一种备浆生产线的DCS过程控制系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别是一种备浆生产线的DCS过程控制系统。

背景技术

随着现代企业的快速发展，为了提高市场竞争力、降低生产成本、提高产品质量，企业对制造业的自动化集成需求越来越高。理论上的所有生产过程可由人来判断和手动控制，但是随着现代化高速生产线的升级改造，很多工艺段人工操作速度跟不上快速运行设备的节奏，也达不到实时控制生产工艺参数的要求，而且手动控制，现场员工的危险性比较高。人的误动作也可能会对一些生产设备造不良影响。因此，随着生产线的升级改造，对先进自动化控制系统的需求也日益增加，这是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种备浆生产线的DCS过程控制系统，以解决现有技术中的不足，能够实现备浆生产线应用领域的大型DCS过程控制系统软件设计，进一步提高企业的生产效率和生产线自动化控制水平。

本申请的一个实施例提供了一种备浆生产线的DCS过程控制系统，所述系统包括：CPU模块、远程IO模块、下位机；其中，所述下位机包括：

信号处理模块，用于处理现场的各种信号及控制回路，所述信号处理模块包括：信号处理程序单元、开关阀控制程序单元、调节阀控制程序单元、电机频率控制程序单元、电机控制程序单元、正反转电机控制程序单元、PID控制调节阀处理程序单元；

逻辑处理模块，用于处理客户提供的各种逻辑资料，所述逻辑处理模块包括：碎浆系统逻辑控制单元。

可选的，所述信号处理程序单元包括：数字量信号处理程序、流量反馈处理程序、调节阀反馈处理程序、开关阀反馈处理程序、正反转电机反馈处理程序、电机电流反馈处理程序、变频电机频率给定处理程序、电机控制处理程序、模拟量信号处理程序。

可选的，所述开关阀控制程序单元用于控制开关阀设备的开/关、手自动设置、本地/远程显示、阀门各种状态显示、阀门故障显示/报警、设备仿真、阀门操作权限。

可选的，所述调节阀控制程序单元用于控制调节阀设备的阀门开度、手自动设置、阀门开度输出上下限、设备仿真。

可选的，所述电机频率控制程序单元用于控制电机频率范围内的调节，包括模拟量输出控制块。

可选的，所述电机控制程序单元用于控制电机的启停以及状态反馈，包括常规电机操作功能块。

可选的，所述正反转电机控制程序单元用于控制电机的正转、反转、停止以及状态反馈。

可选的，所述PID控制调节阀处理程序单元用于对需要PID调节的设备进行操控，包括手自动设置、PID参数设置、仿真设置和强制输出设置。

可选的，所述碎浆系统逻辑控制单元包括：碎浆机控制功能块、允许进纸功能块、进纸完成功能块。

可选的，所述碎浆机控制功能块用于参数设定、手自动切换、组启、复位、浆包数设定。

与现有技术相比，本发明提供的一种备浆生产线的DCS过程控制系统，系统包括：CPU模块、远程IO模块、下位机；其中，下位机包括：信号处理模块，用于处理现场的各种信号及控制回路，所述信号处理模块包括：信号处理程序单元、开关阀控制程序单元、调节阀控制程序单元、电机频率控制程序单元、电机控制程序单元、正反转电机控制程序单元、PID控制调节阀处理程序单元；逻辑处理模块，用于处理客户提供的各种逻辑资料，所述逻辑处理模块包括：碎浆系统逻辑控制单元，从而能够实现备浆生产线应用领域的大型DCS过程控制系统软件设计，进一步提高企业的生产效率和生产线自动化控制水平。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种备浆生产线的DCS过程控制系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种信号处理程序单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种模拟量信号处理程序对应上位机AI操作画面的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种AI操作功能块的Tag示意图；

图5为本发明实施例提供的一种开关阀控制程序的操作画面示意图；

图6为本发明实施例提供的一种开关阀控制程序的Tag示意图；

图7为本发明实施例提供的一种调节阀控制程序的操作画面示意图；

图8为本发明实施例提供的一种调节阀控制程序的Tag示意图；

图9为本发明实施例提供的一种电机频率控制程序的Tag示意图；

图10为本发明实施例提供的一种电机控制程序的操作画面示意图；

图11为本发明实施例提供的一种电机连锁操作画面示意图；

图12为本发明实施例提供的一种电机控制程序的Tags示意图；

图13为本发明实施例提供的一种正反转电机控制程序的Tag示意图；

图14为本发明实施例提供的一种PID控制调节阀处理程序的操作画面示意图；

图15为本发明实施例提供的一种强制输出界面示意图；

图16为本发明实施例提供的一种碎浆机控制功能块的操作画面示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

随着生产线的升级改造，对先进自动化控制系统的需求也日益增加。先进自动化控制系统可以实快速、准确的调整生产过程中的重要工艺参数，在紧急突发事件中快速响应以保护生产线上的重要设备，并能实时监控生产线的运行情况，采集水耗、电耗等重要参数。本系统可以对DCS生产线各设备进行动态监控和控制，电气操作员和管理者可利用本系统软件实时监控生产线各个参数并进行相关的生产操作。

鉴于此，本发明的实施例提供了一种备浆生产线的DCS过程控制系统，如图1所示，该系统可以包括：CPU模块101、远程IO模块102、下位机103。

具体的，针对CPU模块，系统可以Siemens公司1500系列PLC作为过程控制站。S7-1500集成了大量的新功能、新特性，支持包括Profinet IO、Profibus DP、PtP在内的通讯方式；其组态功能强大，可以通过LAD、FBD、SCL、STL等多种编程语言实现程序逻辑的设计；S7-1500作为模块化的控制系统，可以广泛运用于各个自动化领域；得益于S7-1500模块化以及其无风扇的设计，使得S7-1500易于实现分布式结构；基于以上多个优点，S7-1500成为各个自动化系统高效、高性价比的选择。

本系统采用的IO单元可以是由Siemens公司开发的ET-200SP系列远程IO站。ET-200SP易于使用，因链接系统而缩短时间使用直插式端子，无需工具；使用集成式组态控件调整组态，尺寸小、灵活性高，以便未来扩展。

现场仪表传送的主要是4-20mA的模拟量信号，现场执行机构接受的也是4-20mA的模拟量信号，仪表和电气设备的信号的输入输出需要相应的I/O单元来实现。I/O单元的主要功能就是将现场仪表或电机的输入电信号转换成过程站能识别的数字值。同时，将过程站处理后的数字值转换成相应的电信号输出到现场执行机构和电机。

下位机软件可以采用TIA Portal V16软件，程序主要分为两大部分：信号处理部分MainProgram(信号处理模块1031)和逻辑部分DCSProgram(逻辑处理模块1302)。信号处理部分MainProgram处理现场的各种信号，如流量、压力、液位等信号，并在上位机上显示。其中，下位机103包括：

信号处理模块1031，用于处理现场的各种信号及控制回路，所述信号处理模块1031包括：信号处理程序单元、开关阀控制程序单元、调节阀控制程序单元、电机频率控制程序单元、电机控制程序单元、正反转电机控制程序单元、PID控制调节阀处理程序单元。

具体的，如图2所示，信号处理程序单元可以包括：

数字量信号处理程序：DIPro为数字量信号处理程序，用于处理水力碎浆机密封水流量开关等，主要包括流量开关、限位开关、液位开关等等；

流量反馈处理程序：FIPro为流量反馈处理程序，用于处理清水总流量等等；

调节阀反馈处理程序：HICPro为调节阀反馈处理程序，用于处理一次冲浆泵进浆阀等等；

开关阀反馈处理程序：HSPro为开关阀反馈处理程序，用于处理双盘磨浆机进口阀等等；

正反转电机反馈处理程序：Motor_FRVPro为正反转电机反馈处理程序，用于处理双盘磨浆机进退刀电机等等；

电机电流反馈处理程序：MotorCurPro为电机电流反馈处理程序，用于处理各项电机电流的控制调节等等；

变频电机频率给定处理程序：MotorSICPro为变频电机频率给定处理程序，用于处理各项变频电机频率等等；

电机控制处理程序：MotorPro为电机控制处理程序，用于处理水力碎浆机的电机控制等等；

模拟量信号处理程序：R00-R06模拟量信号处理程序，对应包含上位机AI操作功能及操作界面：

在主画面上点击任何一个可以监控的模拟量控制点(包括液位、浓度、流量、压力、温度等)，即弹出AI操作界面窗口，如图3所示。窗口的上方是该模拟量的中文描述(木浆卸料浆槽液位)和位号(LT-10041)，本窗口中所有变量均对应程序中的相关变量。

在此操作界面上可以设置该模拟量的量程、上上限(高高限)、上限(高限)、下限(底限)、下下限(低低限)、迟滞、过程值、仿真值、校正值等参数，如果AI的值达到报警界限时，将以不同的颜色表示，红底黑字表示高高报、低低报，黄底黑字表示高报、低报，白底黑字表示没有报警。左边的竖直条也有颜色表示不同的状态，如果AI值超过上限或者上上限，或低于下限、下下限，将以红色显示。

点击“仿真值”按钮，信号处于测试模式，不跟随外部信号输入，跟随仿真值，测试仿真值可以根据用户自己需要设定，以便做逻辑测试。点击对应趋势按钮会弹出趋势窗口，该窗口显示该模拟量的数据历史趋势。

只有具有AI操作权限的操作员才可以设置，没有权限的用户看不到操作按钮或输入框。并且，如图4所示，对应的AI操作功能块Tags及使用说明可以如表1所示。

表1

具体的，开关阀控制程序单元用于控制开关阀设备的开/关、手自动设置、本地/远程显示、阀门各种状态显示、阀门故障显示/报警、设备仿真、阀门操作权限。

本标准模块单元用于对开关阀设备进行操控的情况。在主操作界面上点击任何一个可以监控的阀门设备功能按钮，即弹出本单元操作小窗口，如图5所示，小窗口的上方是该设备的中文描述(双盘磨浆机清洗水阀)和位号(HS-10066)。

在此操作画面上点击相应的按钮可以控制该设备的打开/关闭，设置手动/自动，本地(L)/远程(R)显示，阀门各种状态将以亮绿色显示在“状态”组中，阀门故障将以亮红色显示在“故障”组中，以及连锁状态允许/连锁/保护等等。

在开/关操作中，会有各种颜色反馈，可以如下表2所示。

表2

如果需要设备仿真，只需要点击左下角的仿真按钮，这时设备将进入仿真模式，程序无法输出给现场，起到一个软件测试保护功能。报警时间可以通过反馈时间设定栏设定，以确定阀门开阀/关阀故障报警。只有有阀门操作权限的操作员才可以做阀门操作，没有权限的用户看不到操作按钮或按钮呈灰色，无法操作。如图6所示，开关阀控制程序的Tags名称及使用说明可以如表3所示。

表3

具体的，调节阀控制程序单元用于控制调节阀设备的阀门开度、手自动设置、阀门开度输出上下限、设备仿真。

控制调节阀从0-100％范围内的调节阀门的开度，点击上位机画面上的调节阀控制功能按钮，即可进入对应的调节阀操作界面，如图7所示。本界面窗口的上方是该设备的中文描述(双盘磨浆机出口回流管流量调节)和位号(FCV-10072)。在此操作画面上点击相应的按钮可以控制该设备的阀门开度、设置手动/自动、阀门开度输出上下限、手动设定、自动设定、强制值设定、调节变量设定等等。

点击操作界面上的仿真按钮，即可进入仿真模式，在此模式下，上位机设置的阀门开度大小不会输出到现场阀门设备上，有助于进行程序上的FAT工作。如图8所示，调节阀控制程序的Tags名称及使用说明可以如表4所示。

表4

具体的，所述电机频率控制程序单元用于控制电机频率范围内的调节，包括模拟量输出控制块。电机频率控制程序可以控制电机频率0-100(100对应电机最大频率)范围内的调节，如图9所示，模拟量输出控制块内部Tags说明可以如表5所示。

表5

具体的，所述电机控制程序单元用于控制电机的启停以及状态反馈，包括常规电机操作功能块，用于对电机设备进行操控的情况。在主画面上点击任何一个可以监控的电机设备的功能按钮，即弹出电机操作小窗口，如图10所示。本窗口的上方是该设备的中文描述(损纸浆槽B浆泵)和设备位号(P1064)。

在此操作画面上点击相应的按钮可以控制该设备的启停、设置手自动、报警复位、本地/远程、反馈时间、复位等等。电机各种状态将以亮绿色显示在“电机状态”组中，电机故障将以亮红色显示在“设备诊断”组中。

在启停操作中，会有各种颜色反馈，如下表6所示。

表6

电机“状态”组注释如下表7所示。

表7

电机“诊断”组注释如下表8所示。

表8

如果需要设备检修，只需要点击下方的“检修”按钮，这时设备图标显示红色，代表电机检修有效，程序无法输出给现场，起到一个软件保护功能。报警时间可以通过设定栏设定，以确定电机启动/停止故障报警。点击“仿真”按钮的，电机处于测试模式，用户自己根据需要，启停电机，不跟随外部信号输入，也不输出给MCC柜，以便做逻辑FAT。再次点击“仿真”按钮，即可退出测试模式。

只有有电机操作权限的操作员才可以做电机操作，没有权限的用户看不到操作按钮或按钮呈灰色，无法操作。点击报警确认按钮可以复位本设备的所有报警(如果能够复位的话)。如果无法复位，可以联系电气人员查找原因。

此外，还包括电机连锁操作功能及操作画面窗口，如图11所示。电机连锁画面用于对电机连锁信息进行操控和查看。在电机操作画面上点击电机连锁功能按钮，即弹出对应窗口。窗口的上方是该设备的中文描述(浆泵P8)和设备位号码(P1022)，下面是连锁信息，包括信号、保护描述(例如纸机浆槽液位低低报、一次冲浆泵已运行、传动未运行、特吕来急停、电机07连锁条件5/6/7/8)和旁路。只要连锁信息处于投入状态，且状态灯显示绿色，则该电机不管在自动或者手动状态都启动。当电机因为某个连锁条件跳停后，状态灯左端会有红色标记，以便操作人员确定跳停原因。在每条连锁条件最右端，可以对该条件旁路，即在设备运行时，忽略该条件。值得注意的是，旁路与否需要工艺人员和设备机修人员沟通确定，以免对设备造成损坏。

如图12所示，电机控制程序Tags及使用说明可以如表9所示。

表9

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具体的，所述正反转电机控制程序单元用于控制电机的正转、反转、停止以及状态反馈。具体可以是双盘磨浆机进退刀电机，如图13所示，正反转电机控制程序Tags名称及使用说明可以如表10所示。

表10

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具体的，所述PID控制调节阀处理程序单元用于对需要PID调节的设备进行操控，包括手自动设置、PID参数设置、仿真设置和强制输出设置。

本标准模块单元用于对需要PID调节的设备进行操控的情况。在下位机主画面上点击任何一个可以监控的PID设备功能按钮，即弹出本单元操作窗口，如图14所示。本窗口的上方是该设备的中文描述(水力碎浆机液位)和设备位号(LT-10023)。

在此操作画面上点击自动或手动可以控制该PID设备的手自动设置，如果设置为手动，可以手动调节调节输出值；如果设置为自动，可以手动设置内部设定值。如果要设置设定值或者调节输出值，可以直接在输入框中手动输入值，设定值或者调节输出值的棒条滑杆会自动跟随所设定的值。对P、I、D三个框内的参数进行设置，可以改变相对应的pid参数。

点击“仿真值”的按钮，可以人为给定一个仿真值做测试用。再次点击仿真值按钮，即可退出仿真模式。

点击阀门边上的强制输出功能图标，即可以进入“强制输出界面”，如图15所示。在此界面上方是该设备的中文描述(浆泵P2出口浓度调节阀)和设备位号(QCV-10153)，窗口中可以查看该设备的强制条件和强制开度，例如，浆泵P2未启动，强制开度0；浆泵P2启动前15s，强制开度30等等。当描述左侧的绿色信号灯亮起时，代表该强制条件触发，设备处于强制状态；在描述的右端可以对不同的强制条件进行投用或旁路。值得注意的是，强制条件的旁路需要工艺和设备管理人员沟通确认，以免对设备造成破坏。

只有有PID操作权限的操作员才可以做PID操作。点击PID旁的历史趋势功能图标，即可进入历史趋势界面。

逻辑处理模块1302，用于处理客户提供的各种逻辑资料，所述逻辑处理模块1032包括：碎浆系统逻辑控制单元。

由于每个厂家的设备各不相同，所以逻辑资料也各不相同，可以选取造纸行业中比较典型的工艺逻辑进行说明。碎浆系统逻辑使用：可以设置碎浆机的启动液位、碎解液位、完成液位、稀释液位、放浆液位、碎解时间等。修改相应的参数，可以投入各种场合使用该控制逻辑。

碎浆系统逻辑控制单元的Tags及使用说明可以如表11所示。

表11

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具体的，所述碎浆系统逻辑控制单元包括：碎浆机控制功能块、允许进纸功能块、进纸完成功能块。

点击碎浆机控制按钮，可以进入碎浆机控制功能块小窗口，如图16所示。具体的，碎浆机控制功能块可以用于参数设定、手自动切换、组启、复位、浆包数设定。

在碎浆机控制小窗口中，可以分别设定启动液位、碎解液位、完成液位、稀释液位、放浆液位、碎解时间等参数。要启动自动碎浆碎浆程序，首先按下手自动切换按钮，将相关设备均切换至自动模式下，再按下组启按钮。当液位达到0.6m时，碎浆机以低频率开始运行，随着液位升高而增加频率直到碎解液位以100％运行。当液位到达完成液位时，碎浆机将不再加水并给出允许进纸信号，等进纸完成后，根据上位机设定的碎解时间开始计时碎浆。时间到后开始抽浆至放浆液位，后二次加水至稀释液位，搅拌2min后，再次抽浆至放浆液位，从而完成一次碎浆动作。即，打开进水阀，至35％的碎解液位；启动水力碎浆机、链板机至碎解液位；停止链板机，投料完成开始碎解；达到溶解液位，继续溶解2min；溶解完成，打开浆泵，至放浆液位，如果是非最后一组，则继续循环。

若碎浆动作进行不正常，可以按下复位按钮，对系统复位至初始状态。再次按下组启按钮后，系统将从头开始碎浆动作。

在碎浆操作的右下角，可以设定当前碎浆所需要的浆包数量。当系统感应到相对应的浆包数量后，将不再发出允许进纸信号给链板机，并在收到链板机发出的进纸完成信号后，开始计时碎浆。若与链板机信号有误，可在主画面按下允许进纸或者进纸完成按钮，辅助程序判断当前生产状态。按下相对应的按钮后，按钮将变为绿，代表信号给出。

可见，本发明提供的一种备浆生产线的DCS过程控制系统，系统包括：CPU模块、远程IO模块、下位机；其中，下位机包括：信号处理模块，用于处理现场的各种信号及控制回路，所述信号处理模块包括：信号处理程序单元、开关阀控制程序单元、调节阀控制程序单元、电机频率控制程序单元、电机控制程序单元、正反转电机控制程序单元、PID控制调节阀处理程序单元；逻辑处理模块，用于处理客户提供的各种逻辑资料，所述逻辑处理模块包括：碎浆系统逻辑控制单元，从而能够实现备浆生产线应用领域的大型DCS过程控制系统软件设计，进一步提高企业的生产效率和生产线自动化控制水平。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。