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摘要：生活用紙屬于一次性消耗品，十年內很難有物品來代替生活用紙在生活中的作用，美卓公司研發的 Metso DNA 系統（ 現隸屬維美德公司）是當今唯一能覆蓋造紙所有工藝過程的控制系統。本文基于 Metso DNA 系統對衛生紙機的控制系統設計與實現進行了研究，介紹了 Metso DNA 系統的結構與特點，組態設計主要內容，在此基礎上闡述了基于 Metso DNA 的衛生紙機控制系統的邏輯回路組態、HMI 界面組態、SFC 順序控制設計、硬件選型以及后續工作。
關鍵詞：Metso DNA ；衛生紙機；衛生紙加工設備；DCS 控制系統 作者：王家星，夏英華，崔新法，楊劍波
作者簡介：王家星先生（1975-），碩士，取得美國 PMP 資格認證，自動化專業領域近 20 年工作經歷，現就職于金光紙業從事自動化工程設計工作
造紙業是一個與國民經濟發展和社會文明建設息息相關的重要產業，被國際公認為“永不衰竭”的工業。隨著經濟的發展，人們的生活水平不斷提高，消費者對生活用紙的需求不斷擴大，使得衛生紙生產設備也朝著連續化、自動化、重負載及結構復雜的方向發展 [1-3]。
美卓公司的 Metso DNA （Dynamic Network of Applications）系統，以技術先進和信息自由的網絡結構為依托，控制自動化及嵌入式現場控制應用為基礎，通過模板式控制程序、在程序模板中預先嵌入設備基本聯鎖保護功能、報警功能、死區設定功能及硬件錯誤信息等，所以美卓公司經過長時間的經驗積累，使其 DCS 在造紙行業的功能非常便捷和完善 [4]。并且美卓造紙有著悠久的歷史及先進的造紙機械，所以在造紙行業 Metso DNA 有著無與倫比的優勢。因此，本文基于 Metso DNA 系統對衛生紙機的控制系統設計與實現進行了研究。
1? MetsoDNA 系統介紹
1.1 Metso DNA系統結構及特點
美卓 DNA 系統與大多數 DCS 系統結構類似，硬件包括：PCS 過程站、OPS 操作站、ALS 報警站、BU 備份站、Infor 歷史趨勢站和 EAS 工程師站等。并且具有自診斷、遠程診斷和自我保護功能。其中過程控制站 PCS，既可用于接收上層控制信號，經計算通過 IO 卡件控制下層相關設備，又可接受來自現場設備的信號經過判斷、計算、上傳至操作員站。操作站是操作人員進行過程操作、監控現場工藝設備的上位機，具有良好的人機界面功能。BU站能夠存儲邏輯程序、HMI 人機界面、報警參數條件、Infor 信息等一系列系統數據。其他站點上電運行前需從 BU 站讀取相關所需信息，BU 站的設立可以將系統數據集中保存，分擔了過程站負擔，提高了系統的敏捷性，分散了系統節點的故障點，降低通訊阻塞可能，提高了組態工作的容錯率和銜接性 [1]。Infor 站不但記錄設備歷史狀態、操作記錄及歷史參數等，又可以曲線的形式展示出來，方便多個工藝設備對比，易于運行人員調控運行參數。工程師站則是工程技術人員進行組態和系統維護的平臺。
如 圖 1 所示是一個典型的 Metso DNA 控制系統 [3]，其 中 Control Room 是 中 央 控 制 室，Engineering & Maintenance 是工程師站，PCS 是過程控制站。操作站、BU 站、Alarm 站、歷史趨勢站和工程師站、過程站處在同一環形冗余網絡中，通過傳送速度 100 Mbit·s-1 的交換機連接，提高了整個裝置的可靠性和容錯率。Metso DNA 軟件包含DNA explore、Use Editor、Fb CAD、DNA Historian 等，滿足 DCS 的所有控制需求。硬件配置使用工業級別，現場層可做到所有的硬件全冗余設計。系統反饋的大量診斷信息以及硬件的熱插拔設計使得該 DCS 既便于維護又可連續生產。其系統總線和現場總線相整合，具有開放的、標準的通訊協議，使其擁有良好的兼容性和可擴展性。
Metso DNA 的維護工作是使用其專業工具，工程師能夠進行高效的編程和維護。報警功能，可分為工藝流程報警和 DCS 系統報警。工藝流程報警可以對工藝流程中的各種信號如液位、流量等分級報警，DCS 系統報警是對其系統和硬件部分報警，如 IO 卡件損壞等。軟件還自帶診斷功能，能及時診斷 DCS 運行中的錯誤并分析系統設計方面的問題等。
1.2 Metso DNA組態設計
1.2.1? 回路表設計
基于甲方提供的Instrument index，將所需參數導入到DNA explore 中， 表中應包含以下信息：回路號、設備名、信號名、描述、IO 類型、量程、過程站編號、IBC、CARD、CHANNEL、CARD PIN(+)、TM(+)、CARD PIN(-) 等。
1.2.2? 系統文件生成
Metso DNA 系統，可以自動生成系統文件，簡單易操作。圖 2 是生成的系統報警畫面，圖 3 是系統生成的工藝過程報警畫面。
1.2.3? 組態界面
美卓 DNA 系統畫面組態通過 DNA User Editor 完成，造紙行業工藝流程中的泵、閥門、罐體等均可在軟件內的模塊中找到，根據具體的工藝流程將所需模塊拖拽至組態界面，經過設置管道連接即可完成畫面組態，顏色設計美卓公司有詳細的色標號碼供選擇。內置的模塊方便了畫面組態任務的完成，操作簡便，即使零基礎人員學習也可進行相關的設計。
1.2.4? 回路窗口
回路窗口有兩種可能的視圖：基本視圖和擴展視圖。基本視圖顯示正常操作所需的基本信息。延伸視圖在回路的狀態上顯示所有詳細信息，同時也包括參數操作的命令按鈕。回路窗口顯示在基本視圖的桌面上。詳情請參見美卓公司的 desktop_user's_guide。回路延伸視圖顯示如圖 4 所示。基本視圖參見圖 4 的左側標識部分。
2? 基于 Metso DNA 的衛生紙機控制系統設計與實現
在實際工藝生產中，既要滿足相應的行業技術指標，又要對各設備供應商負責，還要考慮系統的成本以及將來的擴展和升級空間。根據工藝要求選擇適合于該工藝生產的先進產品。盡可能使得控制系統簡潔、經濟，使用和維護保養簡單易行。根據上一節提出的設計方案，使用 Metso DNA 進行組態設計，需要完成的工作依次為：系統設計、軟件組態、HMI 界面組態、聯鎖及邏輯控制編程、順控功能編程等。
2.1 衛生紙生產工藝過程
衛生紙機主要由流漿箱、網部、壓榨部、干燥部、卷取部構成。衛生紙造紙原料主要有漂白硫酸鹽針葉木漿（NBKP）和漂白硫酸鹽闊葉木漿（LBKP），圖 5 所示為衛生紙生產流程圖 [6]。
漿料的調制過程是造紙的另一重點，紙張完成后的強度、色調的優劣、紙張保存期限的長短直接與它有關。
2.2 系統設計
系統設計是根據甲方發布的招標技術要求，來量身定制的軟硬件配置。Metso DNA 系統依據其強大的可擴展性，硬件的可熱插拔性，僅在系統文件中按照既定格式寫入擴展的 PIC 機架地址信息即可。系統會智能讀取并識別確切的卡件類型信息。而且，項目的任何階段都可以修改硬件信息，非常方便。
2.2.1? 邏輯回路組態
打開 DNA explorer 軟件，將編輯好的儀表回路清單導入，如圖 6 所示。回路中 TAG 號碼、回路號碼、描述、PID 控制方向、掃描時間等，是在 Excel 中導入的，也可以在屬性中修改。為方便工程師編程，把每個回路分解成主回路和邏輯回路兩個文件，并做成模板，典型的邏輯、聯鎖模板中已經完成，工程師只需在邏輯回路中完成每個回路的個性工作。各功能是以模塊形式供工程師使用的，去掉了反復并繁瑣的類似 T型圖等編程工作。其各個模塊功能強大，如 ccob 模塊，該模塊功能非常靈活，既可根據模塊上面的順序號碼設置為信號傳輸的方向，又可以設置觸發脈沖信號等常用功能。如果需要，工程師只需要打開模塊屬性進行修改（ 比如 PID 的正反向、馬達啟動時間、閥門開關時間等）。美卓公司的邏輯回路，既包含各回路共性邏輯，又包含隱藏有待啟用的功能邏輯，如自動 / 手動狀態條件、強制條件等，實際項目應用中僅需工程師啟用此功能，可節約工程師大量編程時間及減少出錯概率。程序的掃描周期是可自定義的，默認設置為 1100 ms，此參數工程師可以根據工藝實際情況定義。執行周期太長，不利于工藝控制精度；執行周期太短，會增加 CPU 的執行內存負載。這一點有別于其他一些 DCS 供應商，掃描周期固定或者成倍率增加，也有別于 PLC 是根據程序量的大小自行定義程序的掃描周期 [7]。程序完成保存過程中，DNA explorer 會自行檢查程序中出現的低級錯誤，比如模塊號碼重復，無效或者空余模塊，無效地址等。在程序下載前，還可進行檢查（Check Options）選項，此時檢查包括是否有重復 IO 地址、所引用的回路號、引腳是否有效等。僅當檢查無誤后，才可把程序下載到過程站、BU 站、報警站等。下載選項：Add 為增加新的程序到過程站、BU 站、報警站、歷史信息站、事件站等。Replace 為替換選項，即替換原有的程序。Update 選項為新增程序的某一功能。Delete 選項是要刪除掉此回路。如果不慎刪除某程序或程序損壞，系統可以提供從過程站中 UPLOAD（上載）原始程序的功能。當然，整個程序可以隨時導出備份，以防硬件損壞或誤操作。
2.2.2? HMI界面組態
完成上位機 HMI 界面的軟件是 DNA Use Editor，工程師根據甲方的實際工藝需要來完成此項工作 [8]，并將管道、槽罐等根據內部不同介質定義不同色調。此功能是包含圖庫的，工程師根據需要直接從庫中調用并根據實際情況修改即可。畫面主調色的選擇是依據不容易使人眼疲勞的淺灰色。Metso 根據自己多年的造紙領域經驗，擁有比較成熟的畫面分隔技術和顏色調配經驗以及項目庫。
2.2.3? SFC順序控制設計
為增加 DCS 自動化程度，DCS 系統會增加順序控制功能，順序控制功能包括順序控制邏輯功能控制及 HMI 界面設計，還需對系統順控邏輯進行設計。順序控制的前提條件是將所有的設備設定為自動控制模式，然后系統要進行自動狀態判斷：all condition OK。在所有條件滿足后，會根據工藝要求，啟停或開關設備，如圖 7 所示為順序控制面板。順控是由步組成的，在其步中左面是步數及其簡述，中間是判斷此步條件是否滿足，右面是此步所要執行的命令。在順控控制面板中，能顯示操作人員所需的基本參數及狀態。步數條件的滿足是可以手動完成的，增加了工藝操作的靈活性。順序控制區分手動和自動兩種模式，手動運行時，順控運行一個周期后即停止運行，適應特使情況如槽罐、管道清洗；自動運行時，順控循環往復運行，增加其自動化水平，并節約人力資源。順序控制的條件和動作，是根據工藝流程的需要來設定的，以保證對工藝流程的連續運行同時保護硬件。在 DCS 控制中，除設備的基本保護聯鎖、基本邏輯外，順序控制是不可或缺的。如果從工藝的起始：漿包放置、鏈板輸送機、碎漿機，直到最后的紙機換卷的整個流程，從技術上來說，是能夠通過順序控制、聯鎖控制做到自動運行、一鍵開機的，這樣將會大大減少操作、維護人員的工作。但就目前國內的實際情況而言，還很難做到這一點，所有的順控都是按照工藝段分段運行的，幾乎做不到整個生產過程完全自動化。這個問題比較復雜，既有人員的固定思維、工藝整合能力問題，也有設備配置甚至質量問題，有待我們進一步提高自動化水平，做到一鍵開機，自動生產。
2.3 硬件選型
硬件系統一般由過程站 PCS、電源、底板 PIC、通訊模塊、IO 卡件和上位機（ 如：操作員站、工程師站、BU 站、報警站、打印機）等組成。美卓公司的過程站是緊湊型的工業計算機，可垂直或水平地安裝在集中式的 I/O 柜中。其既可獨立運行，又可使用 Compact Flash 存儲卡上的預安裝軟件，讀取并加載 BU 服務器中的所需程序。而安裝于其 RT節點上的附加模塊 PMM 單元 (Metso DNA 的個性化模塊 )，則可以用來進行識別和監控并能完成冗余節點之間的通訊功能。美卓的 I/O（MIO）模塊是配合過程控制器使用的現代 I/O 系列，它將集中式和分布式 I/O 的最佳特性集成在一個緊湊型設計中，安裝在 DIN 導軌上，簡化了系統設計和機柜組裝。根據信號類型分為 AI8、AO4、DI16P、DO16P 幾大類型。其中 AI模擬量輸入模塊，為適應現場不同儀表變送器的供電方式、電流 / 電壓測量方式等又細分為：AI8C、AI8CN、AI8V 等。任何一個模塊都可用于現場儀表變送器的兩線制、三線制等接線方式；同時，也可由用戶自行定義變送器的測量范圍 0/4~20 mA。AI8C 模塊和 AI8CN 的區別在于：AI8C 模塊的前四個通道可測量由卡件供電的變送器比如：液位、壓力等；5~8 通道為可調式，還可測量如流量、溫度、濃度、電流等由現場供電的變送器。AI8CN 僅可測量現場供電的儀表設備。部分解決了用戶對調試中的變更問題和備品備件儲存優化的問題。
如圖 8 為AI8C 控制原理圖 [7]。0~3通道：FP固定連接VS節點；4~7通道：FP連接VS或COM可選擇。圖8 AI8C控制原理圖其中 FP 連接 VS 和 COM，分別適用于儀表變送器的卡件供電和現場供電不同類型 [8]。
2.4 后續工作
后續工作還包括，通訊配置及通訊表制作、報表配置及制作、IMS 設置、OPC 配置、Infor 模板匹配及設定、GPS 時鐘同步、Alarm 數量設置、各站名稱及地址對應設置等，篇幅所限，不再敘述。
3? 結論
本文基于美卓公司的 DCS 系統，介紹了其系統的結構組成和優勢，并且結合衛生紙工藝生產，深入而系統地分析并介紹了 DCS 系統設計所需的各個關鍵步驟的方法，工作方式及其在工藝生產中的意義，同時描述了其硬件的特點及工作原理。隨著自動化技術的不斷發展，造紙工藝、自動引紙、自動換卷等技術的不斷成熟，一鍵開機或無人值守、自動生產等成為可能。不久的將來，由于人工成本的不斷提高，無人化工廠將會走近我們的視野。
參考文獻：
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[ 2 ] 徐蘇明，何永，薛國新．高速紙機配漿工段的控制方案與程序設計 [ J]. 紙和造紙，2017(1): 6-9.
[ 3 ] 湯偉，稅宇陽，王古月．中高速衛生紙機烘缸積水的振動特征分析 [ J]. 中國造紙，2019，38(5): 44.
[ 4 ] 郭崇云．華泰一項目榮獲山東省計算機應用優秀成果獎 [ J].紙和造紙，2013(10): 73.
[ 5 ] DNA_network_eng (Metso Internal documents) 2007.
[ 6 ] 謝舒煜，洪紅琴，雷光友，等．BF-12 高速衛生紙機工藝流程 [ J]. 造紙科學與技術，2008，27(5): 51.
[ 7 ] 崔起明，方明星，王亮敏，等．PLC、DCS、FCS 三大控制系統基本特點與差異 [ J]. 自動化技術與應用，2013，32(3): 91.
[ 8 ] Metso Automation Manuals 2007 Versions – Hardware-Manual product code: G2022_EN_01
Design and Implementation of Tissue Paper Machine Control System Based on Metso DNA System
WANG Jia-xing, XIA Ying-hua, CUI Xin-fa, YANG Jian-bo
[Sinar Mas Paper (China) Investment Co., Ltd., Shanghai, 200335 China]
Abstract: Domestic paper belongs to disposable consumables. It is difficult to replace the role of domestic paper in life for ten years. Metso DNA system is the only control system that can cover all the process of papermaking nowadays. This paper studies the design and implementation of control system for tissue paper machine based on Metso DNA system. The structure and characteristics of Metso DNA system and the main content of configuration design are introduced. On this basis, the logical loop configuration, HMI interface configuration, SFC sequence control design and hardware selection of control system for toilet paper machine based on Metso DNA are expounded. Type I and follow-up work.
Keywords: Metso DNA; tissue paper machine; DCS control system
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