黃光明 謝顯國

摘要：通過對年產(chǎn)30萬 t 化機漿項目的木片輸送生產(chǎn)線的自動化儀表工程設(shè)計和建設(shè)的分析，探討了大型木片輸送項目的工藝特點及自動化設(shè)備的關(guān)鍵要點和控制策略，以及生產(chǎn)過程中運用過程儀表、保護開關(guān)、PLC 控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等一體化技術(shù)實現(xiàn)對木片輸送系統(tǒng)精準控制的方法。

關(guān)鍵詞：木片輸送項目;自動化工程;智能儀表;控制策略

中圖分類號：TS736+.3?? 文獻標識碼：A??? DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2021.12.010

Automation Control Strategy of Chip Conveying System

HUANG Guangming*?? XIE Xianguo

（China CEC Engineering Corporation，Changsha，Hunan Province，410114）

（*E-mail ：huangguangming@cecchina. com）

Abstract ：Process characteristics of large chip conveying projects and key points and control strategies of automation equipment were investi ? gated through analysis of automatic instrument engineering design and construction towards chip conveying production line in 300000 t/a chemical mechanical pulp project. Application of integrated technologies to achieve accurate control of wood film delivery system during pro ? duction was also analyzed such as process instrument，protection switch，PLC control system and video monitoring system .

Key words ：chip conveying project;automation engineering;smart meter;control strategy

制漿造紙中的木片輸送系統(tǒng)是制漿生產(chǎn)線最前置的部分，主要由木片篩選、輸送和貯存等工序組成，配套有沖洗和除霧單元。隨著制漿造紙工業(yè)的發(fā)展，人工或半自動化作業(yè)的備料輸送系統(tǒng)已不能滿足大型制漿造紙企業(yè)的生產(chǎn)要求。通過對某年產(chǎn)30萬 t 化學機械漿（以下簡稱化機漿）項目的舊木片輸送系統(tǒng)的儀表自動化工程的調(diào)研，該系統(tǒng)存在以下特點：儀表檢測能力薄弱、連鎖保護缺失、自動控制設(shè)備技術(shù)落后、自動化水平不高、生產(chǎn)線人力勞動強度大等，這些因素影響木片輸送系統(tǒng)的運行效率。為使新木片輸送系統(tǒng)滿足工藝技術(shù)先進可靠、自動化程度高、生產(chǎn)人員需求少、人員勞動強度低等特點，需要根據(jù)工藝的需求，制定生產(chǎn)過程自動控制、節(jié)能降耗及遠程監(jiān)控的工程技術(shù)目標，研究重要工段的控制策略并設(shè)計木片輸送系統(tǒng)中集檢測、控制、保護和智能一體化的儀表自動控制系統(tǒng)。

1 木片輸送系統(tǒng)生產(chǎn)工藝和控制目標

1.1? 生產(chǎn)工藝

當貨輪到達碼頭后，為了便于木片的卸料，該項目木片輸送系統(tǒng)工藝流程設(shè)計了2種木片輸送及木屑處理工藝，如圖1所示。

（1） 當海域水位滿足自卸條件時，從海域碼頭木片船通過自卸皮帶機開始進行木片輸送，流程為：自卸皮帶機→駁接皮帶→碼頭自動卸料機（ MPC2）→皮帶輸送機1→皮帶輸送機2→陸域木片倉→皮帶輸送機 A 、B→皮帶輸送機3→皮帶輸送機4→皮帶輸送機5→皮帶輸送機6→皮帶輸送機7→木屑篩選車間→皮帶輸送機8→皮帶輸送機9→化機漿車間。

（2） 當海域水位低，無法滿足自卸條件時，從海域碼頭木片船通過門機系統(tǒng)開始進行木片輸送，流程為：門機系統(tǒng)→碼頭自動卸料機（ MPC1）→碼頭自動卸料機（ MPC2）→皮帶輸送機1→皮帶輸送機2→陸域木片倉→皮帶輸送機 A 、B→皮帶輸送機3→皮帶輸送機4→皮帶輸送機5→皮帶輸送機6→皮帶輸送機7→木屑篩選車間→皮帶輸送機8→皮帶輸送機9→化機漿車間。

（3） 木屑篩選車間的木屑處理流程為：20201C0

001皮帶輸送機→20201C0002皮帶輸送機→污泥壓榨車間。

1.2? 控制目標

木片輸送系統(tǒng)的儀表控制策略和系統(tǒng)設(shè)計，需滿足“全自動控制、操作人員少、勞動強度低”的核心理念，在滿足生產(chǎn)過程控制需求的條件下，以提高木片輸送系統(tǒng)的自動化水平、減少操作人員和勞動強度、提高勞動效率、保障生產(chǎn)安全為主要目標，對木片輸送系統(tǒng)的卸料、篩選、輸送、貯存等全過程利用智能儀表檢測、控制裝置連鎖保護、視頻監(jiān)控及報警系統(tǒng)等一體化技術(shù)，融合智能監(jiān)控中心的建設(shè)，探索具有一定特色的木片輸送系統(tǒng)的全自動化技術(shù)發(fā)展道路。

2 木片輸送系統(tǒng)的自動化技術(shù)

木片輸送系統(tǒng)的主要工藝設(shè)備如下：自卸皮帶機、駁接皮帶、碼頭全自動卸料平臺、皮帶輸送機、盤篩、污泥壓榨、正、反皮帶輸送機、木片倉、卸料螺旋、木屑篩選等設(shè)備。通過對木片輸送系統(tǒng)工藝特點和控制條件的分析，總結(jié)了該企業(yè)原有木片輸送系統(tǒng)的設(shè)備自動化水平，確定該項目的自動化技術(shù)路線，從實現(xiàn)木片輸送系統(tǒng)全流程的智能儀表檢測、控制裝置連鎖保護、智能應(yīng)用監(jiān)控平臺3個層面進行設(shè)計，制定重要的工藝設(shè)備控制要求，探索木片輸送系統(tǒng)的自動化到智能化的設(shè)計建設(shè)進程。最終與傳統(tǒng)皮帶輸送系統(tǒng)的自動化工程設(shè)計進行對比，如表1所示。

2.1? 智能儀表檢測系統(tǒng)和各類開關(guān)保護裝置

智能儀表檢測是木片輸送系統(tǒng)的信號測量和傳感部分，是生產(chǎn)控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化、可視化、智能化的“眼睛”，也是木片輸送系統(tǒng)進行自動控制、減少操作人員及勞動強度的組成部分。利用雷達液位檢測技術(shù)進行木片倉料位的檢測滿足正、反皮帶輸送機自動卸料的工藝控制要求;在皮帶輸送機等傳輸設(shè)備中使用速度檢測、撕裂檢測、溫度檢測及電控設(shè)備、拉繩開關(guān)和限位開關(guān)等可以實現(xiàn)對其進行自動控制和連鎖保護。具體設(shè)備介紹如下：

（1） 雷達料位計作為木片掃描程序的關(guān)鍵儀表，主要用于測量木片倉的料位，是木片輸送系統(tǒng)正、反皮帶實現(xiàn)自動卸料的關(guān)鍵點。

（2） 撕裂檢測儀表可以避免輸送皮帶斷裂對皮帶輸送機運行造成影響或損害。在皮帶張緊處安裝3條撕裂傳感器，當皮帶斷裂時，傳感器受到影響，撕裂檢測儀將斷裂的信號傳回控制系統(tǒng)，程序就會連鎖停機。

（3） 速度檢測儀表主要用于檢測皮帶打滑或堵料等情況，當速度過低時將低速報警信號傳回控制系統(tǒng)，程序就會觸發(fā)信號引起連鎖停機。

（4） 溫度檢測儀表主要用于檢測皮帶運輸機齒輪箱或主電機軸承溫度，當溫度高于一定值時，程序就會觸發(fā)信號引起連鎖停機。

（5） 當皮帶運輸機有緊急情況發(fā)生時，人為使拉繩開關(guān)運動，將信號傳回控制系統(tǒng)，程序就會觸發(fā)信號引起連鎖停機。

（6） 每次啟動皮帶運輸機前，控制系統(tǒng)將信號發(fā)出，聲光報警器運作，發(fā)出報警聲音，提示皮帶運輸機周邊人員注意安全，待皮帶運輸機正常啟動后信號消失，聲光報警器恢復(fù)正常。

（7） 料流信號檢測儀的核心部分是皮帶秤，其測量誤差在0.25%范圍內(nèi)，主要由稱量傳感器、稱量支架、速度測量儀、測速滾筒組成，其中稱量傳感器支架安裝在皮帶運輸機上，當木片經(jīng)過皮帶時，皮帶上木片的質(zhì)量就會傳到稱量傳感器上，產(chǎn)生1個正比于皮帶載荷的電壓信號;速度傳感器直接連在大直徑測速滾筒上，提供一系列脈沖，脈沖的頻率正比于皮帶速度。稱量控制器從稱量傳感器和速度傳感器接收的信號，通過積分運算得出運輸皮帶的瞬時流量值和累積質(zhì)量值，并可分別顯示出來[1]。

（8） 限位開關(guān)主要用在正、反皮帶輸送機和卸料螺旋上，其作用是檢測到卸料螺旋或者皮帶輸送機運行位置，當控制系統(tǒng)收到此信號時，根據(jù)工藝要求需要停機或者換向啟動。

2.2? 智能馬達控制器

電機智能控制單元廣泛應(yīng)用于制漿造紙工業(yè)中，它具有先進的電機保護及與上位機通信的功能，在制漿造紙企業(yè)中起到關(guān)鍵作用。本項目木片輸送線馬達控制中心 MCC 中使用了最新的 ABB 智能馬達控制器 M102-P ，其具有現(xiàn)場總線通信功能的控制器，搭配電流互感器，能夠?qū)崿F(xiàn)電流測量、缺相、過載、三相不平衡等保護功能，并通過 PROFIBUS 現(xiàn)場總線將電機狀態(tài)、報警、電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)?DCS 控制器，在操作員站上實時顯示。具體優(yōu)勢如下：

（1） 智能馬達控制器與傳統(tǒng)的電機控制回路比較，大大簡化了電機的控制回路，減少了大量的控制電纜接線和故障點，降低了施工量和難度。

（2） 可與 PROFIBUS-DP 通信，實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)控功能，具備遠程起、?？刂萍皩收闲盘柡碗娏餍盘柕鹊谋O(jiān)控功能。

2.3? 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為木片輸送系統(tǒng)輸送線監(jiān)控設(shè)備運行、監(jiān)測人員安全的關(guān)鍵一環(huán)，具有現(xiàn)場攝像、信號傳輸、遠程控制、實時監(jiān)控和長期存儲等基本功能，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以通過同軸電纜、網(wǎng)線或光纖等連接光端機和交換機等方式將信號傳輸?shù)较到y(tǒng)主機中。在設(shè)計階段需要考慮攝像頭安裝簡單、走線方面、維護容易等原則進行設(shè)計;由于木片倉粉塵較多，需要從防爆的角度進行設(shè)計，一般考慮本安型攝像儀;根據(jù)攝像儀的點位數(shù)量和錄像存儲的時間，考慮交換機接口數(shù)量及硬盤錄像機的儲存容量。

（1） 為了實時監(jiān)視正、反皮帶輸送機的卸料情況，在限位開關(guān)失效的情況下，需要攝像儀輔助監(jiān)控皮帶機行走位置，因此需要在木片倉輸送皮帶卸料處安裝攝像儀;其次為了監(jiān)控皮帶運輸機的運行情況以及操作人員違規(guī)情況的記錄，在皮帶輸送機一些重要的工段位置安裝攝像儀。

（2） 視頻監(jiān)控系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)攝像機、傳送電纜、光電轉(zhuǎn)換器、硬盤錄像機、監(jiān)控主機、視頻解碼器和工業(yè)電視大屏幕組成，具備實時監(jiān)控、圖像儲存、視頻回放及遠程控制等基本功能。

2.4? PLC 控制系統(tǒng)

本項目采用“分散控制、集中監(jiān)控”的設(shè)計理念，通過 PLC 控制系統(tǒng)完成工藝設(shè)備的控制和儀表控制點參數(shù)的監(jiān)測。通過光纖通信及數(shù)據(jù)交換機實現(xiàn)與化機漿、碼頭等控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和傳輸，通過 UPS 不間斷電源給現(xiàn)場 PLC 控制系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表提供可靠的電源，保證了系統(tǒng)的正常運行。木片輸送系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。

（1） 本項目采用西門子 S7-400控制系統(tǒng)，具備運行速度高、儲存容量大、I/O 擴展能力強、通信能力強及集成的 HMI 服務(wù)能力。

（2） 本項目 PLC 控制系統(tǒng)與化機漿、碼頭、噴霧系統(tǒng)通過光纖通信進行數(shù)據(jù)交換和傳輸，操作界面通過數(shù)據(jù)交換，在每個站點實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和操作功能，極大方便了生產(chǎn)的操作和維護。

2.5? 智能監(jiān)控中心

木片輸送系統(tǒng)的智能監(jiān)控中心是實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)神經(jīng)中樞的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1） 數(shù)據(jù)信息可視與透明化。木片輸送系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化、透明化是控制系統(tǒng)智能監(jiān)控平臺的基本功能。

（2） 遠程維護。當控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障、服務(wù)人員不能及時到現(xiàn)場時，PLC 控制系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)遠程修改和維護，確保程序和邏輯連鎖的故障及時解決。

（3） 建立數(shù)學模型并仿真校準。通過對木片輸送系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行分析，建立木片輸送系統(tǒng)的數(shù)學模型，在生產(chǎn)過程中對實時運行數(shù)據(jù)反復(fù)校驗并對仿真完成的參數(shù)進行校準，從而得到正確可靠的運行參數(shù)，以便能夠準確的指導(dǎo)生產(chǎn)運行。

3 木片輸送系統(tǒng)自動化系統(tǒng)控制策略

木片輸送系統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)以滿足工藝控制需求、提高自動化水平和降低勞動人員強度為目標，有效提高了工作效率、降低了運營成本，制定了合理的自動化系統(tǒng)控制方案。

3.1? 木片輸送系統(tǒng)控制策略

3.1.1? PID 調(diào)節(jié)控制

對木片輸送系統(tǒng)皮帶輸送機、噴霧泵等主要耗能設(shè)備與現(xiàn)場儀表之間實現(xiàn)自動控制，通過 PID 自動調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速，可以有效地調(diào)節(jié)皮帶運轉(zhuǎn)速度和噴霧水量，以便有效進行能源控制。

3.1.2? 順控及定時控

木片輸送線的皮帶輸送機啟動和停止通過 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)順控，確保皮帶按照先后順序進行啟、停，確保進料系統(tǒng)控制穩(wěn)定;對于卸料螺旋潤滑油泵實現(xiàn)定時控制，每隔12 h ，開啟馬達給設(shè)備添加潤滑油，確保設(shè)備得到有效防護。

3.2? 木片輸送系統(tǒng)具體控制方案

為了使生產(chǎn)系統(tǒng)更好、更高效運行，在設(shè)計規(guī)劃上將木片原料輸送系統(tǒng)設(shè)計為3種控制方式。

3.2.1? 解鎖單機操作方式

輸送系統(tǒng)各控制對象在遠程狀態(tài)下，可在后臺系統(tǒng)操作界面通過啟動、停止按鈕任意開啟、關(guān)閉設(shè)備，此操作方式適用于設(shè)備前期單機調(diào)試用。

3.2.2? 解鎖單系統(tǒng)聯(lián)鎖操作方式

輸送系統(tǒng)中各子系統(tǒng)內(nèi)部的所有設(shè)備具備工藝邏輯關(guān)系，子系統(tǒng)之間不具備邏輯關(guān)系，適用于前期調(diào)試測試各子系統(tǒng)的控制邏輯。如單條皮帶機的開機流程需滿足皮帶機開機、正常停機、故障停機的控制邏輯，控制邏輯如圖3所示。

3.2.3? 系統(tǒng)聯(lián)鎖操作方式

輸送系統(tǒng)中各子系統(tǒng)（所有設(shè)備）具備控制邏輯關(guān)系。系統(tǒng)聯(lián)鎖操作需滿足木片輸送系統(tǒng)工藝流程的逆料流開機，順流程正常停機，故障停機保證故障點料流前級不堵料，料流后級不壓料，同時系統(tǒng)還應(yīng)具備針對各子系統(tǒng)的投入、退出功能（暫停功能），即在系統(tǒng)聯(lián)鎖開機過程中，突然某子系統(tǒng)需緊急處理問題時特有的暫停功能。

3.3? 木片輸送系統(tǒng)重要設(shè)備的控制程序

3.3.1? 木片掃描程序

木片掃描程序作用為啟動正、反皮帶輸送機行走，電機向左或向右行走5 s 內(nèi)對正、反皮帶輸送機左或右中的一邊木片倉料位進行掃描檢測，如果5 s 內(nèi)料位平均值低于設(shè)置料位的80%，則停止行走，然后啟動皮帶主電機進行卸料;如果料位在5 s 掃描周期內(nèi)大于80%，行走電機繼續(xù)向前行走，然后繼續(xù)進行下一周期內(nèi)的掃描，直至料位低于80%。當行走電機在向左或向右運行過程中碰到位置開關(guān)時，必須立即向反方向運行3 s ，同時進行料位檢測，如果低于設(shè)置料位的80%，停止行走后啟動主電機進行卸料。

3.3.2? 皮帶開啟連鎖程序

MCC 通過通信方式將主電機的遠程、運行、故障傳到 PLC 系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)將啟動、停止等信號傳到 MCC ;制動器反饋信號包含制動器遠程、制動器運行、制動器故障及制動器啟動輸出信號;保護裝置信號包含拉繩、尾輪跑偏信號、頭輪跑偏信號、打滑信號、撕裂信號、堵塞信號。其中只要1個信號不正常，就會導(dǎo)致連鎖停機。

4 木片輸送系統(tǒng)建設(shè)和試運行階段存在的問題和處理措施

木片輸送系統(tǒng)在建設(shè)階段主要存在木片卸料系統(tǒng)難以全自動投入、卸料螺旋在自動狀態(tài)下碰到極限限位不能及時停止、皮帶秤計量不準及保護開關(guān)信號干擾等問題，通過調(diào)試期間分析并查找原因后將問題一一解決。

4.1? 木片卸料系統(tǒng)難以全自動控制

正、反皮帶運輸機在運行過程中難以實現(xiàn)全自動卸料。全自動卸料系統(tǒng)的核心是料位掃描系統(tǒng)，主要靠雷達料位計檢測木片料位，通過對料位掃描程序中設(shè)置的料位進行比較，如果料位高于量程的80%，啟動行走電機前行，同時雷達料位計繼續(xù)掃描直至料位低于80%，維持2 s 后開始啟動自動卸料系統(tǒng)進行卸料。由于木片倉鋼結(jié)構(gòu)密集而且木片灰塵較多，對雷達液位計測量產(chǎn)生較大的影響，雷達液位計料位測量值波動較大，測量值與實際值偏差大，雷達料位計存在經(jīng)常死機等問題。因此在調(diào)試過程中，通過屏蔽干擾信號、校準及更改響應(yīng)時間等措施，解決了雷達料位計測量不準問題及木片卸料系統(tǒng)全自動控制問題。

4.2? 皮帶秤計量不準問題

木片輸送系統(tǒng)的料流信號核心檢測元件是皮帶秤。在安裝調(diào)試過程中需要關(guān)注細節(jié)和規(guī)范，嚴格按照安裝技術(shù)要求進行安裝;在調(diào)試階段需要對皮帶秤參數(shù)正確設(shè)置和校準;在運行階段，需要制定巡點計劃，定期對皮帶秤進行檢查和維修保養(yǎng);對皮帶秤出現(xiàn)的問題，需要善于觀察、認真分析，采取有效的措施及時處理。

4.2.1? 皮帶秤的標定

皮帶秤能否準確測量的關(guān)鍵點是標定，皮帶秤標定的目的是稱量顯示值與實際值最大程度吻合，其測量誤差在容許范圍內(nèi)。通常通過砝碼、實物進行標定。

4.2.2? 皮帶秤的安裝

稱量傳感器與稱量支架的安裝與連接是極其重要的一環(huán)，是皮帶秤安裝的關(guān)鍵點，在安裝過程中需要克服超載、振動等環(huán)境因素帶來的影響;最重要的是確保稱量傳感器準確的感應(yīng)到皮帶的物料質(zhì)量，因此感應(yīng)的作用力必須在稱量傳感器的軸心位置。

5 結(jié)語

通過對年產(chǎn)30萬 t 化機漿木片輸送項目自動化儀表的工程建設(shè)和設(shè)計，探討了在大型木片輸送項目的工藝特點及自動化設(shè)備的關(guān)鍵要點和控制策略，從木片輸送系統(tǒng)運用的自動化技術(shù)、控制方案和策略及 PLC 控制系統(tǒng)的配置方面進行分析。生產(chǎn)過程中運用過程儀表、保護開關(guān)、PLC 控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等一體化技術(shù)可以實現(xiàn)對木片輸送系統(tǒng)的精準控制和運行;通過智能監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息可視與透明化、遠程維護和仿真校準，可以確保生產(chǎn)的正常運行。

智能化木片輸送系統(tǒng)建設(shè)的核心目標是以信息化、自動化和智能化“三化融合”將木片輸送系統(tǒng)生產(chǎn)無人或少人化，建成集智能輸送關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)、測試、試驗與服務(wù)一體的平臺，特別是要突破智能化建設(shè)的薄弱點，實現(xiàn)裝備換人、技術(shù)換人和管理換人，并把智能化改造作為提升安全保障能力的關(guān)鍵手段。我國木片輸送系統(tǒng)建設(shè)正處于智能化建設(shè)的關(guān)鍵時期，在不久的將來制漿企業(yè)的智能化生產(chǎn)水平能夠大幅提高，為企業(yè)創(chuàng)造大幅的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

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（責任編輯：楊苗秀）