造纸碱回收分布式控制系统设计低压配电部分.docx

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造纸碱回收分布式控制系统设计低压配电部分

造纸碱回收分布式控制系统设计—低压配电部分

摘要

碱回收是现代造纸厂不可缺少的环节，蒸发过程是碱回收工序的第一步，蒸发工段将稀黑液蒸发、浓缩，送至燃烧工段，蒸发过程的出效黑液浓度直接影响整个碱回收车间的稳定运行。

因此稳定、高效的蒸发过程对于当今日益发展的造纸厂来说具有十分重要的意义。

为了确保蒸发过程稳定、高效，通过对电动机起动的控制，从而对电网的冲击变小，也改变了电动机的起动特性，提高了蒸发工段系统的稳定性。

本设计主要采用了直接起动控制、自耦减压起动和软启动。

根据电动机功率的大小来选择不同的起动方法。

并对碱回收车间采用DCS控制，实现了集中操作，分级管理，分而自治和综合协调功能，将纸厂生产的基础自动化、管理的基础自动化链接起来，形成生产和管理的网络化，实现科学化生产，提高经济效益。

因此，实现碱回收车间DCS系统网络化生产及管理智能化。

提高碱回收车间自动化控制水平和整个工厂的自动化管理水平，降低工人的劳动强度，改善工人的工作条件，保证安全、稳定地生产。

关键词：

碱回收，DCS控制系统，软启动

ThePapermakingAlkaliRecyclesOfTheDistributionalControlSystemDesign——TheLowVoltagePowerDistributionPartial

ABSTRACT

Thealkalirecyclingisthemodernpapermillessentiallink，theevaporationprocessisthealkalirecyclingworkingprocedurefirststep，evaporatestheconstructionsectiontoevaporate，theconcentrationthethinblackliquor，deliverstotheburningconstructionsection，theevaporationprocesstheeffectblackliquordensitydirectinfluenceentirealkalirecyclestheworkshopthestablemovement.Thereforestable，thehighlyeffectiveevaporationprocessregardingnowflourishesmoreandmoredailythepapermillsaidhastheextremelyvitalsignificance.Inordertoguaranteetheevaporationprocessstably，ishighlyeffective，throughcontrolwhichstartstotheelectricmotor，thustheimpactchangesslightlytotheelectricalnetwork，alsochangedtheelectricmotorstartingcharacteristic，enhancedevaporatedtheconstructionsectionsystemstabilityThisdesignhasmainlyusedthedirect-onstartingcontrol，fromthelotusrootreducedpressurestartingandthesoftstart.Choosesthedifferentstartingtechniqueaccordingtotheelectricmotorpowersize.AndrecyclestheworkshoptothealkalitousetheDCScontrol，hasrealizedthecentralismoperation，thelevel-to-leveladministration，dividesbutautonomousandthecomprehensivecoordinatedfunction，thepapermillproductionfoundationautomation，themanagementfoundationautomationlinks，formsnetworkwhichproducesandmanages，therealizationscientificstyleproduction，enhancestheeconomicefficiency.Therefore，therealizationalkalirecyclestheworkshopDCSsystemnetworkproductionandthemanagementintellectualization.Enhancesthealkalitorecycletheworkshopautomationcontrollevelandtheentirefactoryautomatedmanagementlevel，reducesworker'slaborintensity，improvesworker'sworkingcondition，guaranteedsafe，stablyproduces.

Keywords:

Thealkalirecycling，DCScontrolsystem，Softstart

1概述

1.1引言

碱回收控制技术的发展是随着工业自动化的发展、工艺设备的改进以及新技术的应用而发展的。

在国外碱回收控制技术的发展历史比较悠久。

最初的控制仪表是基地式的，其后逐渐发展为单元组合式，但这时自动化水平还处于低级阶段。

上个世纪六十年代中期，随着电子计算机的发展与普及，为碱回收控制技术的自动化提供了十分重要的技术手段。

在欧洲的大型纸浆厂碱回收工艺中已经出现用计算机代替模拟调节器的直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）和由计算机确定模拟调节器或DDC回路最优设定值的监督控制（SupervisoryComputerControl，SCC），但这时的控制策略还十分匮乏，使得现代控制理论一时难以应用碱回收复杂的工艺过程中。

在70年代中期，针对工业生产规模大、过程参数和控制回路多的特点，为了满足工业用计算机应具有高度可靠性和灵活性的要求，出现了一种分布式控制系统[1]（DistributedControlSystem，DCS），即集散控制系统.欧洲和北美也相续的把集散控制系统应用到碱回收过程中。

其后随着集散控制系统的换代在碱回收过程中也不断更新。

复杂控制算法在系统中也不断的加以应用。

自动化程度不断提供，操作员已经无须亲临工作现场，就可以掌握整个碱回收各设备的运行情况。

1.2DCS

集散型（分散型）[1]计算机控制系统（DistributedComputerControlSystem—DCCS）简称集散型（分散型）控制系统（DistributedControlSystem—DCS）。

DCS的实质质是利用计算机技术对生产过程进行监控、操作、管理和分散控制的一种新型的控制技术。

DCS是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、网络通信技术和人机接口技术相互发展渗透而产生的。

它吸收了分散型的仪表控制技术和集中式的计算机控制的优点。

具有显著的优越性和顽强的生命力。

自20世纪50年代第一台计算机应用于控制以来，开始由于计算机成本高，软件、硬件的功能差，可靠性不高，所以工业控制计算机未能迅速推广应用。

微型计算机技术及超大集成电路技术和通信网络技术发展，为计算机用于工业生产过程创造了良好的条件。

工业控制逐步地从单机控制、直接数字控制（DDC）、发展到集散控制系统（DCS）和计算机集成制造系统（CIMS）。

集散型控制系统（DCS）已广泛应用于过程控制，并延伸到大型的实验研究以及离散制造业。

而CIMS是在已有自动化技术基础上发展起来，并支持未来工厂自动化模式的新型工厂自动化系统，它把孤立的工厂局部自动化技术和子系统在新管理模式与工艺指导下的综合运用信息技术、自动化技术，并通过计算机及其支持软件而有机地综合起来，构成一个完整的系统，对生产过程的物流与管理过程的信息流和决策流进行有效的控制和协调，以适应新的竞争模式下市场对生产和管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和低成本的要求。

管理的集中性和控制的分散性，这一实际的需求推动了DCS的发展。

DCS的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致。

按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级、管理控制级和生产控制级，各级相互独立又相互联系，每一级又按水平分解成若干子集。

从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设备有不同的功能，如实时控制，实时监视和生产过程管理等；横向分散则意味着在同级的设备有类似的功能。

按照这种思想来设计集散型控制系统的硬件和软件，就要贯彻既集中又分散的原则。

集散控制系统其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。

集散控制系统概括起来有集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分。

管理部分又分为工程师站、操作站、管理计算机。

分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，通用于通信监测。

通信部分连接集散控制系统的各个分布部分，完成数据、指令及其它信息的传递。

集散型控制系统有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范、调试方便、运行安全可靠的特点。

它能够适应生产过程的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益。

1.2.1DCS的体系结构

DCS的体系结构通常为三级。

第一级为分散控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。

各级之间由通信网络联接，各级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系[2]。

（1）分散过程控制级

如图1-1所示[1]，此级是直接面向生产过程的，是DCS的基础，它直接完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，其过程输入信息是面向传感器的信号，如热电偶、热电阻、变送器及开关量等信号，其输出是驱动执行机构。

构成这一级的主要装备有:

现场控制站（工业控制机）；可编程序控制器（PLC）；智能调节器。

（2）集中操作监控级

这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。

这一级是面向操作员和控制系统工程师的，因而这一级配备有技术手段齐备，功能强的计算机系统及各类外部装置，特别是CRT显示器和键盘，以及需要较大存储容量的硬盘或软盘支持，另外还需要功能强大的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。

其具体组成包括:

监控计算机、工程师显示操作站和操作员显示操作站。

DCS的集中操作监控级主要是显示操作站，它完成显示、操作、记录、报告等功能。

它把过程参量的信息集中化，把各个现场配置的控制站中的数据进行收集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息，这就是它的显示操作功能。

显示操作站的另一功能是系统组态。

因此可进行控制系统的生成、组态。

图1-1DCS的体系结构

（3）综合信息管理级

这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理。

综合信息管理主要包括生产管理和经营管理。

1.2.2DCS的特点

对一个规模庞大、结构复杂、功能全面的现代化生产过程控制系统，首先按系统结构进行垂直方向分解成分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级。

各级相互独立又相互联系；然后对每一级按功能进行水平方向分成若干个子块。

与一般的计算机控制系统相比，DCS具有以下几个特点[1]：

（a）采用分级分布式控制，以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常规的过程控制，并且能进行复杂算式运算和顺序控制.这种基本控制器，采用固化的应用软件，在现场对输入、输出数据进行处理，减少了信息传输量，降低了对上级计算机，使系统的应用程序较为简单。

（b）采用物理上分散的结构，实现了真正的分散控制，在现场就地安装的基本控器.不但节省了电缆，同时减少传输线路对信号的干扰，并缩短了控制回路，加快了反应速度。

以微型机为核心的基本控制器的可靠性，一般要比中、小型工业控制机高，并且每台基本控制器只控制少量的回路，即使发生故障，影响面也比较小，因而从根本上改善了系统的可靠性。

（c）备有计算机与计算机之间的通信系统，高速数据通道提高了现代分时通信的技术，实现了综合控制。

通过高速数据通道，能将基本控制器和其他一些接有通信接口的设备与监控计算机联系起来，进行协商控制。

并且，利用监控计算机的运算能力，完成高级控制算式的运算，以实现整体的最优化运行控制，采用高速数据通道作为通信系统，不但大大减少系统布线，节省工程费用，而且使系统扩展容易，便于用户分担投资、逐步扩建。

（d）备用多功能CRT操作台作为集中型的人机接口，在CRT操作台上，可以存取并能以多种画而显示全部过程变量、控制变量及其他参数，以及直接操作远程基本控制器，实现了集中监视和集中操作。

（e）管理计算机通过高速数据通道，直接与过程连接，完成生产计划、管理、决策的最优化。

1.2.3DCS的展望

DCS是计算机控制系统发展到一定程度的产物，它极大地改变了生产过程自动化的面貌，而且正在以极快的速度发展着，计算机技术的发展与进步，网络技术的发展与进步，软件技术的发展与进步，管控一体化的要求使DCS的发展呈现出以下趋势[1]：

（1）开放性

DCS中所使用的设备将趋于通用的产品，专用的产品将越来越少，特别是计算机和网络，高性能的工业微机、工作站将被大量采用，通用网络产品也将逐步淘汰专用网络。

网络通信规约逐步向得到普遍承认的标准靠拢，以系统集成的方式构成应用系统的方法得到越来越多的应用。

（2）分散化和智能化

智能仪表、智能电子设备及现场总线技术将被大量采用，DCS的体系结构将进一步走向分散化，直接数字控制将深入到每一个控制回路、现场设备和工位，因此，现场总线网络的发展成为各厂一家注目的焦点。

（3）系统构成多样化

现在几乎己看不到传统意义上的DCS了，目前所说的DCS是一种广义的概念，其中包括了传统DCS厂家推出的新一代系统，也包括由PLC，高速总线网和专、LLT一家的组态软件所构成的系统。

在不同的应用领域.DCS的构成也各有不同。

（4）综合自动化

系统的发展逐步走向综合自动化，将来的任何系统都不是独立的，无法与其他系统互相通信并实现集成的DCS己不再有生命力。

1.3碱回收概述

1.3.1造纸工业黑液的危害

造纸工业废水排放量大，废水中含有大量的纤维素、木质素以及大量的化学药品等，耗氧量大，是世人所注目的污染源，它能引起整个水体污染和生态环境的严重破坏。

美国将造纸工业废水列为六大工业公害之一，日本列为五大工业公害之一。

据联合国环境组织估计，全世界造纸行业每年所排的废水超过274亿t，其中BODS（BiochemicalOxygenDemand，即生化需氧量）5854万t，SS594万t，硫化物100万t133[2]。

据中国轻工部的初步统计，目前我国约有近万家大大小小的造纸厂，遍布全国城乡各地。

尚无一家造纸厂的废水达到国家排放的标准。

我国造纸废水排放量大，每生产一吨成品纸，耗水400～600t，最高可达1000t，年排放总量为17亿t/a，仅次于化工、钢铁工业。

造纸废水污染严重，一个纸厂往往污染一条河流，严重的危害着人们的健康，已经引起社会的极大关注。

造纸工业废水主要包括蒸煮制浆废水（黑液）、洗浆废水（洗涤废水）、漂白废水和抄纸废水等四大类。

其中蒸煮黑液的环境污染最为严重，占整个造纸工业污染的90%。

目前国内外造纸工业普遍采用碱法制浆，蒸煮过程中产生大量的污染物，不仅极大地浪费了资源、能源，而且严重地污染了环境[3]。

1.3.2造纸工业黑液的处理

近几年来随着造纸工业的迅速发展，科学技术的不断进步，综合利用率的逐步提高，黑液的治理也取得了一定的进展。

目前，黑液的处理方法主要有:

①碱回收法；②酸洗法；③絮凝沉淀氧化法；④生物化学方法[2]。

目前，国内各大纸厂普遍采用碱回收法中的传统碱回收法，传统的碱回收技术采用:

浓缩——燃烧——苛化。

具体的是采用多效蒸发器将黑液浓缩，使其中有机物苛化，在高温下无机物变为熔融状态，冷却后形成绿液。

其主要成分为Na2C03，加入石灰苛化为NaOH后，再回用到纸浆生产工艺中去，从而达到回收碱并循环利用之目的[4]。

1.3.3实施碱回收的意义

碱回收系统从碱法制浆黑液中回收了碱和热能，并实现了工厂企业自身封闭循环使用，对于碱法制浆黑液还有其它的治理措施，但会有相应的副产品产生，存在运行成本和市场对其副产品需求变化的问题，因此碱回收对碱法制浆造纸企业而言是实现清洁生产、保护环境、废液进行厂内治理的重要组成部分。

碱回收能最经济有效地削减废液的污染负荷，大幅度提高资源回收利用率，再经过物化_生化法的综合处理就可使企业生产过程中的中段废水达标排放。

对造纸厂的黑液进行碱回收有以下好处[5]:

（1）环境效益:

黑液是纸厂主要污染源。

其中的固形物约有2/3是有机物，1/3是无机物。

有机物是纸浆厂污水中的BOD，COD，SS和色度的主要来源。

无机物中主要是碱。

因此每回收一吨碱大约要烧去两吨以上的污染物，可以大大减轻纸浆厂对江河水质的污染。

（2）社会效益:

电解法制碱，每吨碱要耗电2700度，食盐1.6-1.7吨。

每回收一吨碱，大厂耗电400～600度，小厂1000吨左右，不用盐只用石灰。

因此每回收一吨碱比电解法节电1700～2300度，且不必由外厂运来30～40%的碱液，每吨固碱可节约运力255吨以上。

（3）经济效益:

外购碱到厂价在2000元/吨左右。

回收碱成的本小厂约1000元/吨，大厂只要400～600元/吨，经济效益非常显著。

1.4本课题所做的工作

造纸碱回收集散控制—蒸发工段低压配电，通过对电动机动的控制，从而对电网的冲击变小，也改变了电动机的起动特性，提高了蒸发工段系统的稳定性。

在电动机的起动过程中，应用了软启动，直接启动和自耦变压器降压起动。

2蒸发工艺流程

2.1引言

碱回收是现代造纸厂不可缺少的环节，其作用有:

第一，处理制浆产生的黑液，以使造纸废液达到排放标准，减少环境污染，提高社会效益;第二，生产蒸汽和烧碱，蒸汽作为造纸的能源，烧碱作为造纸的辅料，增加经济效益。

蒸发过程是碱回收工序的第一步，蒸发工段将稀黑液蒸发、浓缩，送至燃烧工段，蒸发过程的出效黑液浓度直接影响整个碱回收车间的稳定运行。

因此稳定、高效的蒸发过程对于当今日益发展的造纸厂来说具有十分重要的意义。

2.2生产工艺与系统设计

1）黑液流程

由洗浆工段送来的黑液浓度为10％，进入本工段稀黑液糟，由供液泵送入Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ半浓槽→II→出液泵→I→闪蒸罐→出液泵→浓黑液槽→送液泵→燃烧工段。

2）蒸汽流程

新鲜蒸汽供入Ⅰ效，其余各效使用前一效产生的二次蒸汽。

I效清洁冷凝水闪蒸产生的蒸汽供给Ⅱ效。

出站清洁冷凝水温度约为100℃。

浓黑液闪蒸罐闪蒸产生的二次汽进入Ⅱ效液室，经除雾汽分离黑液后进入Ⅲ效加热室。

3）污凝水流程

Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ效及表面冷凝器内产生的二次冷凝水，经扩容后各进入后续效，污冷凝水温度分别为650℃表面冷凝器的臭汽用真空泵排出，该真空泵需供循环水以及必要的间接冷却水。

4）生产工艺流程

a）本蒸发站采用七体五效板管式布置，原有短管自循环蒸发器四台，分别为Ⅰ蒸发器3个、Ⅱ蒸发器、Ⅲ蒸发器、Ⅳ蒸发器，各配带一台管式降膜加热器。

改造后新增一台板式降膜蒸发器作为增浓效，蒸发站黑液流程为混流流程，即稀黑液首先经稀黑液预热器预热后进入Ⅱ效管式蒸发器，然后依次进入Ⅲ→Ⅳ效管式蒸发器效管式蒸发器→半浓黑液预热器→Ⅰ效管式蒸发器→增浓效板式降膜蒸发器蒸发，最后从增浓效出浓黑液，经浓黑液闪蒸罐出浓黑液送浓黑液槽贮存。

b）蒸发站的蒸汽流程为增浓效→Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ效，末效产生的二次蒸汽由螺旋板式冷凝器冷凝，其中除增浓效蒸发器使用新鲜蒸汽作为热源外，其余各效蒸发器均采用二次蒸汽作为热源。

增浓效浓黑液闪蒸罐闪蒸产生的二次蒸汽及清洁冷凝水闪蒸罐产生的闪蒸汽作为Ⅲ效蒸发器的补充热源使用。

c）蒸发站的冷凝水的流程为增浓效产生的清洁冷凝水送回锅炉房，其余各效产生的污冷凝水送至每下一效进行闪蒸，闪蒸出的二次蒸汽作为每下一效蒸发器的补充热源使用。

5）控制系统设计目标

本蒸发站的控制目标是:

通过对蒸发过程工艺参数的优化，在输入的热量和通过的黑液蒸发能量之间取得必要的平衡，系统能正常、稳定运行，并使最终的浓黑液保持要求的浓度。

使整个系统运行的成本最少，最终产品的产量最高。

也就是要提高蒸发系统的蒸发效率。

为了达到上述目标，我们经过多方面分析，认为影响浓黑液浓度的因素主要是进效稀黑液的流量及蒸发设备各效总的有效差压。

为了稳定有效压差我们决定对增浓效蒸发器的液位、浓黑液闪蒸罐的液位、清冷凝水分离罐的液位、清冷凝水闪蒸罐的液位进行控制，使它们分别稳定在某个值，为了控制黑液的浓度我们决定对进增浓效黑液的流量和进增浓效新蒸汽的压力进行控制。

因此，需要控制的量一共有六个，分别是增浓效蒸发器的液位、浓黑液闪蒸罐的液位、清冷凝水分离罐的液位、清冷凝水闪蒸罐的液位、进增浓效黑液的流量和进增浓效新蒸汽的压力，除了这几个要控制的量外，还有一些连锁，如:

工艺连锁等。

为了便于操作工人操作，还需要增加一些显示和报警，如温度显示、压力显示报警等。

对于黑液浓度的控制，由于多效蒸发器具有热容量大、滞后时间长等特点，利用常规的单回路PID控制，控制质量差，很难达到预期的效果。

在此我们双闭环比值控制系统，其中，黑液流量为主动量，蒸汽压力为副动量。

蒸汽压力按黑液流量进行配比，随黑液流量变化而变化，实现了对黑液流量的定值控制，大大克服了黑液流量干扰的影响，使黑液流量变得比较平稳，通过比值控制，蒸汽压力也将比较平稳，这样系统的总的物料也是比较平稳的。

比值控制系统方框图如图2-1所示。

图2-1比值控制系统方框图

3控制系统的设计

3.1PLC及其各部件的介绍

3.1.1PLC的组成

PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用作控制的特殊计算机，因此它的组成部分与一般的微机装置类似。

如图3-1所示:

编程器

输出电路

输入电路

中央处理器

（CPU）

电源

系统程序存储器

系统程序存储器

图3-1PLC的逻辑图

它主要由中央处理单元（CPU），输入电路、输出电路、通信接口等部件组成。

其中CPU是PLC的核心。

输入输出电路是连接现场设备与CPU之间的接口电路。

通信接口用于与编程器和上位机连接。

PLC有整体式和模块式两种结构，整体式PLC的所有部件都装在同一个机壳内；模块式PLC的各功能部件独立封装，其各部件称为模块或模板，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。

模