù)（紙張定量、水分、厚度、灰分等）信號(hào)橫向顯示，設(shè)5s畫(huà)面更新一次；
　　
　　各參數(shù)（定量、水分、厚度、車(chē)速、流量、濃度、壓力閥門(mén)開(kāi)度等）歷史趨勢(shì)記錄，設(shè)2秒鐘更新周期。
　　
　　實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、直觀的顯示各控制點(diǎn)的工藝流程。
　　
　　報(bào)警畫(huà)面：操作員用鼠標(biāo)點(diǎn)擊報(bào)警按鈕，就會(huì)切換到報(bào)警畫(huà)面，操作員可直觀的看到報(bào)警信號(hào)的工位號(hào)、報(bào)警類(lèi)型、注釋、報(bào)警時(shí)間和當(dāng)前值（實(shí)時(shí)更新），點(diǎn)擊報(bào)警項(xiàng)就會(huì)切換到報(bào)警工號(hào)對(duì)應(yīng)的操作界面，操作員可進(jìn)行相應(yīng)的修改。所有的報(bào)警可通過(guò)復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位。
　　
　　歷史報(bào)告畫(huà)面：可以查詢(xún)操作人員的操作記錄和操作的詳細(xì)時(shí)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?？纱尜A1年的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　
　　4、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　目前國(guó)內(nèi)紙張質(zhì)量控制系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)口國(guó)外關(guān)鍵設(shè)備結(jié)合國(guó)內(nèi)的技術(shù)和裝置可以達(dá)到國(guó)外成套設(shè)備的控制精度與控制效率。從而開(kāi)創(chuàng)了一種性能/價(jià)格比*的qcs模式。