摘 要：針對(duì)堿回收蒸發(fā)工段的DCS的控制要求，介紹了一套適合該工段的基于ProfiBus-DP與Ethernet的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)安全保護(hù)設(shè)計(jì)。它們的實(shí)現(xiàn)為在堿回收蒸發(fā)工段中實(shí)施常規(guī)PID控制及復(fù)雜的智能控制提供了良好的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：蒸發(fā)工段;ProfiBus ;Ethernet（工業(yè)以太網(wǎng)）;通信 1 前言 　　造紙工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。目前，堿法制漿是國內(nèi)外造紙工業(yè)普遍采用的制漿方法，而堿回收是現(xiàn)代堿法制漿的重要組成部分。堿回收能為堿法制漿工廠提供蒸煮用堿，從而達(dá)到節(jié)能、降耗及保護(hù)環(huán)境的目的。由于越來越多的自動(dòng)化設(shè)備如傳感器、PLC等被應(yīng)用到造紙工業(yè)控制，因此，數(shù)據(jù)流高速傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)就成為電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)的一個(gè)必不可少的組成部分。 2 堿回收黑液蒸發(fā)過程控制策略 　　堿回收包括蒸發(fā)工段、燃燒工段及苛化工段。其中蒸發(fā)工段是將制漿車間送來的黑液通過多效蒸發(fā)器蒸發(fā)成燃燒工段所需的高濃度黑液，其蒸發(fā)的好壞直接影響燃燒工段濃黑液的燃燒效果，因而蒸發(fā)工段是堿回收系統(tǒng)的一個(gè)重要工段[1,2]。 　　堿回收蒸發(fā)工段的主要控制目標(biāo)是穩(wěn)定濃黑液的濃度和降低蒸汽的消耗，必須著重控制下列參數(shù)：進(jìn)效稀黑液的濃度和流量;進(jìn)效新鮮蒸汽的壓力和流量;出效濃黑液的濃度;末效的二次蒸汽的真空度;出效黑液及冷卻水液位;冷凝器清水的溫度等。 　　針對(duì)蒸發(fā)工段過程參數(shù)多和控制回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，為了達(dá)到可靠、靈活的控制要求，對(duì)其控制適宜采用DCS，即集散控制系統(tǒng)[3]。 3 系統(tǒng)硬件組態(tài) 　　硬件設(shè)備選取時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)堿回收蒸發(fā)工段的工藝要求和廠方提供的技術(shù)資料，確定監(jiān)控AI、AO、DI、DO信號(hào)數(shù)量，從而合理配置系統(tǒng)的IO模塊單元，同時(shí)配置DCS系統(tǒng)所需的主控單元、電源模塊、操作站、工程師站、監(jiān)控站、通信網(wǎng)絡(luò)、打印機(jī)和UPS電源等。 　　根據(jù)蒸發(fā)工段控制要求及被控信號(hào)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的DCS系統(tǒng)其硬件主要包括：主控單元（包括CPU、100M以太卡和DP主站卡等）、電源模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、ProfiBus-DP重復(fù)器、端子模塊等。 4 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 　　DCS系統(tǒng)通過硬件（包括控制器及I/O模塊）采集并處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)。為了將獲得的這些數(shù)據(jù)用于上位機(jī)顯示及參與控制調(diào)節(jié)，需要對(duì)這些用于采集數(shù)據(jù)的硬件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。 　　在目前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信中，常用的主要為ProfiBus現(xiàn)場總線和Ethernet（工業(yè)以太網(wǎng)）。 　　4.1 ProfiBus現(xiàn)場總線技術(shù) 　　ProfiBus現(xiàn)場總線技術(shù)是由德國Siemens等13家公司和5家研究所聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范。ProfiBus包括同一類、可互兼容的3個(gè)變種，即ProfiBus—FMS、PA、DP以適應(yīng)不同領(lǐng)域的要求[4]。ProfiBus—FMS（現(xiàn)場總線技術(shù)信息規(guī)范）的設(shè)計(jì)旨在解決車間監(jiān)控級(jí)通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù);ProfiBus—PA（過程自動(dòng)化）的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的ProfiBus—DP協(xié)議，并描述了現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī)，適用于過程自動(dòng)化;ProfiBus—DP（分散型外圍設(shè)備）用于現(xiàn)場層高速數(shù)據(jù)傳送。 　　4.2 Ethernet（工業(yè)以太網(wǎng)） 　　隨著Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全面的無縫信息集成。由于具有相同的通信協(xié)議，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT（信息技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)，并能在同一總線上運(yùn)行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或基礎(chǔ)構(gòu)架。 　　4.3 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選取 　　根據(jù)蒸發(fā)工段的工藝及對(duì)其進(jìn)行靈活、可靠的控制要求，并考慮企業(yè)今后發(fā)展對(duì)生產(chǎn)管理信息化的需要，在我們的設(shè)計(jì)中將ProfiBus現(xiàn)場總線和Ethernet結(jié)合運(yùn)用到蒸發(fā)工段通信網(wǎng)絡(luò)中，并對(duì)主要的硬件采用冗余配置，其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中企業(yè)管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)企業(yè)未來管理的需要方便地進(jìn)行拓?fù)洹? [align=center] 圖1 蒸發(fā)工段DCS通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　ProfiBus-DP為開放的系統(tǒng)協(xié)議，其傳輸速率為9.6Kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為100m，1.5Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長至10km，傳輸介質(zhì)可采用雙絞線。輸入輸出模塊掛接在ProfiBus-DP線上，實(shí)現(xiàn)與控制柜主控單元進(jìn)行信息傳輸。 　　主控單元內(nèi)置CPU、100M以太卡和DP主站卡等，完成ProfiBus和Ethernet的數(shù)據(jù)交換。 　　上位機(jī)（主/冗余服務(wù)器）通過100M Ethernet及100M冗余 Ethernet采用TCP/IP協(xié)議與控制柜的主控單元進(jìn)行信息傳輸，即將上位機(jī)發(fā)出的操作指令發(fā)向控制站，同時(shí)將現(xiàn)場采集來的信息發(fā)給上位機(jī)。傳輸速度為100Mbps的以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢。 　　這樣，ProfiBus-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主控單元與現(xiàn)場I/O單元的數(shù)據(jù)傳遞;Ethernet用于上位機(jī)及主控單元之間的信息傳遞。因此，通過上位機(jī)（主/從服務(wù)器及監(jiān)視器）和控制柜的主控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，并使蒸發(fā)工段的通信網(wǎng)絡(luò)兼具了ProfiBus-DP高速數(shù)據(jù)傳送和Ethernet向企業(yè)管理層拓?fù)浔憷膬?yōu)點(diǎn)。 5 軟件組態(tài) 　　系統(tǒng)的軟件組態(tài)及設(shè)置主要通過Helishi公司的ConMaker （控制器）軟件和FacView（人機(jī)界面）軟件實(shí)現(xiàn)。 　　ConMaker是用于開發(fā)控制方案的開發(fā)平臺(tái)。根據(jù)蒸發(fā)工段的工藝控制要求，我們編寫了MACS_PRG主程序及相關(guān)子程序。子程序主要包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、I/O模塊定義、常規(guī)PID控制算法、智能PID控制算法和主蒸汽流量控制等子程序。 　　利用FacView編輯可完成監(jiān)視器顯示所需的現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控頁面。整個(gè)蒸發(fā)工段包括的頁面有：主菜單、蒸發(fā)工段I、蒸發(fā)工段II、硬件配置圖、系統(tǒng)狀態(tài)圖、硬件報(bào)警、工藝報(bào)警、報(bào)警禁止、模擬量趨勢、對(duì)比趨勢、操作日志、報(bào)表輸出等。 　　其后，便利用FacView通過標(biāo)簽變量與ConMaker建立聯(lián)系，從而建立了基于SmartPro—FacView的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。 6 系統(tǒng)安全保護(hù)設(shè)計(jì) 　　為了保證蒸發(fā)工段安全、可靠地運(yùn)行，我們?cè)诎踩Ｗo(hù)環(huán)節(jié)除了采用權(quán)限設(shè)置等軟件保護(hù)，還進(jìn)行了系統(tǒng)硬件機(jī)械保護(hù)設(shè)計(jì)。因此，即使當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，蒸發(fā)工段仍保持在安全的控制狀態(tài)。 　　系統(tǒng)安全保護(hù)設(shè)計(jì)主要包括：（1）通信電纜屏蔽：采用了通信電纜屏蔽設(shè)計(jì)，解決了 ProfiBus-DP通訊不暢的問題。另外在實(shí)際施工中，盡量使 ProfiBus-DP電纜遠(yuǎn)離強(qiáng)電區(qū)，以避免電磁干擾;（2）有效的隔離設(shè)計(jì)：所有的IO單元都采用可靠的光電隔離技術(shù)，使各單元之間和單元與上位機(jī)之間的CPU無任何電氣聯(lián)系，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力、可靠性和安全性。在同一單元的不同通道間也提供了隔離措施，以消除由于現(xiàn)場地電位差對(duì)系統(tǒng)造成的損壞;（3）全面冗余設(shè)計(jì)：對(duì)主要的硬件部分，如控制器、Ethernet網(wǎng)絡(luò)都采用冗余配置，當(dāng)連續(xù)執(zhí)行的診斷檢測到重要硬件部分故障時(shí)，自動(dòng)切換到備用部分同時(shí)將報(bào)警信息傳送到操作站上報(bào)警。冗余配置的設(shè)備主要有：控制器（CPU）及其配套卡件、通信網(wǎng)絡(luò)、供電單元和I/O卡件等。 7 結(jié)束語 　　通過現(xiàn)場調(diào)試，基于ProfiBus-DP與Ethernet的通信網(wǎng)絡(luò)的堿回收蒸發(fā)工段集散控制系統(tǒng)于2002年起先后在山東、河南等多家造紙廠運(yùn)行投入使用。運(yùn)行結(jié)果表明基于ProfiBus-DP與Ethernet的通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，為在堿回收蒸發(fā)工段中實(shí)施常規(guī)PID控制及先進(jìn)的智能控制提供了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 王孟效, 孫瑜, 湯偉.制漿造紙過程測控系統(tǒng)及工程 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003 　　[2] 張珂, 俞正千.麥草漿堿回收技術(shù)指南[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,1999 　　[3] 楊寧, 趙玉剛.集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003 　　[4] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999