946 浏览摘要
粘胶短纤维又称为人造棉，具有吸湿性好、手感柔软等特点，普遍用于制造各类服装和装饰用纺织品。在粘胶短纤维的生产过程中，纤维素需要与高浓度的碱反应生成碱纤维素，随之会产生大量高COD、高浊度的废碱液。连续膜碱回收技术用来去除废碱液中的半纤维素及大分子物质，进而实现废碱循环利用得到了广泛的应用。
连续膜过滤技术是一种新型膜处理技术，以超滤膜、中空纤维微滤膜为处理核心，设计配套的预处理装置、自清洗装置、加药装置和可编程控制器等，通过自动控制单元实现了恒压供水和恒流控制，提高了系统的运行稳定性。本课题采用福克斯波罗公司的I/ASeries控制系统，整体结构采用标准DCS分层，进行了恒压供液、比值流量配比、稳压差过滤控制方式及监控界面和历史数据管理的方案设计和组态，采用顺序控制编程实现系统一键启停功能。通过DCS控制系统，实现了全自动无人值守，经过现场调试已能够满足车间提出的工艺控制要求，现已投入生产使用。
关键词：DCS；碱回收；连续膜；顺序控制
目次
引言1
第1章绪论3
1.1粘胶短纤维发展现状及趋势3
1.2碱回收技术的发展与现状4
1.3DCS控制系统发展现状及趋势5
第2章系统方案设计7
2.1主要工艺流程7
2.1.1进料配碱工艺流程介绍7
2.1.2物料运行工艺流程介绍8
2.1.3清洗配液工艺流程介绍9
2.1.4顶洗工艺流程介绍9
2.1.5化学清洗工艺流程介绍10
2.2系统功能分析10
2.2.1系统功能需求11
2.2.2设备控制要求11
2.2.3工艺控制条件12
2.3系统控制方案设计16
2.3.1电气控制方案设计17
2.3.2仪表控制方案设计19
第3章DCS硬件设计20
3.1控制系统总体结构20
3.2控制管理层设计21
3.3过程控制层设计22
3.3.1控制处理器选型22
3.3.2系统控制点数统计23
3.3.3模块选型25
3.4控制网络设计26
第4章DCS软件设计28
4.1系统组态软件简介28
4.1.1系统组态软件介绍28
4.1.2建立数据库28
4.2硬件组态29
4.2.1控制处理器组态29
4.2.2现场总线模件组态31
4.2.3通道组态31
4.3控制组态32
4.3.1PID控制实现恒压供液35
4.3.2比值控制实现流量配比38
4.3.3串级PID控制实现稳压差过滤39
4.3.4顺序控制实现一键启停40
4.4历史数据管理组态46
4.5监控界面设计47
第5章系统调试50
5.1系统调试过程50
5.1.1通电前检查50
5.1.2硬软件组态下装50
5.1.3回路调试51
5.1.4水循环调试52
5.2系统试生产中出现的问题及解决办法53
5.3系统正式投用53
参考文献
第1章绪论
1.1粘胶短纤维发展现状及趋势
粘胶纤维又被称为人造纤维，它是一种以木浆、棉浆等天然纤维为原料的再生纤维素纤维，经过碱化、黄化等工序制得粘胶，后经湿法纺丝及后续工序处理而制成。根据其强度及延伸度等特点，主要有粘胶丝、普通粘胶纤维、富强纤维等[4]。粘胶纤维行业在我国起步于上世纪60年代，第一条生产线从德国引进。经过半个多世纪的发展，尤其是改革开发以来，各种政策的放宽以及扶持，目前我国粘胶纤维的产量已位于世界第一梯队。在生产设备上从之前的引进到现在的自主设计制造，从装备水平、自动化程度及生产规模和效率上，都有了长足的进步[5]。在产品研发方面，各企业通过自主研发来满足市场多样化的需求，如：超细旦纤维、竹浆纤维、麻浆纤维等，向着功能性、差别化的方向发展。粘胶纤维行业具有广阔的发展前景，但是在发展中我们必须坚持可持续发展战略，从原材料供应、环境保护及产品质量上来实现可持续的协调发展。
1）原材料供应
粘胶纤维的生产原材料主要以木浆与棉浆为主[6]，我国的森林覆盖率相对较低，木材供应量相对匮乏，国内每年的浆粕产量相对较少，不能满足市场需求，企业需要从国外进口成品浆粕，每年浆粕进口量就占国内总需求量的一半以上。进口木浆的价格受到市场经济的影响进而出现小幅度上调的现象，浆粕价格的普遍上调，提高了粘胶纤维工业的制造成本[7]。近年来随着粘胶纤维行业的稳定发展，产量增长迅速，随之原材料的需求量也增加，为了降低企业产品经营成本，许多企业通过新建浆粕生产线或者与浆粕公司签署长期合作意向等方式来维持原材料价格的稳定[8]。面对木浆类原料生产周期长、供应量匮乏以及生产原材料种类的限制，我们急需研发新型原材料来解决这一难题。现有国内一些生产企业所用原材料已经采用竹浆、麻浆等，产出竹浆纤维及麻浆纤维。
2）环境影响
原材料浆粕的生产工艺与传统制浆造纸业基本相似，生产过程中会产生大量的污染废水[9]。在粘胶纤维的制造过程中会与碱反应进行浆粕的浸渍，随之产生废碱液，后经过黄化时会与二硫化碳进行化学反应，在纺丝成型时生成硫化氢气体，产生的废碱液、废气的排放污染了环境，企业需对应增加废碱液回用设备、废气回收处理设备，对废液废气进行循环回用。针对粘胶纤维生产中产生的废气，各公司均采用先进的废气处理回收设备，如三友化纤采用长美公司的硫化氢及二硫化碳回收系统，利用先进的废气回收技术来对生产原料进行回用，既降低了生产成本，又减少环境污染[10]。另一方面，随着自动化控制技术的提高，日常工艺控制愈加精确，从生产过程中减少了废气废物的产生。发展新型溶剂型纤维素纤维是目前的一种必然趋势，通过溶剂的循环利用不经化学反应而产出粘胶纤维，从生产环节中解决了环保问题，做到零污染。
3）功能性、差别化
国内生产的粘胶纤维以普通丝为主，主要用来与天然或合成纤维进行混纺，为了提高可纺性，要求长度要与混纺的纤维长度相似，由此造成产品种类较单一，限制了使用范围。随着物质生活水平的不断提高，消费者不单单只限于传统的纤维制品，同时提出了其他的需求，如：穿着的舒适度、透气性能、染色性等，加之粘胶纤维企业生产成本高、利润低、竞争激烈，加快研发纤维产品的附加性能及产品的多样化成为了企业谋求生存的必经之路。至今已研发出如莫代尔纤维，超细旦纤维，竹浆纤维，着色纤维等具有特殊功能的纤维[11]~[13]。因此，从功能性、差别化的角度出发，研发新产品是粘胶纤维企业今后发展的主要方向。
1.2碱回收技术的发展与现状
传统的碱液回收使用的是透析法。这种方法是根据半透膜对于不同粒子通过的选择性来达到碱液的回用。废碱液中含有的低分子糖类和其它盐类物质不能透过半透膜，而氢氧化钠可以自由通过，由此利用半透膜来达到废碱液回收的目的[14]。常见的透析设备有板框式和槽式两种，其中槽式透析设备主体结构是一个长方形的铁槽，内部根据设备大小装有偶数个框，在每两个框中间添加一个透析网，内部覆盖着透析膜，每两个框组成一个单独的透析单元。制作透析膜时要先将透析袋用氯化镁溶液浸泡，然后分别沥干，再用碱液进行浸泡，此时氯化镁会和碱液发生化学反应，生成一个胶体薄膜，即透析膜[15]。形成的透析膜上面具有无数的微小孔洞，氢氧化钠分子可以自由通过，而废碱液中的大分子物质如半纤维素等则不能通过，从而可以把废碱液中半纤维素与氢氧化钠进行分离，达到碱液的回收。进行透析时，需要在透析袋内装入软水，将废碱液经管道放入铁槽中，废碱液中的氢氧化钠分子因半透膜的选择性而不断扩散并渗透到透析袋内，与袋内的软水进行混合后形成净液，如此就形成了连续性的透析，净液浓度随着氢氧化钠分子的进入不断增加，由于比重的增大而下沉，由铁槽底部的净液管道排出。袋外的废碱液浓度随之慢慢降低，由于比重减少而上浮，由铁槽上方的废液管道排出[16]。这种方法的主要缺点是设备生产能力低、厂房面积大、装机拆机繁杂、投资高等，很不适应大规模工业化生产[17]。
近年来兴起的纳滤膜分离技术作为膜分离技术领域的一种新型手段已经成功的应用于废碱液回收工业[18]。纳滤膜的孔径仅有几个纳米左右，废碱液在膜内外压差的作用下，其中的盐及其它小分子物质可以透过纳滤膜，而大分子物质则被纳滤膜所截留。纳滤膜截留的分子量的范围在20到2000切割分子量之间，其分离性能介于超滤和反渗透之间[19]，主要应用于水质的纯化、净化及液体中可用物质的浓缩等。纳滤系统在运行时采用错流过滤的方式，流经膜表面时会产生一种横向作用力将表面截留的大分子物质带走，与死端过滤方式相比，避免了运行过程中因膜表面截留的污染物过多而造成的堵塞现象[20]，可以长时间的保持纳滤膜的通量，实现连续运行[21]。
1.3DCS控制系统发展现状及趋势
DCS是分散控制系统（DistributedControlSystem）的简称，国内习惯叫做集散控制系统[22]。系统集合了计算机、显示、网络控制等技术，其核心思想是集中管理、分散控制，具有操作简单、组态方便等特点[23]。集散控制系统自1975问世以来，主要经历了三代产品[24]。从各代产品的功能特点来看，系统的发展有三个方面：
1）系统功能由现场控制层向生产管理层扩展；
2）控制功能种类增多，由最初的单回路控制到现在的批量、顺序、配方、逻辑控制等；
3）开放性的公开标准，方便系统集成；
第一代DCS控制系统以Honeywell公司1975年推出的TDC-2000系统为典型代表，由控制单元、数据处理单元、管理计算机及数据通道等部分组成[25]。以实现功能为重点，人机界面交互性弱，且各个厂家有专有产品，造成系统价格昂贵，运行维护成本高。
第二代DCS控制系统是指在1980至1985年间问世的控制系统，主要以Honeywell公司的TDGC-3000为代表。这一代DCS的主要改变就是将局域网作为系统数据交换方式，提高了信息交换速率。系统结构由控制站、操作站、网关等构成，系统在规模和容量方面得到增大，方便系统的扩展[26]。
第三代DCS控制系统以Foxboro公司1987年推出的I/ASeries为代表，这一代DCS控制系统加入了上层的生产管理功能[27]。整个系统有现场控制层、控制管理层和生产管理层，体系结构已接近于现代DCS系统的标准结构模式[28]。随着计算机、自动化、通信技术的发展，实现企业信息、经营、生产管理的集成制造系统是DCS系统发展的目标。
第2章系统方案设计
本项目为某化纤公司新建粘胶纤维生产线，将粘胶制备的废碱液通过膜过滤的方式回收其中的氢氧化钠，从而减少生产上新碱的投入量和废液的排放。项目采用了连续模过滤技术及配套的主体设备，配合DCS控制系统来实现整个碱液回收过程的自动化控制。
2.1主要工艺流程
连续膜过滤技术是一种新型膜处理技术，以超滤膜、中空纤维微滤膜为处理核心、同时设计配套的管路、阀门、预处理装置、自清洗装置、加药装置和可编程控制器等，形成一个闭路连续的操作系统。通过采用自控系统来实现对所有现场设备以及各个工艺控制参数的操作和监控，整个控制流程可以实现全自动控制，无需人员值守。
本项目采用连续膜过滤技术，按照技术要求并结合工艺实际控制流程，将整体工艺流程分为五个部分，即进料配碱、物料运行、顶洗、化学清洗和清洗配液。其中进料配碱为废碱液预处理单元、物料运行为膜系统的中心处理单元、清洗配液、顶洗和化学清洗为自清洗单元，配合DCS系统作为自动控制单元，实现了采用连续膜过滤技术的碱回收系统。
2.1.1进料配碱工艺流程介绍
进料配碱的工艺流程为废碱液与软水按比例加入到静态混合器中，经过充分的混合后进入到进料桶中，成为膜系统的进料。此流程为整个系统的原料供应部分，要求调配的碱液浓度符合膜系统的浓度要求，过高或者过低会影响膜的过滤效果以及膜的使用寿命。
进料配碱工艺涉及到的设备有两个进料桶、两个开关阀、一个调节阀、一个流量、两个浓度计和一个静态混合器。进料桶用来存放调配好的废碱液，作为膜系统的进料储罐。每个储罐进口各自配有开关阀门一个，用来控制调配好的废碱液去往1#进料桶还是2#进料桶。调节阀用来控制软水的瞬时加入量，软水的加入量是根据废碱液浓度、进料桶液体所需浓度以及废液瞬时流量计算得出。为了使废碱液与软水充分混合，保证膜过滤的效果，在进料桶前加装静态混合器。进料配碱工艺流程简图如图1所示：
2.1.2物料运行工艺流程介绍
物料运行是指将进料桶中按一定比例调制好的废碱液送入纳滤膜系统，通过纳滤膜系统的三级过滤功能，得到黑液和净液的过程。物料运行工艺中设计到的设备主要有进料泵、高压泵、高压循环泵、浓缩液调节阀、纳滤膜以及配套管路的流量计、开关阀、压力变送器。其中进料泵负责将进料桶内废碱液输送至膜系统，进料泵为变频控制，可按照进料泵出口压力设定值自动调整泵速，满足系统压力需求。高压泵负责将进料泵输送来的液体进行增压，膜过滤系统正常运行时有最低的压力需求，我们需要用高压泵来满足系统需求。高压循环泵的作用与高压泵类似，主要是对各级膜进行压力和循环流量的补充，保证各级膜的流量和压力需求。本部分中最重要的设备为浓缩液调节阀，系统运行时，我们根据工艺需求设定浓缩系数，自动控制时，调节阀的流量设定值根据膜系统进口总流量与各级膜出口流量总和的比值来计算得出，主要用来控制废碱液回收百分比。：
2.1.3清洗配液工艺流程介绍
清洗配液是指调配纳滤膜清洗用的清洗液，需要通过净液和软水比例混合后控温并达到系统设计要求。纳滤膜产出的净液流至净液桶，通过净液泵将净液送到清洗桶中，净液管路上安装流量计和调节阀，同时在软水管路上也装有流量计及调节阀，在净液和软水混合之前调节好混合比例。由于混合用软水通常为常温水，为了保证清洗的效果，所以还应该使用蒸汽进行适当的升温，将混合后的清洗液温度控制在40℃左右。
2.1.4顶洗工艺流程介绍
顶洗是指物料运行结束后，需要用配好的清洗桶内的清洗液冲洗膜系统。将膜内剩余碱液经过滤分别送到进料桶和净液桶，其工艺流程如图4所示。本部分涉及到的设备主要是清洗桶和清洗泵。清洗桶在调配好清洗液的情况下，启动清洗泵并开启去进料桶和净液桶的开关阀门，用清洗液去将物料运行时遗留在膜内的废碱液经过滤系统冲洗出来，确保下步化学清洗时膜内系统无废碱液。
2.1.5化学清洗工艺流程介绍
化学清洗是指顶洗结束后，用清洗桶内剩余的清洗液对整个纳滤膜系统进行清洗，让清洗液在膜与清洗桶之间循环，通过整个循环过程将膜表面及滤芯进行冲洗，循环时记录各级膜的压力变化，通过压力的变化观察系统化学清洗的效果，压力达到要求时停止循环，然后继续物料运行过程。其工艺流程如图5所示：
2.2系统功能分析
采用连续膜过滤技术的碱回收系统，工艺过程比较复杂，同时需要控制的工艺参数众多，需要实时根据参数进行自动调节，给系统功能的实现增加了难度。整个过程控制的精确度和及时性直接关系到整个碱液回收系统回收质量的好坏，其控制的难点主要体现在：
1）连续膜过滤是一个连续性的生产过程，系统被测量采集位置及安装方式一定程度上影响了现场参数采集的准确性。
2）在整个生产过程中，我们需要根据实际的温度、压力、流量等参数来实时调节对应的执行结构，如泵和调节阀等，控制精度需要提高。
针对上述问题，在进行系统方案设计时要着重考虑可能对系统控制产生影响的各类条件，最大限度的减少影响。这就需要我们对工艺控制要求及现场仪表设备做到详细的分析，找到其中的关键点，针对这些关键点在工艺控制条件的设计和仪表的选型以及安装的时候特别注意，找出最佳的方案。
2.2.1系统功能需求
根据项目的工艺控制流程和现场电气仪表设备的特性，自动控制系统需要实现的功能主要有几个方面：
1）根据生产控制需求，实现整个系统设备的自动控制，设计必要的设备连锁条件及设备安全保护条件；
2）实时显示现场电气仪表设备的各项运行数据，具有报警值设定功能，对电机、阀门等设备有设备运行报警功能；
3）对生产中的各类参数进行历史记录，并设计实时趋势和历史趋势显示；
4）对操作员的操作过程进行记录；
5）对控制系统硬件运行情况及控制网络进行监视，有硬件报警信息；
6）监控画面符合实际设备走向流程，显示生产需求的各类参数；
2.2.2设备控制要求
碱回收系统现场的各类电气仪表设备是实现整个生产流程的基础，生产过程中对各类控制参数的调整需要对应的设备来实现，因此对电气仪表设备的控制质量直接影响碱液的回收量，生产则需要增加新碱液的投入，提高了生产的原料投入。现场各类泵的控制方式有远程控制和本地控制两种。在现场安装开关控制箱，并装有本地、远程控制方式切换旋钮，以及设备电源开关和本地控制的启动、停止按钮。
1）远程控制时，自控室的操作人员可以对设备进行启动、停止操作。
2）本地控制时，设备的启动操作由现场人员通过启动、停止按钮来进行操作。
3）发生故障或者检修时，需将现场设备电源开关断开，确保安全。
在自控室的监控画面上能够显示当前设备的控制方式及运行状态，操作员可以由此进行判断当前的设备运行情况以及可以进行哪种操作。本项目通过在对应设备图形的四角进行角标字母标识及设备运行背景颜色来区分：
1）角标字母L，显示的时候代表设备处于本地控制，需要由现场进行启停操作，当L消失时，表示设备处于远程控制，由自控室进行设备控制；
2）角标字母M，显示的时候表示设备在手动模式，需要由操作人员手动启停，M消失时，表示设备处于自动模式，由系统设定的启动停止条件自动启停。
3）设备开启且反馈信号正常时，设备底色变为紫色，反馈信号不正常或运行故障的时候，角标F显示且设备底色变为灰色，提示操作人员设备运行故障。
2.2.3工艺控制条件
本项目的碱回收系统采用连续膜过滤技术，需要在整个过程中，系统中的各类设备按照预先设定的启停顺序来进行，否则会对设备及生产造成伤害和影响，甚至发生安全事故。因此我们需要对设备间的控制条件进行明确，设计必要的设备间连锁，对涉及到的容易发生突发情况的设备还要设计必要的安全连锁条件，防止设备运行过程中发生设备事故和安全事故。
1）进料配碱控制条件
根据实际工艺需求，在进碱管路上加装浓度计，进行碱液浓度的测量，为进料罐中碱液浓度自动调配提供数据依据。
仪表的联锁控制：（1）进料罐液位的控制：在两个进料罐底部均装有液位计，用来实时监测进料罐的液位，当液位达到高报警时，联锁关闭进碱和软水的调节阀，防止冒罐现象的发生。当液位达到低报警时，联锁关闭膜进口阀门，保证进入膜内的是液体，否则容易对膜内滤芯造成损坏。（2）进料阀门与软水阀门比例调节：依据测量的减浓度与实际需求的进料配碱浓度，进行比例运算，固定进碱阀门开度流量后，自动调节软水阀门开度，使流量值控制在比例运算范围内，确保配碱浓度准确、稳定。
2）物料运行控制条件
电机的启停控制：进料泵、高压泵、循环泵均为自控室远程控制启停。其中进料泵、高压泵、循环泵均加装变频器，可以通过监视画面进行手动频率给定来控制电机的实际转速。启动时按照进料泵、高压循环泵、高压泵的顺序延时启动，当其中一台启动失败时，按照联锁停机要求逆序延时停止，其控制条件
现场仪表联锁控制：（1）进料泵的变频器的远程给定信号自动控制时与高压泵进口压力值联锁，通过采用PID控制根据高压泵的进口压力值来对进料泵的给定频率进行自动调节。（2）高压泵的变频器的远程给定信号自动控制时与高压泵出口压力值联锁，通过采用PID控制根据高压泵的出口压力值来对高压泵的给定频率进行自动调节。（3）高压循环泵的变频器的远程给定信号自动控制时与各级膜的前后压差值联锁，通过设定膜的前后压差值来实现联锁控制，这里的调节用到了串级PID控制方式。（4）当进料罐液位到达低液位报警值时，关闭进料阀门及物料运行过程。（5）当运行过程中，高压泵进口压力达到低低压力报警联锁值、废碱液的温度达到高高温度报警联锁值、膜进口压力达到高高压力报警联锁值时系统判定为故障状态，进入连锁停机过程。
3）顶洗控制条件
电机的控制：本模块涉及到的电机为清洗泵，由自控室远程控制启停。当阀门开启后，清洗泵延时启动，顶洗设定时间达到后，停止清洗泵，其控制条件如图7所示。
仪表的联锁控制：（1）顶洗过程中如果阀门出现故障，则自动停止该过程。（2）清洗桶液位大于设定值，且调配过程完成时，可以进行顶洗。（3）顶洗过程中清洗桶液位达到低液位报警值时，停止该过程。4）化学清洗控制条件
电机的控制：清洗泵、循环泵均为自控室远程控制启停。其中循环泵均加装变频器，可以通过监视画面进行手动频率给定来控制电机的实际转速。启动时按照控制要求依次延时启动，其中循环泵为固定频率值启动，停止时按照顺序依次停止，其控制条件如图8所示。
仪表的联锁控制：（1）当清洗桶的液位值大于低液位设定值时，才会开启管道各阀门，进入化学清洗过程，期间如果出现低液位报警，同样停止该过程。
（2）当清洗泵启动10秒后如果管道压力低于设定值，同样联锁停止。
5）清洗配液控制条件
电机的控制：本模块涉及到的电机有清洗液循环泵、清洗液外排泵，均为自控室远程控制启停。当清洗桶液位到循环液位设定值时，清洗液循环泵自动启动，当清洗桶的液位和温度都满足条件时，循环泵自动停止。
现场仪表的联锁控制：（1）进料调配与进料配碱调节阀比例控制一样，根据设定比例值，调节阀自动控制软水加入量。（2）清洗罐装有温度计，配置时循环泵启动，将调配液经过换热器来将温度升高到需要的设定值，此时需要根据温度来自动控制蒸汽阀门的开度，通过循环过程，使整个罐内各层液体均达到设定温度。
（3）清洗罐液位的控制：在两个清洗罐底部均装有液位计，用来实时监测进料罐的液位，当液位达到高报警时，联锁关闭净液和软水的调节阀，防止罐内液体溢出。当液位达到低报警时，关闭外排泵及阀门。
2.3系统控制方案设计
根据工艺生产流程的分布情况和设备特点，控制系统设立一个自控室，一个辅助室和一个MCC室（Motorcontrolcenter），用来实现整个生产工艺流程的自动化控制，并完成对现场电气仪表设备的控制、各类参数的采集及交互等。
由于本项目为对整个粘胶制备过程产生的碱液进行回收，根据现场实际设备的数量多少和工艺实际需求，对整个自动控制系统进行分线处理，分线时遵循原则如下：
1）生产中关系紧密的电气、仪表设备，要分配到同一线；
2）对于公用性的设备要根据需求次数及连锁条件，做到尽可能的减少设备问题时对系统运行的影响；
3）根据实际控制点数及需求，做到两条线I/O点数平均分配。
根据以上原则，本项目分为两条线，即两个控制处理器来完成整个控制过程。将碱回收的现场的电气仪表设备分别按照点数分配连接到各自的系统接口柜。
2.3.1电气控制方案设计
1）电机选型及调速
根据工艺控制需求及公司采购备件的通用性，本项目的电机选用三相异步电动机，便于实现压频比控制调速，电机功率大小按照工艺实际需求选择。
根据控制条件，需要进行调速的电机为进料泵、高压泵和高压循环泵，这里我们采用变频器调速的方式来进行控制，选用施耐德公司的ATV930变频器。因电机功率大小不同，我们分别选择对应功率的变频器。在参数设置时，电机的基本参数要与电机铭牌所标注的参数完全一致，典型参数设置如表1所示：
路器及熔断器用作短路保护，接触器用来实现失压保护。用变频器自带功能实现过载、接地等保护。本项目的变频控制电气原理图如图9所示：
2.3.2仪表控制方案设计
测量仪表在生产过程中起采集现场设备数据，实时将数据反馈给控制系统的功能[29]。仪表在安装时一般要与各种介质直接接触，在选型时首要考虑的就是介质的特性，要保证仪表的耐用性，同时还需要设计合理的控制方案，对于现场数据采集和执行机构的控制精度会起到重要的作用。
1）信号类型
本项目涉及到的被测量有温度、压力、流量、液位和浓度，统一采用4-20mA
输出信号到模拟量输入模块。
2）仪表选型
在仪表选型时，浓度测量选用质量浓度计，温度测量选择一体化温度变送器，压力和液位测量采用压力变送器，流量测量选用电磁流量计。
3）材质
本项目中的废碱液为碱性流体，故应采用耐碱的护套材料，以防长时间使用时被液体腐蚀，造成仪表损坏[30]。
4）防电磁干扰
在仪表接线时应该考虑到电磁场等对传输信号的干扰，本系统采用带屏蔽层的双芯电缆作为仪表接线，并且在辅助室单侧接地。
第3章DCS硬件设计
本项目采用施耐德公司的FoxBoroI/ASeries控制系统，整体结构采用标准DCS分层，分为：现场设备层、过程控制层、控制管理层，它们通过系统控制网络构成一个配合紧密的整体[31]。
本项目设两个控制站：一线碱回收控制站和二线碱回收控制站，系统要实现的各种控制功能包括逻辑控制、顺序控制等均由辅助室内的过程控制站独立完成。现场控制站与自控室内的操作员站通过搭建的高速数据通讯网络进行通讯，从而形成一个完整的集散型控制系统。
3.1控制系统总体结构
本项目的控制系统体系结构设计如图10所示，控制系统体系结构主要由三部分构成：控制管理层、过程控制层和控制网络。
图10控制系统体系结构
3.2控制管理层设计
控制管理层的设备主要包括工程师站、操作员站、数据服务器、历史服务器。考虑到环境因素的影响，我们把操作员站、工程师站、数据服务器和历史服务器放置在自控室内。
1）操作员站
操作员站装有I/ASeries专用的实时显示软件FoxView，提供的功能包括监控画面、报警信息、历史画面的显示，现场设备对应的各类控制弹窗以及系统网络、硬件状态的监控画面[32]。操作员可以远程控制设备启停，及时的发现设备的各类报警信息及整个工艺流程当前的运行状态，针对当前状态及时做出参数调整。
2）工程师站
工程师站装有I/ASeries系统的组态软件ControlEditor和监控软件FoxView，主要用来完成系统的软件组态，同时工程师站可以对整个系统网络硬件通讯情况进行监视和卡件运行上下线及控制处理器重启等操作，并且对系统硬件报警有屏蔽及忽略的操作权限，同时具有操作员站的所有功能[33]。
3）数据服务器
在I/ASeries系统中需要在网络中选择一台计算机作为数据库服务器
（Server），在这台服务器中我们会安装关系型数据库（Galaxy）来作为I/ASeries系统的数据库[34]，在整个系统网络中的所有要做组态控制方案的计算机都必须连接到这台服务器的数据库，这里我们将工程师站与数据服务器共用一台计算机。
4）历史服务器
历史服务器装有历史库软件，用来对实时数据进行采集、处理，并进行归档操作，为实时趋势显示、历史趋势及数据查询、报表数据生成等功能提供原始数据
[35]。历史服务器同时也为工程师和操作人员提供了数据收集、处理和显示接口。
这里我们采用单独一台服务器来作为历史服务器，保证历史服务器的运行不被其他操作影响。
对于控制站的设备选择我们需要遵循以下原则：
1）稳定性原则：在能够满足我们所需操作功能的基础上，必须具有很高的稳定性，即能够保证长时间正常运行，尤其在选择服务器时，尤为重要。
2）快速性原则：在我们进行各类操作及现场数据实时显示时，控制站能够快速的得到响应，不能有延时的情况发生。
根据系统的控制要求，本项目设有4台控制站，其中包括数据库服务器1台，历史服务器1台，操作员站2台。具体型号如表2所示：
3.3过程控制层设计
3.3.1控制处理器选型
控制处理器是整个自动控制系统的核心设备，现场采集的各类温度、压力、流量、液位及设备的运行故障等信号最终都会输入到处理器来进行逻辑运算，同时按照预定的控制逻辑将计算后的结果进行输出来控制现场设备，以完成对整个工艺流程的控制。
根据项目的需求，在控制时我们用到了逻辑控制和顺序控制。我们选用的处理器为福克斯波罗公司新一代的处理器，其型号为FCP280。相比于上一代处理器FCP270，FCP280可以不需要网络通讯模块而直接与现场总线组件进行通讯，同时在运算能力、负载能力上都得到了成倍的提升。处理器具备容错功能，提高了系统的安全性和稳定性，副处理器随时保持与主处理器的信息一致且主、副处理器会在发送信息前进行字节对比，字节不一致时信息将不会发送，确保主、副处理器处理数据的准确性。它可以完成连续控制、逻辑控制和顺序控制等功能，完成数据的采集、处理以及报警信息的传送等功能。
本项目选用的FCP280控制处理器，需要用配套的安装底板。控制器上有一个液晶显示屏，用来显示当前控制处理器的设备编号、运行状态等信息，前面板上有三个实体按钮，用来设置控制处理器的编号，根据I/ASeries系统的处理器编号标准，需用六个字符进行标识，本项目的处理器编号为CP1001和CP1002。同时底板上有2个控制处理器安装插槽、2个网络适配器安装插槽、4个现场总线连接端口及2个冗余电源供电插口。通过网络适配器上的光纤接口连接至交换机进行通讯，其光纤类型为多模光纤。网络适配器上带有网络运行指示灯和底板供电情况指示灯，方便巡检维护。每个现场总线连接端口最多可连接4块I/O底板，每个底板可装8个现场总线模件，故FCP280最多支持128个现场总线模件。
本项目根据实际需求选用2对控制处理器，并配以型号对应的的处理器底板和网络适配器，
3.3.2系统控制点数统计
本系统的现场设备主要包括四套膜过滤设备、一套进料配碱设备和一套清洗配液设备。数字量信号来自电机的运行信号、故障信号、本地远程信号，开关阀的开、关位置反馈以及电机的启停、开关阀门的开关命令。模拟量信号来自现场各类电机的频率信号、电流信号，储罐的液位、管道的流量、压力以及调节阀的开度控制信号。在进行点数统计时，按照设备类型及信号类型对点数做DCS系统组态用的位号标识。本项目中以“EU”来代表电机，“KS”来代表阀门，“PI”代表压力显示，“FI”代表流量显示，“Y”代表模拟量控制输出，“CO”代表数字量控制输出。下面以一套膜过滤设备为例，对输入、输出点数进行统计，统计数量如表4、表5所示，整个系统点数统计如表6所示：
3.3.3模块选型
输入输出模块是自动控制系统的输入、输出设备，所有的信号都要经由输入输出模块来进行传递。其主要就是采集现场的模拟量信号和数字量信号将其转化成能被DCS控制系统接收的数字信号，经控制器分析运算后将其发出的数字信号指令转换成模拟量信号或数字量信号送到现场仪表，起到中间数据转换的作用。
I/ASeries控制系统的输入输出模块由两部分共同组成，即现场总线模件和TA-端子排。现场总线模件简称为FBM卡件，TA-端子排简称为TA板。FBM卡件和TA板之间通过预制电缆连接，完成相应通道间的数据传输。FBM卡件则安装在对应的模件底板插槽上。现场电气仪表设备的模拟量和数字量信号线通过光耦和端子等将信号连接到TA板端子输入端，TA板通过预制电缆与FBM卡件连接。首先接收到的现场信号送到TA板上，然后FBM卡通过I/O底板将信号传输至控制处理器。输出指令同样输出到FBM卡件然后再送到TA板，通过输出端子和继电器等将信号送到现场电气仪表来实现控制。FBM卡件和TA板的型号必须对应，而且连接的预制电缆有类型要求，模拟量传输需用TYPE4，数字量传输需用TYPE1，型号不对应时无法实现信号传输功能。
现场总线模件分为模拟组件和数字组件，其中模拟组件设计有8个通道，数字组件为16或32个通道。
我们根据现场的实际信号类型来选择相应的型号，具体选择如下：
1）FBM201，即模拟量输入卡（AI）。8个模拟量输入通道，负责接收现场仪表变送器或变频器等反馈的连续性电流信号（4-20mADC）并转换成控制处理器能接收的数字信号。
2）FBM237,即模拟量输出卡（AO）。8个模拟量输出通道，负责将控制处理器输出的数字信号转换成连续性的电流信号（4-20mADC）到现场仪表或者变频器频率给定，来实现现场气动调节阀开度或变频器运行转速的控制。
3）FBM217,即数字量输入卡（DI）。32个数字量输入通道，负责采集电机的运行、故障信号，电机的低速保护信号，开关阀的开、关信号给控制处理器。
4）FBM242,即数字量输出卡（DO）。16个数字量输出通道，负责将控制处理器输出的数字信号转换后输出，控制接口柜内的继电器和数字量回路。
现场总线模件的正面都会有卡件状态指示灯，其中一个为供电状态指示灯，正常时为绿色，另一个为卡件故障情况指示灯，有故障变成红色。通过指示灯我们能方便的判断卡件的运行情况。数字量输入输出卡正面有各个通道的输入输出指示灯，通过指示灯我们能看出所有通道当前的输入输出情况，便于发生问题时故障点的分段，加速问题的处理速度。
根据项目实际点数需求，结合每个组件的通道数量，项目所需各类型卡件数量：
碱回收控制系统是一个连续运行的控制系统，在实际的生产过程中，各类现场电气仪表设备时刻都在与现场总线模块和控制处理器进行数据交换，同时数据服务器与历史服务器及操作员站也在与控制处理器进行实时数据交换。控制处理器与现场设备之间通过现场总线来进行数据交换，而操作员站等控制站与控制处理器的通讯则通过光纤交换机网络来进行数据交换。各类设备间的数据交换必须保证实时性和稳定性，因此我们需要设计出稳定性强、实时性高的网络结构来满足整个控制系统的连续运行的要求。
控制网络是整个自动控制系统网络的核心，各类数据在工作站、输入输出模块和控制站间通过控制网络来进行传输。实现了对整个控制系统的控制和监测，同时为工厂的信息化管理提供了一个数据平台。
I/ASeries系统的控制网络为MESH控制网络，这个网络以国际标准化组织（ISO）所定义的开放系统互连（OSI）标准为基础，并符合IEEE的规范，是按照局域概念构造的标准网，它基于IEEE802.3u（快速以太网）和IEEE802.3z（千兆网）技术，通过以太网交换机由各类网络拓扑结构组合而成[35]。MESH控制网络的核心思想是为控制网络中的任何两个设备间的通讯提供多条路径，使得设备间的通信功能不会被单点甚至多点故障受到影响，在冗余性能方面得到很大了提高。MESH网络具有简单的网络结构，维护简单，可利用性高，同时MESH网络采用全光纤实现网络通讯大大地增加了系统的抗电磁干扰能力[36]。
MESH控制网络有四种基本的网络拓扑结构，它们是线形结构、环形结构、星形结构和倒树形结构[37]。
由于本项目较小，这里我们采用星型结构来作为系统的网络控制结构。我们共用到四台交换机，类型均为24口光纤交换机。其中两台放于辅助室用来近距离连接控制处理器，另两台放于自控室用来连接工作站。控制处理器和工作站之间的连接以及交换机间的互联均采用多模光纤进行连接。
第4章DCS软件设计
本项目采用的是施耐德公司推出的FoxBoroI/ASeries控制系统，相对应的系统组态软件为ControlEditor，监控组态软件为FoxView/FoxDraw，历史数据库管理软件AIM*Historian。软件组态由硬件组态、控制组态、历史组态和监控组态四部分构成。
4.1系统组态软件简介
4.1.1系统组态软件介绍
本项目通过使用系统组态软件ControlEditor来完成整个控制系统的控制处理器硬件组态、现场总线模件组态、通道组态和控制策略组态的工作，软件支持在线组态、在线下装、在线数据监视、离线组态、程序组态备份和恢复等功能[38]。
系统组态软件安装在数据服务器上，直接与系统的数据库相连接，并通过控制网络与各个控制处理器相连接，进行数据同步。系统组态时我们需要建立一个项目的数据库，建立之后我们需要通过软件来连接数据库后，根据需求进行硬件组态和软件组态工作，完成后进行组态下装等操作。
4.1.2建立数据库
根据I/ASeries系统组态要求，我们首先用组态软件建立系统所需的关系型数据库（GalaxyDatabase），建立完成之后打开数据服务器上的ArchestrAIDE软件来连接进行数据库的连接操作，连接成功后我们可以在进入的界面上完成各项组态工作。数据库的建立和连接操作如图11、图12所示：
4.2硬件组态
数据库建立完成并且成功连接后，接下来我们要做的是硬件组态工作，I/ASeries的硬件组态包括控制处理器组态、现场总线模件组态和I/O通道组态三部分。
通过系统管理器可以查看当前硬件的组态情况并实时监测硬件运行状态，只有硬件组态全部正常后，方可进行后续控制组态工作。
4.2.1控制处理器组态
本项目根据实际选型需要及工艺分线需求，在组态软件中分别对一线碱回收控制器和二线碱回收控制器进行控制处理器组态。
控制处理器的组态包括处理器型号选择、工作方式选择（单CP或容错）、机器的IP地址设定、基本处理周期等参数信息。
添加控制处理器时，我们可以直接在项目上鼠标右击新建控制处理器，在添加完成后，首先要更改处理器的名称，将处理器的名称设为与处理器面板设置名称一致。其次选择工作模式为容错模式，此时需注意实际硬件需安装一对控制处理器，否则容错功能不生效，并且会出现系统报警。在系统监视选择框中，我们需选择与控制处理器直接连接的交换机名称，选择不正确，硬件监视功能将无法正常使用。之后需设置数据服务器名称，作用是实现处理器与服务器的数据同步，本项目中数
4.2.2现场总线模件组态
在完成控制处理器的组态后，我们根据项目预先定制的卡件所需排布进行对应类型的现场总线模件组态。组态是根据系统要求更改添加模件的名称，使其符合实际生产中定制的卡件编号，方便查找硬件组态中的物理组件。图15、图16所示为添加一个名称为CP0101的模件的操作及参数设置。
4.2.3通道组态
在现场总线模件添加完成后，我们需要按照定制的通道表来对每个模件的每个通道进行I/O通道分配操作。该操作的作用是定义到每一个通道对应的连接信号，后续组态时可以根据实际组态需求来使用对应的通道。I/O通道分配设置如图17所示：
4.3控制组态
在硬件组态完成之后，就可以进行控制组态的编写工作。控制组态主要是根据工艺生产的实际控制需求和设备控制要求，通过使用对应的编程语言来搭建完成系统所需的各类控制功能。I/ASeries系统在进行组态编程时，我们需要遵循其制定的组态编程方式，按照系统的要求，根据本项目的实际控制需求，并结合现场实际设备控制方式，在进行组态时对单个设备的控制我们采用系统提供的标准控制块来实现，标准控制块能够满足常用的控制需求，而且组态逻辑简单，避免了自己设计控制块的繁琐与不确定性。组态软件中提供的电机块为MTR块（马达控制块），能够实现电机的手自动控制、启动停止功能、运行状态不匹配报警、输出脉冲选择等常用功能。实际应用中按照需求自己搭建逻辑块去连接MTR块的各个功能管脚，来实现对应的功能。下面以进料泵为例，对电机控制组态做说明。整个电机控制组态以马达控制块为核心，其对应的输出管脚COUT_1用来将马达控制块逻辑控制的结果输出至数字量输出通道，对应模件将控制信号进行输出，输出继电器接收信号后进行通断来达到控制电气控制回路的目的。在马达控制块的左侧为输入管脚，编程时为了实现电机的各类保护，我们需要连接的管脚为MSTAT(电机运行状态）、AUTRUN（自动启动）、DISABL（故障）、MMAIND（不匹配）。在MSTAT管脚中，我们需要采集的信号包括电机的运行信号、故障信号、转速信号、电流信号，只有当这四种信号的反馈状态与当前马达控制块的输出状态一致时，系统判定为电机运行状态正常，否则出现运行状态不匹配报警，并且强制输出为零，使设备停止。同时在故障管脚连接设备运行时必要的安全保护联锁信号，本设备连接的联锁信号包括进料罐的液位低低报警信号、管道的压力高报警信号等，当其中的某一信号报警时，强制控制块至故障停机状态，不允许设备运行，达到保护设备的目的。图20为电机控制组态：
图20电机控制组态
开关阀门的控制同样采用组态软件提供的功能块来实现，阀门控制块为VLV。其输出管脚作用同马达控制块一样，在此不再说明，与马达控制块不同的是其输入管脚，阀门控制块对应的反馈信号只有阀门的开位置反馈和关位置反馈。下面以清洗配液循环阀门为例，当满足循环条件时，自动启动管脚置1，阀门开启，只有当位置反馈正确，阀门开启过程完成，在设定的TOC时间内反馈信号不正确，阀门自动判断后进入不匹配报警状态，需手动ACK确认后方可再次开启。图21为开关阀门控制组态：
图21阀门控制组态
4.3.1PID控制实现恒压供液
在碱回收系统中，物料运行工序为碱液的回收过程，这个工序对系统的供液压力和稳定性有着极高的要求，生产中需要将供液的压力值控制在1.2Mpa来达到最佳的过滤效果。废碱液输送至系统时压力为0.3Mpa，为达到供液压力，需要经高压泵进行增压，同时高压泵出口的压力在调节时应尽量减小波动，压力的波动会直接影响到膜的过滤效果，所以恒压供液是系统正常运行的必要条件。恒压供液主要通过变频调速和PID控制来完成的。变频调速即通过变频器来调节高压泵电机的转速，高压泵选用多级式离心泵，其电机为标准三相异步电动机，转速公式如式（1）所示：式中：
n—电机转速，rpm/min；n60fp
(1s)
（1）
f—电源频率，Hz；
p—磁极对数；
s—转差率，%。
由公式（1）可以得出，当转差率一定时，电机的转速与电源的频率基本上成正比，因此可以通过改变电源频率的方式来实现电机转速的调节。本系统采用施耐德公司的ATV930变频器来实现调速功能，在进行调速前，首先进行变频器参数的设置，高压泵电机的变频器参数设置如表8所示：
参考电机铭牌参数进行了电机基本参数的设置，在加速、减速时间参数项中，保证电机无过压、过流的情况下，将时间设置为2S，减小调速时间。参考工艺控制需求及设备运行需求，设置了电机的运行频率范围，保证高压泵能够满足系统增压要求。在通讯设置项中，选用了4-20mA电流信号作为变频器频率给定信号，变频器反馈信号选用的同样是4-20mA电流信号，反馈的类型为当前运行电流。
按照上图所示信号流程图来进行参数的连接，其中MEAS管脚来连接当前的实际测量值，OUT管脚来连接至输出模块来控制执行机构，SPT为本地设定值管脚，设定值由监控界面进行设置。这里我们连接了BCALCI（反演算输入参数），作用是为PID回路实现无扰切换，它能够在PID控制器投入使用之前为其输出提供一个初始值，以防止在投入PID控制器的时候发生扰动，同时也为输出跟踪模式提供跟踪值。其中的FBK管脚为外部积分输入，用来产生积分作用并防止积分饱和，将其连接到下游输出模块的反演算输出参数。组态时，我们还会用到的一个参数为HOLIM，即模块输出上限，其作用为在PID模块处于自动状态时对其输出进行限值。
高压泵出口的实际压力值P由压力变送器检测，检测出的结果进行A/D转换后得到反馈信号UF，给定信号UT与UF相减得到△U。△U由PID模块进行调节，通过D/A转换得到模拟量UG，即变频器频率给定信号，用来控制变频器的输出频率fX，进而调节电机的转速n，实现闭环负反馈控制，通过转速的变化，使供液压力保持稳定。
4.3.2比值控制实现流量配比
在进料配碱过程中，我们需要软水和废碱液按比例加入，进而使得混合后的浓度满足膜系统的过滤要求。这里我们需要控制的流量有两个，即软水流量和废碱液的流量。本设计以废碱液流量控制为主动量，软水流量控制为从动控制量，构建一个比值控制系统来实现流量的配比控制。
在进料桶内液位未达到高液位报警值时，比值控制启动。生产中在进行流量配比时，按照如下计算公式来计算比例系数，公式如式（2）：
式中：
B—膜系统需求浓度，g/L；A—废碱液浓度，g/L；N—比例系数。
BA
1N
（2）
废碱液浓度在220g/L左右，膜系统过滤要求为20g/L左右，由式（2）计算出比例系数为10，即软水加入量应为废碱液的10倍，因此将废碱液加入量乘以10以后作为软水加入量的设定值。
软水加入量采用PID控制方式，通过控制进口调节阀的开度来实现流量控制，其基本参数连接同恒压供液相同。不同的是，在组态时我们用到了PID模块的另外两个管脚，即RSP（远程设定值）和LR（远程本地控制）。RSP用来接收外部设定值，LR用来实现模块本地、远程控制模式的切换。当PID模块处于本地模式时不接收外部给定值，读取SPT管脚的值作为设定值来进行调节，处于此模式时，可以由操作人员定量加入软水，当实际测得浓度过大时，可以通过此模式进行稀释操作。当处于远程模式时，PID模块不读取本地设定值，而是将远程设定值作为PID模块的设定值来进行调节，因此在比值控制启动前，我们需要软水流量的PID模块设置在远程模式。
比值控制原理图如图24所示：
4.3.3串级PID控制实现稳压差过滤
在整个膜系统的运行过程中，膜的前后压差值是考量膜过滤效果的重要指标，压差值低的时候，达不到纳滤膜的过滤要求，碱液回收变得困难，当压差值高的时候，会对纳滤膜造成损伤，影响其使用寿命。生产中压差值控制在0.3Mpa，压差值的控制主要是通过各级膜进口的高压循环泵的调速来实现，此泵设计为变频器控制，由控制系统对其进行频率给定，可以根据当前压差值来进行频率调节。设计时此部分的压差值的控制用到了PID串级控制。所谓串级控制，就是采用两个控制器串联工作，外环控制器的输出作为内环控制器的设定值，由内环控制器的输出去操纵执行机构，从而对外环被控量具有更好的控制效果[39]。在实际组态时，我们将压差值作为主调节器的设定值，高压循环泵频率的给定值作为内环控制器的输出值来控制变频器的频率，达到控制压差的目的。控制组态如图26所示：
图26PID串级控制组态
4.3.4顺序控制实现一键启停
本系统为全自动控制，且包含三个连续的工艺控制流程，即物料运行、顶洗和化学清洗。根据工艺需求，每个流程都有自己独立的运行时间要求，在系统运行时，设备的启停为一个固定的动作顺序流程，进行组态编程时如果用逻辑块来实现，由于前置条件判断时设备较多，造成程序量大而且后期维护不便，所以在物料运行、顶洗和化学清洗的程序组态时我们采用了顺序控制编程的方式。
顺序控制是一种开环控制方式，它可以按时间顺序或逻辑顺序进行控制[40]。在本项目中需要同时用到时间控制和逻辑控制，其中时间控制用在物料运行模块、顶洗模块和化学清洗模块，在系统启动之前我们会对每个模块的运行时间进行设定，达到计时要求时会开始计时，到达时间后系统会自动停止计时并在下次开启此步骤时重新从零计时，同时根据逻辑判断是否启动下一个运行模块。运行中系统出现故障时，会停止计时，保留当前已运行时间，方便操作人员故障恢复后对系统运行时间的控制。
本设计中时间控制用的是I/ASeries系统提供的时间块（TIM），TIM模块一般被称为辅助模块，用来帮助主顺序控制模块实现一些额外的功能。TIM模块主要起到计时器的作用，每个TIM模块为工程师提供了四个独立工作的计时器，在顺序控制逻辑中，我们通过专门的顺控指令来启动和停止计时器。模块提供了单独的监控面板，通过模块面板我们可以看到当前计时器的运行状态。TIM模块的模
在组态时，我们根据计时器数量的要求，每套膜系统使用一个TIM模块来计时，即物料运行、顶洗、化学清洗分别使用TIMR1、TIMR2、TIMR3。时间块以秒为单位计时，需要较长时间控制时使用逻辑运算进行转换。
在实现逻辑顺序控制时，我们使用的是系统提供的IND模块。IND块被称为独立块，他是顺控模块中的一种，可以独立使用。IND模块运行起来之后无法暂停，一旦中断或者出错，必须从第一步重新开始执行顺序控制逻辑[41]。IND模块平时处于Inactive状态，一旦模块切换到Active状态，顺序控制逻辑就开始执行了。当模块中的所有顺序控制步骤执行完成后，模块将自动返回Inactive状态。在组态时，考虑到现场设备运行时会遇到突发状况或者其它工艺联锁条件需要停止顺序控制，我们将IND模块的ACTIVE管脚连接一个布尔型变量，当变量值为真的时候模块切换到Active状态，为假时模块将处于Inactive状态，用来实现顺控模块的启动、停止功能。IND模块的操作模式如表9所示：
完成顺序控制逻辑，我们需要对模块进行编程，在I/ASeries系统中顺序模块的编程支持步序图模式（SFC语言）和HLBL语言两种，这里我们采用的是HLBL语言，一种类似C语言的编程语言。编程时，IND模块有标准的程序结构，我们需要按照指定的结构进行编程。
在用HLBL进行编程时，为了实现各种控制功能，我们会用到各种符号，主要用来完成各类定义及基本的数值比较和加减乘除运算。除了用到符号外，我们还会用到各种指令（Keywords），这些指令分为两大类，一类是程序流向控制语句，其功能是来实现条件判断和跳转功能，一类是数据操作语句，用来对数据进行赋值、类型转换等。在编写程序时，指令必须保证是大写字母，且其它用户自定义的变量名称不能与指令重名。在编写本项目的程序时，
物料运行工序启动过程为判断进料桶液位是否允许膜系统运行，液位大于设定值时满足运行条件，开启物料运行过程中所用到的所有阀门，此时系统进行阀门开启状态检测，当所有阀门开启正常后开启进料泵，当进料泵开启正常后开启循环泵，当循环泵开启正常时开启高压泵，当高压泵开启正常后，物料运行工序对应的定时器TIMR1开始计时，计时达到设定值后，物料运行工序开始逆序停机，其顺序与启动过程相反，即后起先停。根据启停控制条件制作顺序功能图表，启动、停止功能图表如图28所示：
当阀门全部打开时，程序控制流程跳转到M102程序段，即进料泵开启程序。进料泵的开启控制编程同阀门开启控制类似，区别在开启命令对应的管脚不同，马达控制块的启停管脚为AUTRUN。进料泵开启命令发出后，程序进入到开启状态检测程序段M1021。在进料泵、循环泵、高压泵的开启过程中，要求间隔开启，这里用到了延时指令WAIT，后加数字即为延时时间，单位为秒。循环泵和高压泵的开启命令及检测程序的编写与此类似，不再叙述，其程序如图32所示：
当高压泵开启后，控制流程走向启动定时器程序段。定时器的启动需要用到START_TIMER指令，该指令有固定的编写格式。我们启动的为M1_TIM定时器模块的TIMR1计时器，启动的初始值为零。计时器启动后，表明系统启动过程已经完成，进入物料运行状态。当计时达到设定值时，计时器停止计时，此时系统进入顺序停机模式，控制程序与启动类似。定时器的停止用到的是STOP_TIMER指令，指令格式同启动指令类似，都要写明定时器的模块名称及定时器编号，不同的时停止指令不需要设置数值。定时器在使用时必须成对使用，即有定时器的启动就必须要有定时器的停止。当有启动没有停止时，定时器会一直运行，这无疑增加了系统负荷，浪费了资源。定时器启停程序如图33所示：
4.4历史数据管理组态
历史数据库管理软件用来接收、处理和存储来自控制系统传送过来的数据，为实时趋势显示、历史趋势及数据查询、报表数据生成等功能提供原始数据。该软件为同时也为工程师和操作人员提供了数据收集、处理和显示接口。历史数据库管理软件采集的数据包括：过程值、仿真值、操作行为等[42]。AIM是AutomationIndustryMonitoringAdvancedTechnologies的简称。它是使用于I/ASeries系统中的历史管理软件，能够实现各种有关历史数据保存和管理的功能[43]。本项目按照实际生产的控制需求，添加的采样点为压力、流量、温度、液位、电流、频率及PID控制的设定值、实际值和输出值。在添加采样点时，要根据实际采样值的大小以及工艺控制需求来设置合适的采样分辨率，避免频繁采样或者长时间不采样的现象发生。
4.5监控界面设计
显示绘图软件用来制作现场设备与操作人员之间交互的界面，工程师把控制的工艺流程以界面的方式呈现出来，操作人员可以通过界面来观测到现场设备的实时运行参数，通过软件的历史数据查看功能还能查看到当前曲线及历史曲线，同时还可以对现场的设备进行操控，现场各种阀门、电机的运行状态可以实时的传输到监控画面，还可以把系统内各项的数据做成报表的形式供人查看。
I/ASeries系统向所有的使用人员提供了统一的人机交互界面，系统通过不同的操作使用环境让使用人员获得对应的资源，用户可以根据需求设置自己的操作使用环境，监控界面的层级结构可以根据用户的需求任意安排，同时监控界面的绘制也可以按照用户要求自由绘制。I/ASeries系统的画图软件FoxDraw提供了丰富的设备图形库，工程师可以方便的去绘制满足用户要求的监控界面。
监控界面的设计要求：
1）显示碱回收的主体设备及工艺流程走向；
2）显示自动控制设备的运行情况及相关状态参数；
3）显示当前工艺流程所在状态；
4）实时显示现场各类流量、压力等设备参数值；
5）显示各类模拟量的报警信息及电机、阀门的故障信息；为了满足以上要求，要遵守以下原则：
1）一致性原则。同类设备用同种图标进行标识，同类液体管道用同一颜色标识，同样的操作用相同的方式去实现，方便操作人员控制。
2）舒适性原则。将各类设备及参数合理的分配到整个画面，设备图形比例、参数显示的字体颜色等，减少操作人员的视觉疲劳。
3）简单性原则。在进行各类操作时要做到尽量的简单，操作人员仅需少量的操作就可达到目的。
根据工艺设备的实际划分及操作人员控制需求，结合上述设计原则，我们使用FoxDraw软件完成过程监视界面的组态工作。本项目共设计五张主监控界面，其中进料配碱工序与清洗配液工序共同占用一张界面，四套膜系统各一张界面。同时设计了PID参数控制弹窗、电机控制弹窗、阀门控制弹窗。
本项目涉及的监控界面和控制弹窗如下：
图36为配碱、配液界面，界面左侧为配碱界面，右侧为配液界面。我们将液位、温度、压力、流量等仪表的实时值显示在界面上，刷新频率为1秒，阀门和电机等设备设置填充颜色，正常开启时为紫色背景。图37为一套膜的监控界面，界面上方为整体工艺流程简图，为方便工艺查看参数，在界面左下方添加关键参数表格，在界面右下方添加操作按钮，通过按钮来控制1#膜的工序启停。图38为PID控制参数设置弹窗，通过左方的控制弹窗可以设置PID的手自动状态，对设定值进行数值更改或通过下方的按钮进行增减及快增快减操作。右方为PID参数调节弹窗，可以根据需求设定比例值、积分值和微分值，同时可以对输出值的上下限进行限值设定。
第5章系统调试
系统调试是整个工程项目中不可或缺的一个步骤，通过调试可以发现设计和安装中存在的问题。
5.1系统调试过程
系统调试过程主要包括以下内容：通电前检查、硬软件组态下装、回路调试、水循环调试。
5.1.1通电前检查
在进行通电前，首先对系统所接线缆进行紧固性、正确性的检查工作，确保所有接线端子没有松动现象，线缆连接位置正确。其次进行线缆绝缘电阻测试，要求不能小于0.5兆欧，对每根线缆逐一测试并记录。然后进行接地测试，要求系统接地与屏蔽接地要与大地可靠连接，其电阻小于1欧姆。整个自控系统由UPS进行供电，在供电前断开系统柜空开，进行UPS供电电压、频率的检查工作，确保供电符合自控系统要求，供电电压应为220VAC±10%，50Hz±2%。另外还需对UPS电池供电性能及市电切换时的稳定性能进行试验。以上条件满足后方可对系统进行上电操作。
5.1.2硬软件组态下装
注意安全，确认个人和设备不受伤害。调试时安排至少两人在低压配电室侧，根据现场人员要求进行停送电操作，调试完成后及时断电。首先进行急停系统电气回路的测试，确保发生突发问题能够及时停车，为后续调试工作提供安全保障。在急停系统调试完毕后，现场人员在设备安全距离外与配电室内人员沟通，先由配电室人员进行合闸操作，待测量空开下口电压正常后由现场人员手动开启设备，设备正常运转后，由DCS操作人员观察监控画面反馈信号是否正常，正常后由DCS操作人员从画面手动开启设备，此时要对变频控制的设备进行速度给定测试和电流、频率反馈测试，一切正常后在调试记录表内做好记录，不正常的设备要由现场人员、配电室人员和DCS操作人员共同确认问题所在并解决相关问题。
在单点调试完成后进行回路调试，此调试主要是为了测试设备与仪表的启停连送关系。由DCS操作人员将设备的启停联锁控制条件输入仿真值，然后按照设计的电气、仪表连锁要求对相应的电机、仪表进行测试，保证所有的设备均按照设计的连锁条件进行动作。对于连锁条件不正确的设备分析其错误原因并解决问题，完成回路调试工作。
在完成回路调试后，按照工艺控制需求进行物料运行、顶洗、化学清洗三个部分的顺序控制调试。调试时，先将工序运行所需设备的控制方式改为远程模式，并在上位机画面将设备控制模式改为自动控制，首先检查启动条件是否满足，满足条件后点击启动按钮，观察各设备间是否按照预定的启动顺序进行启动，启动完成后，更改设定的报警值等联锁条件，观察设备是否按正确的控制顺序停止。如果启停顺序不正确或联锁条件不生效，查看顺序控制组态程序，更改组态后继续测试，直至顺序控制完全符合工艺控制条件。
5.1.3水循环调试
水循环调试是开车试生产前最后的一道工序，而且是必不可少的调试环节。水循环调试就是以水代替废碱液对整个系统运行做模拟测试，同时会对压力变送器的零点和量程进行校对。在水循环的过程中对相应的液位、压力和流量进行零点与量程标定，使之与现场实际数据对应。同时还可以完成对管道、泵的叶片等内部元件的清洗除锈工作，使试生产更加顺利的进行，同时可对各相关经验参数做一个初步判断，减少试生产时间。水循环调试正常后，系统调试工作已基本完成，接下来系统进入带料试运行阶段。
5.2系统试生产中出现的问题及解决办法
系统试生产中先将设备手动控制，观察各项参数的调节控制情况。然后系统进入自动控制状态，系统自动运行时主要有以下问题：
1）物料运行、顶洗和化学清洗为三个连续的工序，在自动控制时，四套膜系统对应两个清洗桶，清洗桶每次化学清洗后需要将桶内液体排出到进料桶，重新进行配液过程，两个清洗桶轮换调配。此时发现当运行的膜系统全部在一线时，有一个清洗桶因为管道连接原因是无法使用的，再次使用时按照工艺温度要求需要二次换热升温，造成了资源浪费。结合工艺将清洗配液由轮换调配更改为单桶自动调配，更改后按照工艺需求添加状态显示框，提醒当前的配液状态。
2）进料泵与高压泵的速度与各自出口的压力连锁进行自动调节，运行时发现进料泵、高压泵在停止时，由于管道内实际压力降低，设定值未变化，PID自动调节导致输出值增加到最大，再次开启时导致设备冲击过大，在组态中增加频率初始值给定程序，使频率给定值从零开始增加。
5.3系统正式投用
整个自动控制系统完成后，经过现场一个多月的试生产，并通过对历史数据的综合分析，结合工艺要求，对顺控逻辑以及各项调控参数进行不断的修正，使得各项工艺指标均到达了提出的技术要求，并取得了良好的运行效果。此时控制程序将不再修改，我们需将控制组态、历史服务器组态进行备份，将备份文件进行存档，以供后期系统维护升级时使用。
参考文献
[1]侯立安,张林.膜分离技术:开源减排保障水安全[J].中国工程科学,2014(12):10-16.
[2]张增频.膜分离技术在粘胶纤维生产中的应用[J].人造纤维,2004,34(6):17-19.
[3]张燕.浸没式中空纤维膜组件优化设计试验研究[D].天津:天津工业大学,2010.
[4]冯全志.粘胶纤维产业链发展趋势探讨[J].科技风,2015(16):139-140.
[5]ChemicalFibersInternationalGroup.Viscosestaplefiberpricesrecover[J],ChemicalFibersInternational:FibersPolymers,Fibers,Texturing,andSpunbonds,2016,66(2):59.
[6]吴仁.世界化学纤维行业的现状与展望[J].人造纤维,2015,45(1):33-35.
[7]邱有龙.粘胶纤维行业近年新技术、新产品发展情况[J].人造纤维,2010,40(4):19-26.
[8]董奎勇,周翠荣.粘胶纤维差别化现状及其发展趋势[J].人造纤维,2005,35(1):57-59.
[9]王德诚.世界化学纤维行业的现状和发展[J].聚酯工业,2015,28(1):14-17.
[10]周州.粘胶纤维生产中的DCS系统控制研究[D].天津:天津工业大学,2017.
