摘要：生活用纸属于一次性消耗品，十年内很难有物品来代替生活用纸在生活中的作用，美卓公司研发的 Metso DNA 系统（ 现隶属维美德公司）是当今唯一能覆盖造纸所有工艺过程的控制系统。本文基于 Metso DNA 系统对卫生纸机的控制系统设计与实现进行了研究，介绍了 Metso DNA 系统的结构与特点，组态设计主要内容，在此基础上阐述了基于 Metso DNA 的卫生纸机控制系统的逻辑回路组态、HMI 界面组态、SFC 顺序控制设计、硬件选型以及后续工作。

关键词：Metso DNA ；卫生纸机；卫生纸加工设备；DCS 控制系统　　作者：王家星，夏英华，崔新法，杨剑波

作者简介：王家星先生（1975-），硕士，取得美国 PMP 资格认证，自动化专业领域近 20 年工作经历，现就职于金光纸业从事自动化工程设计工作

　　造纸业是一个与国民经济发展和社会文明建设息息相关的重要产业，被国际公认为“永不衰竭”的工业。随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，消费者对生活用纸的需求不断扩大，使得卫生纸生产设备也朝着连续化、自动化、重负载及结构复杂的方向发展 [1-3]。

　　美卓公司的 Metso DNA （Dynamic Network of Applications）系统，以技术先进和信息自由的网络结构为依托，控制自动化及嵌入式现场控制应用为基础，通过模板式控制程序、在程序模板中预先嵌入设备基本联锁保护功能、报警功能、死区设定功能及硬件错误信息等，所以美卓公司经过长时间的经验积累，使其 DCS 在造纸行业的功能非常便捷和完善 [4]。并且美卓造纸有着悠久的历史及先进的造纸机械，所以在造纸行业 Metso DNA 有着无与伦比的优势。因此，本文基于 Metso DNA 系统对卫生纸机的控制系统设计与实现进行了研究。

1  MetsoDNA 系统介绍

1.1 Metso DNA系统结构及特点

　　美卓 DNA 系统与大多数 DCS 系统结构类似，硬件包括：PCS 过程站、OPS 操作站、ALS 报警站、BU 备份站、Infor 历史趋势站和 EAS 工程师站等。并且具有自诊断、远程诊断和自我保护功能。其中过程控制站 PCS，既可用于接收上层控制信号，经计算通过 IO 卡件控制下层相关设备，又可接受来自现场设备的信号经过判断、计算、上传至操作员站。操作站是操作人员进行过程操作、监控现场工艺设备的上位机，具有良好的人机界面功能。BU站能够存储逻辑程序、HMI 人机界面、报警参数条件、Infor 信息等一系列系统数据。其他站点上电运行前需从 BU 站读取相关所需信息，BU 站的设立可以将系统数据集中保存，分担了过程站负担，提高了系统的敏捷性，分散了系统节点的故障点，降低通讯阻塞可能，提高了组态工作的容错率和衔接性 [1]。Infor 站不但记录设备历史状态、操作记录及历史参数等，又可以曲线的形式展示出来，方便多个工艺设备对比，易于运行人员调控运行参数。工程师站则是工程技术人员进行组态和系统维护的平台。

　　如 图 1 所示是一个典型的 Metso DNA 控制系统 [3]，其 中 Control Room 是 中 央 控 制 室，Engineering & Maintenance 是工程师站，PCS 是过程控制站。操作站、BU 站、Alarm 站、历史趋势站和工程师站、过程站处在同一环形冗余网络中，通过传送速度 100 Mbit·s-1 的交换机连接，提高了整个装置的可靠性和容错率。Metso DNA 软件包含DNA explore、Use Editor、Fb CAD、DNA Historian 等，满足 DCS 的所有控制需求。硬件配置使用工业级别，现场层可做到所有的硬件全冗余设计。系统反馈的大量诊断信息以及硬件的热插拔设计使得该 DCS 既便于维护又可连续生产。其系统总线和现场总线相整合，具有开放的、标准的通讯协议，使其拥有良好的兼容性和可扩展性。

　　Metso DNA 的维护工作是使用其专业工具，工程师能够进行高效的编程和维护。报警功能，可分为工艺流程报警和 DCS 系统报警。工艺流程报警可以对工艺流程中的各种信号如液位、流量等分级报警，DCS 系统报警是对其系统和硬件部分报警，如 IO 卡件损坏等。软件还自带诊断功能，能及时诊断 DCS 运行中的错误并分析系统设计方面的问题等。

1.2 Metso DNA组态设计

1.2.1  回路表设计

　　基于甲方提供的Instrument index，将所需参数导入到DNA explore 中， 表中应包含以下信息：回路号、设备名、信号名、描述、IO 类型、量程、过程站编号、IBC、CARD、CHANNEL、CARD PIN(+)、TM(+)、CARD PIN(-) 等。

1.2.2  系统文件生成

　　Metso DNA 系统，可以自动生成系统文件，简单易操作。图 2 是生成的系统报警画面，图 3 是系统生成的工艺过程报警画面。

1.2.3  组态界面

　　美卓 DNA 系统画面组态通过 DNA User Editor 完成，造纸行业工艺流程中的泵、阀门、罐体等均可在软件内的模块中找到，根据具体的工艺流程将所需模块拖拽至组态界面，经过设置管道连接即可完成画面组态，颜色设计美卓公司有详细的色标号码供选择。内置的模块方便了画面组态任务的完成，操作简便，即使零基础人员学习也可进行相关的设计。

1.2.4  回路窗口

　　回路窗口有两种可能的视图：基本视图和扩展视图。基本视图显示正常操作所需的基本信息。延伸视图在回路的状态上显示所有详细信息，同时也包括参数操作的命令按钮。回路窗口显示在基本视图的桌面上。详情请参见美卓公司的 desktop_user's_guide。回路延伸视图显示如图 4 所示。基本视图参见图 4 的左侧标识部分。

2  基于 Metso DNA 的卫生纸机控制系统设计与实现

　　在实际工艺生产中，既要满足相应的行业技术指标，又要对各设备供应商负责，还要考虑系统的成本以及将来的扩展和升级空间。根据工艺要求选择适合于该工艺生产的先进产品。尽可能使得控制系统简洁、经济，使用和维护保养简单易行。根据上一节提出的设计方案，使用 Metso DNA 进行组态设计，需要完成的工作依次为：系统设计、软件组态、HMI 界面组态、联锁及逻辑控制编程、顺控功能编程等。

2.1 卫生纸生产工艺过程

　　卫生纸机主要由流浆箱、网部、压榨部、干燥部、卷取部构成。卫生纸造纸原料主要有漂白硫酸盐针叶木浆（NBKP）和漂白硫酸盐阔叶木浆（LBKP），图 5 所示为卫生纸生产流程图 [6]。

　　浆料的调制过程是造纸的另一重点，纸张完成后的强度、色调的优劣、纸张保存期限的长短直接与它有关。

2.2 系统设计

　　系统设计是根据甲方发布的招标技术要求，来量身定制的软硬件配置。Metso DNA 系统依据其强大的可扩展性，硬件的可热插拔性，仅在系统文件中按照既定格式写入扩展的 PIC 机架地址信息即可。系统会智能读取并识别确切的卡件类型信息。而且，项目的任何阶段都可以修改硬件信息，非常方便。

2.2.1  逻辑回路组态

 
　　打开 DNA explorer 软件，将编辑好的仪表回路清单导入，如图 6 所示。回路中 TAG 号码、回路号码、描述、PID 控制方向、扫描时间等，是在 Excel 中导入的，也可以在属性中修改。为方便工程师编程，把每个回路分解成主回路和逻辑回路两个文件，并做成模板，典型的逻辑、联锁模板中已经完成，工程师只需在逻辑回路中完成每个回路的个性工作。各功能是以模块形式供工程师使用的，去掉了反复并繁琐的类似 T型图等编程工作。其各个模块功能强大，如 ccob 模块，该模块功能非常灵活，既可根据模块上面的顺序号码设置为信号传输的方向，又可以设置触发脉冲信号等常用功能。如果需要，工程师只需要打开模块属性进行修改（ 比如 PID 的正反向、马达启动时间、阀门开关时间等）。美卓公司的逻辑回路，既包含各回路共性逻辑，又包含隐藏有待启用的功能逻辑，如自动 / 手动状态条件、强制条件等，实际项目应用中仅需工程师启用此功能，可节约工程师大量编程时间及减少出错概率。程序的扫描周期是可自定义的，默认设置为 1100 ms，此参数工程师可以根据工艺实际情况定义。执行周期太长，不利于工艺控制精度；执行周期太短，会增加 CPU 的执行内存负载。这一点有别于其他一些 DCS 供应商，扫描周期固定或者成倍率增加，也有别于 PLC 是根据程序量的大小自行定义程序的扫描周期 [7]。程序完成保存过程中，DNA explorer 会自行检查程序中出现的低级错误，比如模块号码重复，无效或者空余模块，无效地址等。在程序下载前，还可进行检查（Check Options）选项，此时检查包括是否有重复 IO 地址、所引用的回路号、引脚是否有效等。仅当检查无误后，才可把程序下载到过程站、BU 站、报警站等。下载选项：Add 为增加新的程序到过程站、BU 站、报警站、历史信息站、事件站等。Replace 为替换选项，即替换原有的程序。Update 选项为新增程序的某一功能。Delete 选项是要删除掉此回路。如果不慎删除某程序或程序损坏，系统可以提供从过程站中 UPLOAD（上载）原始程序的功能。当然，整个程序可以随时导出备份，以防硬件损坏或误操作。

2.2.2  HMI界面组态

　　完成上位机 HMI 界面的软件是 DNA Use Editor，工程师根据甲方的实际工艺需要来完成此项工作 [8]，并将管道、槽罐等根据内部不同介质定义不同色调。此功能是包含图库的，工程师根据需要直接从库中调用并根据实际情况修改即可。画面主调色的选择是依据不容易使人眼疲劳的浅灰色。Metso 根据自己多年的造纸领域经验，拥有比较成熟的画面分隔技术和颜色调配经验以及项目库。

2.2.3  SFC顺序控制设计

　　为增加 DCS 自动化程度，DCS 系统会增加顺序控制功能，顺序控制功能包括顺序控制逻辑功能控制及 HMI 界面设计，还需对系统顺控逻辑进行设计。顺序控制的前提条件是将所有的设备设定为自动控制模式，然后系统要进行自动状态判断：all condition OK。在所有条件满足后，会根据工艺要求，启停或开关设备，如图 7 所示为顺序控制面板。顺控是由步组成的，在其步中左面是步数及其简述，中间是判断此步条件是否满足，右面是此步所要执行的命令。在顺控控制面板中，能显示操作人员所需的基本参数及状态。步数条件的满足是可以手动完成的，增加了工艺操作的灵活性。顺序控制区分手动和自动两种模式，手动运行时，顺控运行一个周期后即停止运行，适应特使情况如槽罐、管道清洗；自动运行时，顺控循环往复运行，增加其自动化水平，并节约人力资源。顺序控制的条件和动作，是根据工艺流程的需要来设定的，以保证对工艺流程的连续运行同时保护硬件。在 DCS 控制中，除设备的基本保护联锁、基本逻辑外，顺序控制是不可或缺的。如果从工艺的起始：浆包放置、链板输送机、碎浆机，直到最后的纸机换卷的整个流程，从技术上来说，是能够通过顺序控制、联锁控制做到自动运行、一键开机的，这样将会大大减少操作、维护人员的工作。但就目前国内的实际情况而言，还很难做到这一点，所有的顺控都是按照工艺段分段运行的，几乎做不到整个生产过程完全自动化。这个问题比较复杂，既有人员的固定思维、工艺整合能力问题，也有设备配置甚至质量问题，有待我们进一步提高自动化水平，做到一键开机，自动生产。

2.3 硬件选型

　　硬件系统一般由过程站 PCS、电源、底板 PIC、通讯模块、IO 卡件和上位机（ 如：操作员站、工程师站、BU 站、报警站、打印机）等组成。美卓公司的过程站是紧凑型的工业计算机，可垂直或水平地安装在集中式的 I/O 柜中。其既可独立运行，又可使用 Compact Flash 存储卡上的预安装软件，读取并加载 BU 服务器中的所需程序。而安装于其 RT节点上的附加模块 PMM 单元 (Metso DNA 的个性化模块 )，则可以用来进行识别和监控并能完成冗余节点之间的通讯功能。美卓的 I/O（MIO）模块是配合过程控制器使用的现代 I/O 系列，它将集中式和分布式 I/O 的最佳特性集成在一个紧凑型设计中，安装在 DIN 导轨上，简化了系统设计和机柜组装。根据信号类型分为 AI8、AO4、DI16P、DO16P 几大类型。其中 AI模拟量输入模块，为适应现场不同仪表变送器的供电方式、电流 / 电压测量方式等又细分为：AI8C、AI8CN、AI8V 等。任何一个模块都可用于现场仪表变送器的两线制、三线制等接线方式；同时，也可由用户自行定义变送器的测量范围 0/4~20 mA。AI8C 模块和 AI8CN 的区别在于：AI8C 模块的前四个通道可测量由卡件供电的变送器比如：液位、压力等；5~8 通道为可调式，还可测量如流量、温度、浓度、电流等由现场供电的变送器。AI8CN 仅可测量现场供电的仪表设备。部分解决了用户对调试中的变更问题和备品备件储存优化的问题。

　　如图 8 为AI8C 控制原理图 [7]。0~3通道：FP固定连接VS节点；4~7通道：FP连接VS或COM可选择。图8 AI8C控制原理图其中 FP 连接 VS 和 COM，分别适用于仪表变送器的卡件供电和现场供电不同类型 [8]。

2.4 后续工作

　　后续工作还包括，通讯配置及通讯表制作、报表配置及制作、IMS 设置、OPC 配置、Infor 模板匹配及设定、GPS 时钟同步、Alarm 数量设置、各站名称及地址对应设置等，篇幅所限，不再叙述。

3  结论

　　本文基于美卓公司的 DCS 系统，介绍了其系统的结构组成和优势，并且结合卫生纸工艺生产，深入而系统地分析并介绍了 DCS 系统设计所需的各个关键步骤的方法，工作方式及其在工艺生产中的意义，同时描述了其硬件的特点及工作原理。随着自动化技术的不断发展，造纸工艺、自动引纸、自动换卷等技术的不断成熟，一键开机或无人值守、自动生产等成为可能。不久的将来，由于人工成本的不断提高，无人化工厂将会走近我们的视野。

参考文献：

[ 1 ] 刘天蓉．中顺洁柔拟在四川新建 30 万 t·a-1 竹浆纸一体化 [ J]. 纸和造纸，2019(4): 68.

[ 2 ] 徐苏明，何永，薛国新．高速纸机配浆工段的控制方案与程序设计 [ J]. 纸和造纸，2017(1): 6-9.

[ 3 ] 汤伟，税宇阳，王古月．中高速卫生纸机烘缸积水的振动特征分析 [ J]. 中国造纸，2019，38(5): 44.

[ 4 ] 郭崇云．华泰一项目荣获山东省计算机应用优秀成果奖 [ J].纸和造纸，2013(10): 73.

[ 5 ] DNA_network_eng (Metso Internal documents) 2007.

[ 6 ] 谢舒煜，洪红琴，雷光友，等．BF-12 高速卫生纸机工艺流程 [ J]. 造纸科学与技术，2008，27(5): 51.

[ 7 ] 崔起明，方明星，王亮敏，等．PLC、DCS、FCS 三大控制系统基本特点与差异 [ J]. 自动化技术与应用，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