摘 要：根據(jù)萬噸線水泥熟料生產(chǎn)的特殊工藝特點(diǎn)，認(rèn)真分析其對(duì)控制系統(tǒng)的要求，在此基礎(chǔ)之上，充分發(fā)揮了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及DCS技術(shù)兩者優(yōu)勢(shì)， 以系統(tǒng)集成為手段，給出一套基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的水泥熟料的生產(chǎn)線的集散控制系統(tǒng)（DCS），實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥熟料生產(chǎn)的集中管理和分散控制。
關(guān)鍵詞：DCS，現(xiàn)場(chǎng)總線，Profibus，監(jiān)控管理，水泥熟料
Application of DCS Based on Fieldbus Technology in Cement Clinker Kiln
Abstract：According to the special production process of 1 O000t／d cement clinker enterprise，we analyzed it"S request to controlsystem Based on this partition and integrating the Fieldbus technique and the DCS technique，a DCS of Profibus protocol forcement clinker enterprise is proposed The DCS realizes the centralized supervision and distributed control of the whole cement clinker production process．
Key words：DCS，fieldbus，Profibus，monitoring management，cement clinker
文章針對(duì)10000t／d水泥熟料的新型干法生產(chǎn)線，采用以基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)面向全廠生產(chǎn)過程的全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控管理一體化。
1 項(xiàng)目簡介
樅陽海螺水泥有限公司10000t／d干法水泥熟料生產(chǎn)線項(xiàng)目，是我國建設(shè)的第一條日產(chǎn)10000噸的干法水泥熟料生產(chǎn)線。整套項(xiàng)目主機(jī)設(shè)備引進(jìn)世界先進(jìn)水泥設(shè)備供應(yīng)商設(shè)備和技術(shù)，項(xiàng)目配套引進(jìn)的DCS控制系統(tǒng)選用的是瑞典ABB Indus—trial IT控制系統(tǒng)，控制器為AC800M過程控制器，該系統(tǒng)是面向工廠自動(dòng)化的新一代開放式DCS系統(tǒng)，全面支持現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，系統(tǒng)采用全局?jǐn)?shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全局一體化編程。系統(tǒng)通信為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)伸縮能力，系統(tǒng)編程采用國際化標(biāo)準(zhǔn)IEC61131—3。現(xiàn)場(chǎng)控制站采用ABB S800智能l／O 卡件，通過Profibus DP和Profibus PA協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)總線儀表設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
根據(jù)樅陽萬噸線項(xiàng)目的實(shí)際情況，系統(tǒng)硬件規(guī)劃采用的是ABB Industrial IT系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)石灰石礦山、原料調(diào)配、原料粉磨、廢氣處理、生料均化及生料入窯、熟料燒成和熟料入庫、熟料輸送至碼頭這一段工藝流程的過程自動(dòng)化控制。
該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)按照功能自上而下分為現(xiàn)場(chǎng)層和控制管理層。
2．1 現(xiàn)場(chǎng)控制層
現(xiàn)場(chǎng)控制層的作用是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的l／O信號(hào)進(jìn)行采集、運(yùn)算和邏輯順控處理，通過現(xiàn)場(chǎng)控制層網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)送入控制處理機(jī)，實(shí)現(xiàn)過程控制和順序、邏輯控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和實(shí)際操作的需要，本生產(chǎn)線共設(shè)置9個(gè)過程控制站，過程控制站采用ABB公司最新的AC8OOM過程控制器，系統(tǒng)執(zhí)行方式采用多進(jìn)程周期運(yùn)行方式，任務(wù)運(yùn)行周期及優(yōu)先級(jí)可以自由組態(tài)，系統(tǒng)CPU引導(dǎo)程序存儲(chǔ)到閃存中，可以實(shí)現(xiàn)CPU軟件自由升級(jí)，系統(tǒng)支持在線組態(tài)、在線下載，給日常的運(yùn)行維護(hù)帶來了極大的方便。現(xiàn)場(chǎng)過程站采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線與操作員站及其它設(shè)備進(jìn)行通信，通信網(wǎng)絡(luò)為光纖星形冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于該控制器運(yùn)用了故障診斷的新技術(shù)，各過程控制站模件具備實(shí)時(shí)檢測(cè)及遠(yuǎn)程診測(cè)功能，考慮到萬噸水泥熟料生產(chǎn)線對(duì)控制系統(tǒng)的特殊性能要求，在設(shè)計(jì)的過程中均對(duì)關(guān)鍵的通訊模塊和控制模塊做冗余配置，從而大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
2.2 控制管理層
控制管理層的作用是實(shí)現(xiàn)集中操作和統(tǒng)一管理，通過監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)控制方案，生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用戶畫面和報(bào)表等，從而在用戶與系統(tǒng)功能之間提供了一個(gè)接口，使操作員能夠觀察過程回路參數(shù)狀態(tài)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)和報(bào)警情況，實(shí)現(xiàn)設(shè)備起停，過程回路操作和參數(shù)調(diào)整等，過程工程師可以通過操作站調(diào)出過程組態(tài)畫面進(jìn)行操作方案組態(tài)，過程流程圖組態(tài)、趨勢(shì)畫面及各種報(bào)表組態(tài)等。
系統(tǒng)控制管理層中央控制室，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置1臺(tái)工程師站，6臺(tái)操作站，1臺(tái)信息管理站、1臺(tái)QC×管理站、3臺(tái)AS服務(wù)器、2臺(tái)CS服務(wù)器。
2.2．1 操作站（OS）
硬件平臺(tái)為工業(yè)控制機(jī)，軟件平臺(tái)為Windows 2000 ProfessionalSP3、AC 800M／C Connect、OPC Server for AC800MC 3．2、Process Portal A、VB RunTjme 6．O，等軟件。OS功能和權(quán)限由工程師站決定，操作員站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進(jìn)行通信，由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為OPC方式，所以操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面完全可以共享，互為冗余備份。
2.2．2 工程師站（ES）
安裝Control Builder M Professional 3I2（組態(tài)軟件）、Mcrosoft Visual Basic 6．0、Process Portal A， 運(yùn)行在Windows2000 Professional SP3系統(tǒng)上。工程師站在不進(jìn)行組態(tài)時(shí)可兼作操作員站使用。工程師站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)硬件編輯、現(xiàn)場(chǎng)過程站編程、現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表組態(tài)、操作員站組態(tài)一體化等編程及調(diào)試。
2.2.3 信息管理站（MIS）
配置一臺(tái)DELL服務(wù)器， 裝有Windows Server 2000sP3、AC 800M／C Connect、OPC Server for AC 800MC3 2、第三方OPC 軟件，使生產(chǎn)信息（DCS、PLC、窯胴體掃描儀等）進(jìn)入工廠信息網(wǎng)，以供管理和決策。
2．3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由中央監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散布局的控制站和遠(yuǎn)程站等相連接，構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)，由于系統(tǒng)所完成的是工業(yè)控制，具有實(shí)時(shí)反應(yīng)、速度快、較高的可靠性和適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的特點(diǎn)。
2.3.1 中央監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)
中央監(jiān)控網(wǎng)通信采用TCP／IP協(xié)議以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為多模光纜， 其網(wǎng)絡(luò)為1：2冗余配置的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與AC800M 控制器通信速率為10Mbps，與操作站通信速率為100MBps，因各控制站比較分散，網(wǎng)絡(luò)較長，并且是雙冗余配置，故采用30套導(dǎo)軌安裝型光纖集線器通信模件，該集線器提供雙冗余供電，雙路光纖接口，可以將光纜接成冗余星形結(jié)構(gòu)，通信模件內(nèi)置冗余管理功能， 當(dāng)出現(xiàn)故障可以在30ms內(nèi)自動(dòng)切換到另外一條備用線路上，同時(shí)可以診測(cè)到故障發(fā)生位置，通信電纜采用光纜，具有較長的通訊距離和較強(qiáng)的抗干擾能力。信息管理站、QCX管理站做為DCS中央監(jiān)控網(wǎng)和工廠信息網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)，工廠信息網(wǎng)與熒光分析儀等設(shè)備采用OPC方式與DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是連接控制器與I／0卡件、DP／PA耦合器等設(shè)備的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。S800 智能l／0采用Module Bus通信標(biāo)準(zhǔn)與AC800M控制器進(jìn)行通信。控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)采用Profibus—DP／V1現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，且總線通訊模塊均配置冗余。為提高自動(dòng)化控制水平，樅陽海螺10000t／d生產(chǎn)線上主線電機(jī)控制單元， 大部分采用現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制單元， 通過Profibus—DP總線與DCS連接，極大地減少了電器柜到控制系統(tǒng)的電纜，通過總線可以盡可能地獲得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息，可以監(jiān)視到每臺(tái)智能單元控制電機(jī)的電流。
2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)主要連接現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備，該項(xiàng)目中采用Profibus—PA通信總線標(biāo)準(zhǔn)，并可以為現(xiàn)場(chǎng)總線儀表提供電源，與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)之間通過Profibus—DP／PA耦合器連接，通信速率為93．75KB／s，具有FISCO（防爆區(qū)認(rèn)證）功能，可下掛127臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，本項(xiàng)目中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)主要分布在窯尾預(yù)熱器和窯頭篦冷機(jī)處，共計(jì)5條現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上掛接現(xiàn)場(chǎng)總線式壓力變送器。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)控制站）軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件（組態(tài)軟件）設(shè)計(jì)。而整個(gè)系統(tǒng)過程控制軟件包括：過程數(shù)據(jù)輸入輸出，數(shù)據(jù)表示（又稱為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫），連續(xù)控制調(diào)節(jié)，順序控制，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，過程畫面顯示和管理，報(bào)警信息的管理，生產(chǎn)記錄報(bào)表的管理和打印，參數(shù)列表顯示，人機(jī)接口控制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能。其中具有報(bào)警檢測(cè)的過程數(shù)據(jù)的輸入輸出、連續(xù)控制調(diào)節(jié)、順序控制是在過程控制層的現(xiàn)場(chǎng)控制站實(shí)現(xiàn)的。過程畫面的顯示和報(bào)警記錄打印等在集中操作監(jiān)視層通過組態(tài)軟件完成。
3 1上位機(jī)（組態(tài)軟件）軟件設(shè)計(jì)
控制管理層的軟件開發(fā)采用ABB公司的Process PortalA工控組態(tài)軟件。利用該組態(tài)軟件平臺(tái)，根據(jù)工藝控制要求進(jìn)行組態(tài)畫面設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了22幅工藝流程監(jiān)控圖和相應(yīng)的設(shè)備起停操作畫面以及參數(shù)監(jiān)控畫面。包括水泥熟料生產(chǎn)過程DCS控制系統(tǒng)礦山破碎系統(tǒng)、生料配料、生料磨系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、預(yù)熱器系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、篦冷機(jī)系統(tǒng)、熟料輸送及儲(chǔ)存、煤磨系統(tǒng)等監(jiān)控畫面，以及趨勢(shì)圖、模擬量棒圖、控制回路圖、設(shè)備連鎖圖、參數(shù)報(bào)表、報(bào)警總圖等監(jiān)控畫面，各畫面之間切換方便、快捷。各畫面的操作權(quán)限均可在工程師站自由組態(tài)。
鑒于樅陽海螺10000t／d生產(chǎn)線上主線電機(jī)控制單元，大部分采用現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制單元，在組態(tài)畫面時(shí)把各電機(jī)的詳信息均加入相應(yīng)電機(jī)的控制面板中，操作員可方面的監(jiān)控全場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息（電流、電壓、轉(zhuǎn)速等），也可隨時(shí)查閱設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)（過流、欠壓等故障報(bào)警信息）。為了貫徹“安全第一”的方針，以確保設(shè)備和人身安全，在中控自動(dòng)／手動(dòng)啟停設(shè)備前有電鈴警告；重要參數(shù)異常時(shí)給出信息提示和聲光報(bào)警；嚴(yán)格區(qū)分各操作員站和工程師站之間的操作權(quán)限，手動(dòng)啟停窯磨等大型設(shè)備時(shí)均有二次確認(rèn)，以免造成誤操作。在監(jiān)控畫面中，為了擴(kuò)大系統(tǒng)的信息量，使操作員更加方便快捷的查閱工藝狀況和設(shè)備信息，在開發(fā)過程中加入并豐富了鼠標(biāo)右鍵功能，報(bào)警、趨勢(shì)、報(bào)表等信息均可通過右鍵方便地獲得。
3.2 下位機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)控制站）軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)控制器編程軟件為Control Builder M軟件，該編程軟件是一個(gè)基于Windows環(huán)境的編程軟件套件，為整個(gè)控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一個(gè)統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境。該軟件包采用了結(jié)構(gòu)化的程序結(jié)構(gòu)，提供了5種符合IEC 1 131—3標(biāo)準(zhǔn)的編程語言， 即梯形圖（LD）、功能塊（FBD）、指令表（IL）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）和流程圖（SFC），他們可在同一個(gè)應(yīng)用程序中混合使用。具有離線和在線迅速切換功能，可在運(yùn)行態(tài)更改數(shù)據(jù)和指令，保存動(dòng)態(tài)表格，插入斷點(diǎn)等。Control Builder M 支持在線下載、離線仿真和在線模擬，可通過圖形化界面得到CPU、通訊口、I／0 模塊等的診斷信息及故障信息。
該項(xiàng)目在現(xiàn)場(chǎng)控制站程序的開發(fā)過程中采用基于C語法的sT語言和FBD相結(jié)合地形式進(jìn)行聯(lián)合編程。現(xiàn)場(chǎng)控制站程序主要完成設(shè)備的邏輯控制以及各種熱工參數(shù)的采集。因此現(xiàn)場(chǎng)控制軟件由I／0模塊的初始化程序、系統(tǒng)的邏輯控制程序、模擬量處理程序、回路控制程序和各控制站之間及控制站與遠(yuǎn)程I／0 站之間的通訊程序組成。
邏輯控制部分主要完成設(shè)備的啟停以及相關(guān)的故障處理。
生產(chǎn)線上所有設(shè)備的運(yùn)行方式可分為本地控制和集中控制兩種方式。本地控制是為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝、調(diào)試和維修方便而設(shè)計(jì)。集中控制又分為連鎖控制和單機(jī)控制。在正常生產(chǎn)過程中。設(shè)備處在集中控制的連鎖模式下，電機(jī)和各種閥按程序進(jìn)行啟停控制。當(dāng)出現(xiàn)緊急事故時(shí)可以全線停車，以保證人身和設(shè)備的安全。單機(jī)控制方式是指非連鎖方式下，各設(shè)備可以單獨(dú)啟動(dòng)和停止。不需要嚴(yán)格的啟停順序。這種方式適用于DCS系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的單機(jī)試車、設(shè)備安裝和調(diào)試。
模擬量處理程序主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集過來的模擬信號(hào)進(jìn)行工程值轉(zhuǎn)換、報(bào)警處理和趨勢(shì)記錄等。
在本系統(tǒng)中回路控制較多。主要有原料配料控制、窯尾喂料量控制、窯頭喂煤量控制、分解爐溫度控制、增濕塔回水控制、篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)閥門控制等。其中原料配料采取基于模糊PID的前饋控制，原料配料系統(tǒng)由四臺(tái)定量給料機(jī)（石灰石、硫酸渣、砂巖和粉砂巖）及相應(yīng)的板式給料機(jī)組成，單個(gè)控制回路的控制框圖如圖1所示。
其中總喂料量和各原料的配比來自質(zhì)量控制系統(tǒng)（QCX），根據(jù)工藝要求，在設(shè)計(jì)配料程序時(shí)，通過總喂料量和配比先計(jì)算出石灰石的給定值，為了減少擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，將石灰石的實(shí)時(shí)反饋值乘以其余各原料的比例系數(shù)，從而得出其余三種原料的給定值。
在運(yùn)行過程中，程序根據(jù)模糊推理機(jī)對(duì)給定的分析結(jié)果，及時(shí)的調(diào)整控制對(duì)象（定量給料機(jī)或板式給料機(jī)），實(shí)時(shí)的調(diào)整相應(yīng)的PlD參數(shù)。當(dāng)給定較大時(shí)，為了加快響應(yīng)，選用板式給料機(jī)為控制對(duì)象，定量給料機(jī)全速，此時(shí)為控制料層厚度的前饋控制；當(dāng)給定較小時(shí)，為了減少波動(dòng)，選用定量給料機(jī)為控制對(duì)象，板式給料機(jī)低速；當(dāng)給料量居中時(shí)，采取同時(shí)對(duì)定量給料機(jī)和板式給料機(jī)進(jìn)行PID控制的策略，從而大大提高了配料系統(tǒng)的相應(yīng)時(shí)間、控制精度和穩(wěn)定性。
該項(xiàng)目采用德國CP公司的篦冷機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)外方專家的要求和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況將窯頭篦床速度的過程控制設(shè)計(jì)如下：在自動(dòng)狀態(tài)，設(shè)定值W 正常情況下為來自料層控制器的輸出，當(dāng)料位傳感器出現(xiàn)故障或信號(hào)出現(xiàn)干擾的情況下，利用模式切換器將控制信號(hào)切換為壓力控制器的輸出，W 經(jīng)設(shè)定值計(jì)算器乘以相應(yīng)的比例系數(shù)后送給各段篦床的速度控制器，從而控制整個(gè)篦床的速度。其中壓力控制器、料層控制器和速度控制器均為帶閾值判斷的PID控制器。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，結(jié)果令人滿意，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。系統(tǒng)功能強(qiáng)大，友好的人機(jī)界面，在線組態(tài)，形象直觀，易于操作，保證了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的安全可靠性。
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