堿回收蒸發工段DCS中的通信網絡設計與實現
摘要：針對堿回收蒸發工段的DCS的控制要求，介紹了一套適合該工段的基于ProfiBus－DP與Ethernet的通信網絡設計及其系統安全保護設計。它們的實現為在堿回收蒸發工段中實施常規PID控制及復雜的智能控制提供了良好的基礎。
關鍵詞：蒸發工段；ProfiBus ；Ethernet（工業以太網）；通信
中圖分類號: TP273.5 文獻標識碼:B
Design and Realization of the Communication Net of the DCS in Alkali Reclaim Evaporation Workshop Section
Guo Wen-qiang, Sun Yu, Hou Yong-yan
(College of Electrical and Electronic Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xianyang China, 712081)
Abstract: A communication net design based on ProfiBus－DP and Ethernet, which can meet the DCS control requirements in evaporation workshop section of alkali reclaim, and the system safety protection design are introduced in this paper. Their establishment supplies the fair groundwork for conventional PID control and other complicated, intelligent controls in the evaporation workshop section of alkali reclaim.
Key Words: evaporation workshop section; ProfiBus; Ethernet; communication
1 前言
造紙工業是國民經濟的重要支柱產業之一。目前，堿法制漿是國內外造紙工業普遍采用的制漿方法，而堿回收是現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，從而達到節能、降耗及保護環境的目的。由于越來越多的自動化設備如傳感器、PLC等被應用到造紙工業控制，因此，數據流高速傳輸的通信網絡的實現就成為電氣傳動和控制系統的一個必不可少的組成部分。
2 堿回收黑液蒸發過程控制策略
堿回收包括蒸發工段、燃燒工段及苛化工段。其中蒸發工段是將制漿車間送來的黑液通過多效蒸發器蒸發成燃燒工段所需的高濃度黑液，其蒸發的好壞直接影響燃燒工段濃黑液的燃燒效果，因而蒸發工段是堿回收系統的一個重要工段[1,2]。
堿回收蒸發工段的主要控制目標是穩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：進效稀黑液的濃度和流量；進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。
針對蒸發工段過程參數多和控制回路結構復雜的特點，為了達到可靠、靈活的控制要求，對其控制適宜采用DCS，即集散控制系統[3]。
3 系統硬件組態
硬件設備選取時，應首先根據堿回收蒸發工段的工藝要求和廠方提供的技術資料，確定監控AI、AO、DI、DO信號數量，從而合理配置系統的IO模塊單元，同時配置DCS系統所需的主控單元、電源模塊、操作站、工程師站、監控站、通信網絡、打印機和UPS電源等。
根據蒸發工段控制要求及被控信號的特點，我們設計的DCS系統其硬件主要包括：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、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、ProfiBus-DP重復器、端子模塊等。
4 通信網絡結構
DCS系統通過硬件（包括控制器及I/O模塊）采集并處理現場數據。為了將獲得的這些數據用于上位機顯示及參與控制調節，需要對這些用于采集數據的硬件進行網絡配置。
在目前的工業控制網絡通信中，常用的主要為ProfiBus現場總線和Ethernet（工業以太網）。
4.1 ProfiBus現場總線技術
ProfiBus現場總線技術是由德國Siemens等13家公司和5家研究所聯合制定的標準化規范。ProfiBus包括同一類、可互兼容的3個變種，即ProfiBus—FMS、PA、DP以適應不同領域的要求[4]。ProfiBus—FMS(現場總線技術信息規范)的設計旨在解決車間監控級通信任務，提供大量的通信服務；ProfiBus—PA(過程自動化)的數據傳輸采用擴展的ProfiBus—DP協議，并描述了現場設備行為的PA行規，適用于過程自動化；ProfiBus—DP(分散型外圍設備)用于現場層高速數據傳送。
4.2 Ethernet（工業以太網）
隨著Intranet/Internet等信息技術的飛速發展，要求企業從現場控制層到管理層能實現全面的無縫信息集成。由于具有相同的通信協議，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術)網絡，并能在同一總線上運行不同的傳輸協議，從而能建立企業的公共網絡平臺或基礎構架。
4.3 通信網絡結構選取
根據蒸發工段的工藝及對其進行靈活、可靠的控制要求，并考慮企業今后發展對生產管理信息化的需要，在我們的設計中將ProfiBus現場總線和Ethernet結合運用到蒸發工段通信網絡中，并對主要的硬件采用冗余配置，其通信網絡結構圖如圖1所示，其中企業管理級網絡可根據企業未來管理的需要方便地進行拓撲。
圖1 蒸發工段DCS通信網絡結構圖
ProfiBus－DP為開放的系統協議，其傳輸速率為9.6Kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m，1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km，傳輸介質可采用雙絞線。輸入輸出模塊掛接在ProfiBus－DP線上，實現與控制柜主控單元進行信息傳輸。
主控單元內置CPU、100M以太卡和DP主站卡等，完成ProfiBus和Ethernet的數據交換。
上位機（主/冗余服務器）通過100M Ethernet及100M冗余 Ethernet采用TCP/IP協議與控制柜的主控單元進行信息傳輸，即將上位機發出的操作指令發向控制站，同時將現場采集來的信息發給上位機。傳輸速度為100Mbps的以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢。
這樣，ProfiBus－DP網絡實現主控單元與現場I/O單元的數據傳遞；Ethernet用于上位機及主控單元之間的信息傳遞。因此，通過上位機（主/從服務器及監視器）和控制柜的主控單元實現對工業現場的實時監視與控制，并使蒸發工段的通信網絡兼具了ProfiBus－DP高速數據傳送和Ethernet向企業管理層拓撲便利的優點。
5 軟件組態
系統的軟件組態及設置主要通過Helishi公司的ConMaker (控制器)軟件和FacView(人機界面)軟件實現。
ConMaker是用于開發控制方案的開發平臺。根據蒸發工段的工藝控制要求，我們編寫了MACS_PRG主程序及相關子程序。子程序主要包括：數據轉化、I/O模塊定義、常規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編輯可完成監視器顯示所需的現場設備監控頁面。整個蒸發工段包括的頁面有：主菜單、蒸發工段I、蒸發工段II、硬件配置圖、系統狀態圖、硬件報警、工藝報警、報警禁止、模擬量趨勢、對比趨勢、操作日志、報表輸出等。
其后，便利用FacView通過標簽變量與ConMaker建立聯系，從而建立了基于SmartPro—FacView的實時監控系統，對現場設備進行監控。
6 系統安全保護設計
為了保證蒸發工段安全、可靠地運行，我們在安全保護環節除了采用權限設置等軟件保護，還進行了系統硬件機械保護設計。因此，即使當系統發生異常時，蒸發工段仍保持在安全的控制狀態。
系統安全保護設計主要包括：(1)通信電纜屏蔽：采用了通信電纜屏蔽設計，解決了 ProfiBus－DP通訊不暢的問題。另外在實際施工中，盡量使 ProfiBus－DP電纜遠離強電區，以避免電磁干擾；(2)有效的隔離設計：所有的IO單元都采用可靠的光電隔離技術，使各單元之間和單元與上位機之間的CPU無任何電氣聯系，從而提高系統的抗干擾能力、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，以消除由于現場地電位差對系統造成的損壞；(3)全面冗余設計：對主要的硬件部分，如控制器、Ethernet網絡都采用冗余配置，當連續執行的診斷檢測到重要硬件部分故障時，自動切換到備用部分同時將報警信息傳送到操作站上報警。冗余配置的設備主要有：控制器（CPU）及其配套卡件、通信網絡、供電單元和I/O卡件等。
7 結束語
通過現場調試，基于ProfiBus－DP與Ethernet的通信網絡的堿回收蒸發工段集散控制系統于2002年起先后在山東、河南等多家造紙廠運行投入使用。運行結果表明基于ProfiBus－DP與Ethernet的通信網絡運行穩定，結構簡單，維護方便，為在堿回收蒸發工段中實施常規PID控制及先進的智能控制提供了良好的基礎。
參 考 文 獻
[1] 王孟效, 孫瑜, 湯偉.制漿造紙過程測控系統及工程 [Ｍ].北京:化學工業出版社,2003
[2] 張珂, 俞正千.麥草漿堿回收技術指南[Ｍ].北京:中國輕工業出版社,1999
[3] 楊寧, 趙玉剛.集散控制系統及現場總線[Ｍ].北京:北京航空航天大學出版社,2003
[4] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[Ｍ].北京:清華大學出版社,1999
關鍵詞：蒸發工段；ProfiBus ；Ethernet（工業以太網）；通信
中圖分類號: TP273.5 文獻標識碼:B
Design and Realization of the Communication Net of the DCS in Alkali Reclaim Evaporation Workshop Section
Guo Wen-qiang, Sun Yu, Hou Yong-yan
(College of Electrical and Electronic Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xianyang China, 712081)
Abstract: A communication net design based on ProfiBus－DP and Ethernet, which can meet the DCS control requirements in evaporation workshop section of alkali reclaim, and the system safety protection design are introduced in this paper. Their establishment supplies the fair groundwork for conventional PID control and other complicated, intelligent controls in the evaporation workshop section of alkali reclaim.
Key Words: evaporation workshop section; ProfiBus; Ethernet; communication
1 前言
造紙工業是國民經濟的重要支柱產業之一。目前，堿法制漿是國內外造紙工業普遍采用的制漿方法，而堿回收是現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，從而達到節能、降耗及保護環境的目的。由于越來越多的自動化設備如傳感器、PLC等被應用到造紙工業控制，因此，數據流高速傳輸的通信網絡的實現就成為電氣傳動和控制系統的一個必不可少的組成部分。
2 堿回收黑液蒸發過程控制策略
堿回收包括蒸發工段、燃燒工段及苛化工段。其中蒸發工段是將制漿車間送來的黑液通過多效蒸發器蒸發成燃燒工段所需的高濃度黑液，其蒸發的好壞直接影響燃燒工段濃黑液的燃燒效果，因而蒸發工段是堿回收系統的一個重要工段[1,2]。
堿回收蒸發工段的主要控制目標是穩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：進效稀黑液的濃度和流量；進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。
針對蒸發工段過程參數多和控制回路結構復雜的特點，為了達到可靠、靈活的控制要求，對其控制適宜采用DCS，即集散控制系統[3]。
3 系統硬件組態
硬件設備選取時，應首先根據堿回收蒸發工段的工藝要求和廠方提供的技術資料，確定監控AI、AO、DI、DO信號數量，從而合理配置系統的IO模塊單元，同時配置DCS系統所需的主控單元、電源模塊、操作站、工程師站、監控站、通信網絡、打印機和UPS電源等。
根據蒸發工段控制要求及被控信號的特點，我們設計的DCS系統其硬件主要包括：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、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、ProfiBus-DP重復器、端子模塊等。
4 通信網絡結構
DCS系統通過硬件（包括控制器及I/O模塊）采集并處理現場數據。為了將獲得的這些數據用于上位機顯示及參與控制調節，需要對這些用于采集數據的硬件進行網絡配置。
在目前的工業控制網絡通信中，常用的主要為ProfiBus現場總線和Ethernet（工業以太網）。
4.1 ProfiBus現場總線技術
ProfiBus現場總線技術是由德國Siemens等13家公司和5家研究所聯合制定的標準化規范。ProfiBus包括同一類、可互兼容的3個變種，即ProfiBus—FMS、PA、DP以適應不同領域的要求[4]。ProfiBus—FMS(現場總線技術信息規范)的設計旨在解決車間監控級通信任務，提供大量的通信服務；ProfiBus—PA(過程自動化)的數據傳輸采用擴展的ProfiBus—DP協議，并描述了現場設備行為的PA行規，適用于過程自動化；ProfiBus—DP(分散型外圍設備)用于現場層高速數據傳送。
4.2 Ethernet（工業以太網）
隨著Intranet/Internet等信息技術的飛速發展，要求企業從現場控制層到管理層能實現全面的無縫信息集成。由于具有相同的通信協議，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技術)網絡，并能在同一總線上運行不同的傳輸協議，從而能建立企業的公共網絡平臺或基礎構架。
4.3 通信網絡結構選取
根據蒸發工段的工藝及對其進行靈活、可靠的控制要求，并考慮企業今后發展對生產管理信息化的需要，在我們的設計中將ProfiBus現場總線和Ethernet結合運用到蒸發工段通信網絡中，并對主要的硬件采用冗余配置，其通信網絡結構圖如圖1所示，其中企業管理級網絡可根據企業未來管理的需要方便地進行拓撲。
圖1 蒸發工段DCS通信網絡結構圖
ProfiBus－DP為開放的系統協議，其傳輸速率為9.6Kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m，1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km，傳輸介質可采用雙絞線。輸入輸出模塊掛接在ProfiBus－DP線上，實現與控制柜主控單元進行信息傳輸。
主控單元內置CPU、100M以太卡和DP主站卡等，完成ProfiBus和Ethernet的數據交換。
上位機（主/冗余服務器）通過100M Ethernet及100M冗余 Ethernet采用TCP/IP協議與控制柜的主控單元進行信息傳輸，即將上位機發出的操作指令發向控制站，同時將現場采集來的信息發給上位機。傳輸速度為100Mbps的以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢。
這樣，ProfiBus－DP網絡實現主控單元與現場I/O單元的數據傳遞；Ethernet用于上位機及主控單元之間的信息傳遞。因此，通過上位機（主/從服務器及監視器）和控制柜的主控單元實現對工業現場的實時監視與控制，并使蒸發工段的通信網絡兼具了ProfiBus－DP高速數據傳送和Ethernet向企業管理層拓撲便利的優點。
5 軟件組態
系統的軟件組態及設置主要通過Helishi公司的ConMaker (控制器)軟件和FacView(人機界面)軟件實現。
ConMaker是用于開發控制方案的開發平臺。根據蒸發工段的工藝控制要求，我們編寫了MACS_PRG主程序及相關子程序。子程序主要包括：數據轉化、I/O模塊定義、常規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編輯可完成監視器顯示所需的現場設備監控頁面。整個蒸發工段包括的頁面有：主菜單、蒸發工段I、蒸發工段II、硬件配置圖、系統狀態圖、硬件報警、工藝報警、報警禁止、模擬量趨勢、對比趨勢、操作日志、報表輸出等。
其后，便利用FacView通過標簽變量與ConMaker建立聯系，從而建立了基于SmartPro—FacView的實時監控系統，對現場設備進行監控。
6 系統安全保護設計
為了保證蒸發工段安全、可靠地運行，我們在安全保護環節除了采用權限設置等軟件保護，還進行了系統硬件機械保護設計。因此，即使當系統發生異常時，蒸發工段仍保持在安全的控制狀態。
系統安全保護設計主要包括：(1)通信電纜屏蔽：采用了通信電纜屏蔽設計，解決了 ProfiBus－DP通訊不暢的問題。另外在實際施工中，盡量使 ProfiBus－DP電纜遠離強電區，以避免電磁干擾；(2)有效的隔離設計：所有的IO單元都采用可靠的光電隔離技術，使各單元之間和單元與上位機之間的CPU無任何電氣聯系，從而提高系統的抗干擾能力、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，以消除由于現場地電位差對系統造成的損壞；(3)全面冗余設計：對主要的硬件部分，如控制器、Ethernet網絡都采用冗余配置，當連續執行的診斷檢測到重要硬件部分故障時，自動切換到備用部分同時將報警信息傳送到操作站上報警。冗余配置的設備主要有：控制器（CPU）及其配套卡件、通信網絡、供電單元和I/O卡件等。
7 結束語
通過現場調試，基于ProfiBus－DP與Ethernet的通信網絡的堿回收蒸發工段集散控制系統于2002年起先后在山東、河南等多家造紙廠運行投入使用。運行結果表明基于ProfiBus－DP與Ethernet的通信網絡運行穩定，結構簡單，維護方便，為在堿回收蒸發工段中實施常規PID控制及先進的智能控制提供了良好的基礎。
參 考 文 獻
[1] 王孟效, 孫瑜, 湯偉.制漿造紙過程測控系統及工程 [Ｍ].北京:化學工業出版社,2003
[2] 張珂, 俞正千.麥草漿堿回收技術指南[Ｍ].北京:中國輕工業出版社,1999
[3] 楊寧, 趙玉剛.集散控制系統及現場總線[Ｍ].北京:北京航空航天大學出版社,2003
[4] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[Ｍ].北京:清華大學出版社,1999
本文標簽：堿回收蒸發工段DCS中的通信網絡設計與實現
* 由于無法獲得聯系方式等原因，本網使用的文字及圖片的作品報酬未能及時支付，在此深表歉意，請《堿回收蒸發工段DCS中的通信網絡設計與實現》相關權利人與機電之家網取得聯系。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
