7.6.2.3. Современные асутп непрерывной варки целлюлозы

Техническая структура АСУТП

Концепция построения современных АСУТП непрерывной варки целлюлозы и других АСУТП целлюлозно-бумажного производства, как прави­ло, предусматривает трехуровневую структуру тех­нических средств:

• уровень 1 — датчики физических величин с первично-измерительными преобразователями и исполнительные механизмы;

• уровень 2 — промышленные логические про­граммируемые контроллеры и компьютеры с уст­ройствами связи с объектом управления;

• уровень 3 — автоматизированные рабочие места операторов (пульты операторов или рабочие станции операторов).

При построении современных АСУТП в каче­стве программно-аппаратных средств выбираются такие, которые позволяют использовать единую сквозную технологию создания системы с приме­нением современных инструментальных программ­ных пакетов, дающих возможность обеспечить пол­ный цикл разработки программного обеспечения, его конфигурацию, настройку и сопровождение. Такими средствами являются различные типы про­граммируемых промышленных контроллеров, объ­единяемых в единую систему управления с помо­щью разработанных различных международных промышленных сетей обмена информации. Эти кон­троллеры имеют широкую номенклатуру модулей устройств связи с объектом, в том числе аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, модули ввода-вывода дискретных сигналов, кото­рая позволяет производить сбор информации с раз­личных датчиков, а также выдавать управляющие воздействия на разнообразные исполнительные ме­ханизмы. Как правило, все контроллеры имеют базовое программное обеспечение, в состав которо­го входит многозадачная операционная система реального времени, сервисные программы и высо­коскоростные порты для подключения их к меж­машинной сети и другим периферийным устрой­ствам. Система визуализации в составе оператор­ских станций, или, как ее сейчас называют, чело­веко-машинный интерфейс, предназначенная для организации взаимодействия между оператором и технологическим процессом, создается с помощью различных SCADA-систем. Последние используются как инструмент разработки программного обеспе­чения для рабочих мест операторов. Из наиболее ши­роко применяемых в ЦБП систем автоматизации на базе распределенных программируемых контроллеров и SCADA-систем, в которых применяется единая сквозная технология создания АСУТП непрерывной варки целлюлозы, являются системы компаний «Honeywell*, «Asea Brown Boveri Process Automation* («АВВ Process Automation*), «Yokogawa», фирмы «Metso Automation*. Эти системы поставляются ком­плектно с датчиками технологических параметров, с запорно-регулирующей арматурой, с аппаратурой для управления электрооборудованием и с программ­ным обеспечением, отражающим общую стратегию управления технологией и конкретным оборудова­нием объекта автоматизации. Пульт оператора зару­бежных систем формируется в виде универсальных операторских станций с промышленными сенсорны­ми экранами мониторов и специальной клавиатурой для вызова различных мнемосхем и видеограмм при управлении технологическим процессом.

Мнемосхемы выводятся на экраны мониторов операторских станций и служат для контроля со­стояния параметров технологического процесса и непосредственного управления, выполняемого опера­торами. В составе интерфейса оператора предусмат­ривается также построение трендов контролируемых параметров на различных интервалах времени. Ряд видеограмм предназначается для специалистов по настройке программ и контуров управления.

В состав программного обеспечения оператор­ских станций включаются также программы, осу­ществляющие сбор архивных данных и формиро­вание технологических рапортов о работе варочно­го котла. Все события или условия, которые могут отрицательно влиять на качество управления, а также нарушения технологического процесса за­писываются в архив — журнал событий. Под со­бытиями подразумеваются срабатывание сигнали­зации, изменения, вносимые оператором в ход про­цесса, диагностические сообщения об ошибках мо­дулей вычислительной техники и т. д. В архиве также хранятся данные для генерации сменных и суточных рапортов в виде таблиц и графиков, со­держание, форма и длительность хранения кото­рых устанавливается администрацией производства.

Собранная информация о состоянии процесса мо­жет подвергаться статистическому анализу.

Обычно в совокупность рапортов входят смен­ные рапорты, суточные рапорты, рапорты о работе контуров управления, суточные графики важней­ших технологических переменных. В сменные ра­порты включаются среднеарифметические значения основных технологических переменных за каждый час работы варочного котла или мгновенные зна­чения параметров на начало каждого часа. Суточ­ный рапорт содержит интегральные параметры, ха­рактеризующие общие объемы израсходованной дре­весины и щелочи, количество потребляемого пара, общее количество выработанной за сутки воздуш­но-сухой целлюлозы, время работы и время про­стоя варочного котла. Суточные графики ключевых технологических параметров позволяют оценить эф­фективность управления варочным процессом.

Ввиду высокой надежности, функциональной развитости и удобств в эксплуатации и несмотря на их большую стоимость АСУТП непрерывной вар­ки целлюлозы перечисленных зарубежных фирм внедряются на российских предприятиях. В част­ности, на ОАО «Котласский ЦБК» для управле­ния варочными котлами Kamur № 1 картонно-бу-мажного производства и Kamur № 3 производства сульфатной беленой целлюлозы используется АСУ TDC-3000 компании «Honeywell». На варочном котле Kamur В картонного производства ОАО «Ар­хангельский ЦБК» и варочных котлах ОАО «Сык­тывкарский ЛПК» внедрена АСУ Damatic XD фир­мы «Metso Automation*. Дальнейшим развитием этой системы является система управления DNA Соок/С. Она установлена на варочном котле Kamur № 4 ОАО «Сегежский ЦБК» в 2004 г. в процессе модерниза­ции котла под современную технологию Dounflow Lo-Solids. Варочные котлы Kamur ОАО «Светогор-ский ЦБК» и ОАО «Усть-Илимский ЛПК» осна­щены АСУ компании «Yokogawa».

Архитектура и подробное описание комплекса технических и программных средств перечислен­ных зарубежных систем управления содержатся в п. 1.4 настоящего справочника.

В производство постепенно внедряются и отече­ственные разработки АСУТП ЦБП с использовани­ем ПТК с технической структурой и идеологией по­строения, описанной выше. Примером может слу­жить АСУТП двухсосудного варочного котла Kamur № 2 с парожидкостной фазой картонно-бумажного производства ОАО «Котласский ЦБК». Она была разработана фирмой «Форус» (Санкт-Петербург) со­вместно с ОАО «ВНИИБ» и внедрена в 1995 г. ПТК системы имеет трехуровневую структуру:

— нижний уровень — датчики параметров ре­жима работы варочного котла и исполнительные механизмы;

• средний уровень — контроллеры, осуществ­ляющие связь с объектом управления через модули дискретного и аналогового ввода-вывода и реализу­ющие выполнение всех функций по управлению тех­нологическим процессом варки целлюлозы;

• верхний уровень — АРМ варщика, обеспечи­вающее отображение текущего состояния объекта управления, отработку команд оператора и про­грамм управления.

В качестве контроллеров используется два IBM PC совместимых контроллера промышленного стан­дарта ГРС-610 фирмы «Advantech». По требова­нию заказчика осуществлено полное программно-аппаратное резервирование системы. При отказе ве­дущего контроллера управление передается резерв­ному, с последующим автоматическим перезапуском ведущего.

Для реализации АРМ оператора-варщика, с ко­торого осуществляется управление работой вароч­ного котла, предусмотрена установка двух равно­правных и взаимозаменяемых пультов — рабочих станций оператора. Обычно одна станция исполь­зуется для обзора на экране монитора общей тех­нологической мнемосхемы варочного котла Kamur № 2 (рис. 1.84), непосредственного цифрового уп­равления технологическими параметрами, регист­рации аварийных сообщений и различных ситуа­ций, возникающих на котле. Вторая станция пред­назначается для проведения большого числа стан­дартных и нестандартных операций при пуске и останове варочного котла, требующих быстрой ре­акции оператора на возникающие ситуации и иногда одновременного участия двух операторов-варщиков. Одна из станций используется для сохранения от­четной документации в виде сменных и суточных рапортов. В состав каждой станции входит про­мышленная IBM PC с цветным монитором и боль­шим размером экрана. Команды оператора по вы­зову на экраны мониторов графических средств контроля и управления процессом осуществляют­ся манипулятором «Мышь» либо клавиатурой пер­сональных компьютеров.

Программное обеспечение АРМ оператора бази­руется на операционных системах Windows 95/NT, что обеспечивает удобный и уже многим привыч­ный интерфейс с пользователем. В качестве про­граммного обеспечения входят как программы, не­обходимые для эксплуатации АСУ (отображение и архивирование мнемосхем, графиков, технологи­ческих сообщений, настройка контуров управле­ния), так и инструментальные средства разработ­ки АСУ, в том числе для создания и редактирова­ния прикладного программного обеспечения кон­троллеров нижнего уровня управления. В качестве коммуникационной сети для обмена информацией между различными устройствами системы управ­ления использована промышленная сеть Ethernet в дублированном варианте с двумя независимыми

кабельными линиями, что практически исключает отказы в работе сети.

С внедрением АСУТП поднялась общая культу­ра производства, повысилась стабильность работы варочного котла, улучшились практически все тех­нико-экономические показатели варки целлюлозы. В настоящее время после длительной эксплуата­ции системы намечается ее модернизация путем замены программно-технического комплекса на более современный.

Функциональная структура АСУТП

Все разработанные и внедренные типы АСУ суль­фатной варкой целлюлозы в котлах Kamur Auto Cook/C фирмы «Honeywell-Measurex», DNA Cook/C фирмы «Metso Automation*, Auto Cook/C компа­нии «АВВ Process Automation* и отечественные си­стемы призваны решать идентичные задачи. Основ­ными задачами управления, решению которых под­чинены все остальные, являются уменьшение коле­баний задаваемой степени делигнификации целлю­лозы в стационарных и переходных режимах рабо­ты котла и управление его производительностью. В результате реализации этих задач достигается зна­чительный экономический эффект, полученный как от снижения колебаний степени делигнификации целлюлозы, увеличения ее выхода, снижения за­трат древесины, химикатов и энергии, так и за счет повышения производительности котла без риска ухудшения качества. АСУ непрерывной варкой цел­люлозы имеют схожую иерархическую функциональ­ную структуру с тремя уровнями управления:

— нижний, основной, или базовый, уровень ав­томатизации — контроль и регулирование пара­метров технологического режима, управление обо­рудованием варочного котла;

1. более высокий удельный расход пара на вар­ку из-за большего гидромодуля;

2. залповые выбросы дурнопахнущих газов при сдувках и выдувке;

3. образование большего количества дурнопах­нущих сточных вод.

Периодическая варка целлюлозы осуществляется в стационарных варочных котлах с циркуляцией варочного щелока и непрямым обогревом. Основ­ным оборудованием варочного цеха являются ва­рочные котлы с системой циркуляции, транспор­теры для подачи щепы на варку, емкости для хра­нения варочных растворов (белого и черного щело­ков, сульфитной кислоты), выдувные резервуары, теплоутилизационные установки.

Обычно на группу варочных котлов приходится один транспортер, одна или две емкости для ва­рочных растворов и один выдувной резервуар. В связи с этим в работе варочного цеха соблюдается определенная последовательность включения вароч­ных котлов в работу.

При периодической варке целлюлозы имеется несколько последовательных технологических опе­раций:

• осмотр котла;

• загрузка щепы;

• заливка щелоков (белого и черного — при сульфатной варке и сульфитной кислоты — при сульфитной варке);

• нагрев содержимого котла до температуры пропитки (только для сульфитной варки) — пер­вый подъем температуры;

• пропитка, т. е. стоянка определенное время при заданной температуре (только для сульфитной варки);

• нагрев содержимого котла до температуры варки — второй подъем температуры;

• стоянка при конечной температуре (собствен­но варка);

• разгрузка (опорожнение) котла методом вы­дувки или вымывки.

Полный оборот котла (т. е. сумма всех опера­ций) составляет для сульфатной варки 4...8 ч, для сульфитной — 8...24 ч.

Варочные котлы, как правило, имеют емкость от 110 до 200 м³ (для сульфатной варки) и от 280

О

до 400 м (для сульфитной варки). За рубежом объем котлов для сульфатной варки больше и на-

q

ходится в пределах от 200 до 400 м . Котлы для сульфатной варки целлюлозы для бумаги изготав­ливают из обычной углеродистой стали, котлы для сульфитной варки и для сульфатной варки пред-гидролизной целлюлозы для защиты от коррозии изготавливают из биметалла.

Современные варочные котлы всегда снабжены системой принудительной циркуляции. Щелок за­бирается циркуляционным насосом из-под круго­вой сетки, расположенной внутри котла примерно на середине его высоты, и прокачивается через теп­лообменник, после которого разделяется на две части. Первая часть подается в верхнюю, вторая — в нижнюю часть котла.

Основные операции в работе варочного котла перечислены ниже.

Осмотр котла проводится с целью подготовки котла к очередному циклу варки.

Загрузка щепы начинается после установки во­ронки или телескопической трубы, соединяющей бункер щепы с горловиной котла. Для увеличения количества загружаемой щепы производится про­парка (паровое уплотнение). Пропарка повышает плотность загрузки щепы, нагревает щепу, удаля­ет из нее воздух и летучие вещества, что ускоряет последующую пропитку щепы варочным щелоком и варку.

Заливка щелоков производится следующим об­разом. Белый щелок заливают в количестве, рас­считанном исходя из расхода активной щелочи для данного вида целлюлозы (принимается по техно­логическому регламенту) и концентрации актив­ной щелочи в белом щелоке. После заливки бело­го щелока с учетом влаги в щепе и конденсата от пропарки гидромодуль составляет (2,2...2,5):1. Не­достающее количество жидкости до заданного гидро­модуля — (4,0...4,5):1 — восполняется черным ще­локом. Обычно температура заливаемого белого ще­лока составляет 50...60 °С, черного — 60...80 °С. При варке сульфитной целлюлозы в котел залива­ют сульфитную варочную кислоту (из отдела реге­нерации S0₂).

Нагрев котла до температуры пропитки прово­дится только при производстве сульфитной и би-сульфитной целлюлозы.

После загрузки щепы крышку котла закрыва­ют, закачивают варочную кислоту, включают сис­тему принудительной циркуляции и доводят тем­пературу содержимого котла до 105... 110 °С (при сульфитной варке) или до 120... 125 °С (при би-сульфитной варке).

Пропитка проводится при температуре 105... ...110 °С (при сульфитной варке) и при температу­ре 120... 125 °С (при бисульфитной варке). Цель пропитки — обеспечить проникновение варочного раствора внутрь щепы и завершить реакции суль­фирования лигнина и образования лигносульфо-натов. При сульфатной варке стадия пропитки при указанных выше температурах не проводится.

Нагрев до конечной температуры — при варке сульфитной целлюлозы конечная температура со­ставляет 135...150°С, бисульфитной целлюлозы — 155... 165 °С, сульфатной целлюлозы — 160... ...170 °С.

• уровень расширенного управления обеспечи­вает автоматическую стабилизацию комплексных параметров сульфатной варки;

• уровень оптимального координированного уп­равления важнейшими переменными варочного процесса в переходных режимах работы варочного котла.

Каждый более высший уровень определяет зада­чу по ведению процесса для более низшего уровня.

На рис. 1.85 в качестве примера изображена иерархия основных функций управления процес­сом непрерывной варки целлюлозы в составе сис­темы Auto Cook/C фирмы «Honeywell-Measurex» для однососудного гидравлического варочного кот­ла с диффузионной промывкой массы [104]. Пере­чень решаемых задач с небольшими изменениями сохраняется и для АСУТП непрерывной варки, раз­работанных компанией «АВВ Process Automation* и фирмой «Metso Automation* [105]. Отечествен­ные АСУТП, созданные в прошлом веке, также имели схожую функциональную структуру [106].

Базовый уровень реализует функциональные схе­мы автоматизации варочных котлов, приведенные на рис. 1.82, 1.83 (см. п. 1.6.2.2). Он работает на основе информации, поступающей от датчиков тех­нологических параметров, осуществляет непосред­ственное цифровое управление отдельными парамет­рами технологического процесса, дистанционное управление запорной арматурой, управление пус­ком-остановом электрооборудования и насосов, фор­мирует предупредительную и аварийную сигнализа­ции и защитные блокировки. Базовый уровень мо­жет работать по командам оператора (ручной ре­жим управления) либо по заданиям и командам от уровня расширенного управления (автоматический режим управления без участия оператора).

На уровне расширенного управления решаются задачи поддержания заданных производительнос­ти и качества целлюлозы при стационарных режи­мах работы варочного котла. Решение этих задач осуществляется за счет автоматической стабили­зации уровня щепы в варочном котле, концентра­ции выдуваемой массы, соотношений «щелочь— древесина» и «жидкость—древесина», концентра­ции щелочи в зоне варки, фактора разбавления в зоне диффузионной промывки массы и регулирова­ния температуры варки.

Назначение верхнего уровня оптимизации рабо­ты котла — координированное изменение парамет­ров технологического процесса при переводе вароч­ного котла на новую производительность, при сме­не сорта целлюлозы и породы древесины с целью достижения минимальных изменений качества цел­люлозы в переходных режимах.

Программный пакет расширенного управления и оптимизации зарубежных систем автоматизации варочных котлов поставляется заказчику за от­дельную плату, составляющую значительную долю от их общей стоимости. В связи с этим в последнее время разработка и программирование алгоритмов для реализации задач верхнего уровня управления делается заводскими специалистами самостоятельно или с привлечением отечественных фирм с учетом их близости, отсутствия языковых барьеров, ком­петентности и ответственности.