山東東華水泥二期5000t／d熟料生產線DCS系統的應用

0 前言
　　東華水泥有限公司是山東淄博礦業集團的下屬企業，經過一、二兩期工程建設，現擁有兩條5000t／d新型干法水泥熟料生產線，其中二期工程于2008年4月投產。在充分調研了計算機技術、網絡技術、應用軟件技術、信號處理技術等目前在水泥行業運用情況的基礎上，根據我公司人員技術水平、本廠的實際情況，二期工程我們采用了性價比較高的Web—FiledECS100的國產DCS控制系統。針對我廠的實際要求，系統研發人員研發了一套專門應用于水泥行業的軟件功能塊。本文就該系統在我廠的實際應用情況作一介紹，并對如何提高系統的性能提出了一些見解和看法。
1 ECS100系統
1．1 ECSIO0系統簡介
　　ECS一100控制系統是浙大中控為適應網絡技術的發展，特別是Internet、Web技術的發展而推出的基于網絡技術的控制系統。該系統覆蓋了大型集散系統的安全性、冗余功能、網絡擴展功能、集成的用戶界面及信息存取功能，具有模擬量信號輸入輸出、數字量信號輸人輸出、回路控制等常規DCS的功能，還具有高速數字量處理、高速順序事件記錄（SOE）、可編程邏輯控制等特殊功能；它不僅提供了功能塊圖（SCFBD）、梯形圖（SCLD）等直觀的圖形組態工具，又為用戶提供開發復雜高級控制算法（如模糊控制）的類c語言編程環境SCX。系統規模變換靈活?？梢詫崿F從一個單元的過程控制，到全廠范圍的自動化集成。
　　該系統集編程，組態．監控，操作、記錄、打印、事故報警等多項功能一體的編程系統，配置了Ad—vanTrol—Pro2．6編程組態軟件，可以對現場每個控制站進行軟件編程、硬件組態、實時監控等，也可以在線、離線調試修改程序而不影響整個系統運行。中控室操作站顯示工藝流程、動態參數和設備的運行狀態。并對超限情況發出報警?？砂磿r間自動循環顯示。設備參數實時趨勢畫面顯示當前一段時間內的動態參數趨勢，且可按時間將所有變化曲線自動保存，并可隨時查看或打印一個月之內某段時間的設備參數實時趨勢曲線供分析研究。模擬儀表顯示將主要參數以模擬常規儀表的形式集成在一幅畫面上，便于觀察和操作：報警總畫面將所有實時報警點都集中到一屏進行顯示，這樣便于分析問題所在，以便排除故障所在。報警歷史記錄自動記錄各參數的報警時間及當時的設備工作狀態，該記錄只有專職管理人員才能刪除，這樣便于管理及對操作人員的考核。自動記錄設備起停及計算正常運轉率，可考核某一段時間或全年設備運轉情況；可根據用戶要求自動形成各種類型的生產報表。操作人員可以在屏幕上通過鼠標或鍵盤對設備的啟、停進行操作及對有關過程參數進行修改：中央控制室工程師站主要用于對控制系統進行組態、編程、調試和維護，可在線修改程序而不影響整個系統運行；該系統基本采用功能塊編程，高效便捷。
1．2 ECS100系統的配置及主要功能
　?。?）現場控制站。根據我公司工藝生產線布置的特點，二期工程分別設置了原料處理、原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、煤粉制備等五個現場控制站?，F場控制站是系統中直接與工業現場進行信息交互的I／O處理單元，完成整個工業過程的實時監控功能?，F場控制站由主控制卡、數據轉發卡、電源箱和I／O卡件組成，遠程控制站則由通信模塊、數據轉發卡、電源箱和I／O卡件組成。我廠采用的是FW243X主控卡和FW233數據轉發卡，每個站都有兩塊主控卡和兩塊數據轉發卡，且都互為冗余，數據實時更新，一旦一卡出現了故障，備用卡將自動進行無擾切換，不會影響到設備的操作，確保生產線的正常運轉。
　?。?）工程師站。工程師站是對整個系統進行組態編程，程序修改、維護，內裝有相應的組態平臺和系統維護工具，并配有專門的軟件加密狗。通過系統組態平臺生成適合于生產工藝要求的應用系統，具體功能包括：系統生成、數據庫結構定義、操作組態、流程圖畫面組態、報表程序編制等。而使用系統的維護工具軟件可實現過程控制網絡調試、故障診斷、信號調校等。
　?。?）操作員站。我公司二期工程配有五臺操作員站，均裝有正版WIN2000 Professional操作系統，各操作員站互為備用，是操作人員完成過程監控管理任務的人機界面，可以方便地實現生產過程信息的集中顯示、集中操作和集中管理，同時可以采用OPC方式實現與異構系統（如自動配料系統）的互聯。
　?。?）過程控制網絡。過程控制網絡實現了工程師站、操作員站、控制站的連接，完成信息、控制命令的傳輸與發送，雙重化的冗余設計，使得信息傳輸安全、高速。過程控制網絡分為三層．最上層為信息管理網，采用標準的工業以太網，連接了各個控制裝置的網橋以及企業內各類管理計算機．用于工廠級的信息傳送和管理，是實現全廠綜合管理的信息通道。中間層為過程控制網，采用了雙高速冗余工業以太網SCnetⅡ作為其過程控制網絡，連接操作站、工程師站與控制站等，傳輸各種實時信息。底層網絡為控制站內部網絡（名稱為SBUS），采用主控制卡指揮式令牌網，存儲轉發通信協議，是控制站各卡件之間進行信息交換的通道。我公司DCS系統網絡結構見圖1。

2 生產控制實施
　　簡單地說，水泥熟料的生產過程就是將各種原料進行配比混合，研磨，預熱分解并燒成熟料。整個生產過程中有以連續量為主的反饋控制．還有以開關量為主的順序控制、按時序控制及邏輯連鎖控制。我廠的燒成系統采用了中材國際南京水泥設計院的低阻高效新型干法窯外分解技術：原料磨主機設備選用了FL·SMIDTH的ATOX50立磨；冷卻機選用了FL·SMIDTH的SF篦冷機：窯系統的溫度及壓力儀表采用PROFIBUSS—PA儀表。FL·SMIDTH的控制柜都配有自己的PLC控制系統，采用的是西門子S7—300，具有開放的DP總線接口，我們通過DP總線通訊技術，將PLC柜上需要在中控集中監控的數據采集到DCS系統上，大大節約了投資成本和日后的維修工作。
2．1 PID調節
　　PID（比例+積分+微分）控制算法或其他簡單的控制算法，使工業生產過程的被控變量，如溫度、壓力、喂料量等，在遭受外來擾動情況下．穩定維持在預先的給定值上。在水泥生產線中自動調節的反饋型PID控制回路約為3O個，而國內現設計和投入的有10個左右。由于水泥生產的工藝工況相對復雜，PID回路投入的數量取決于生產線的自動化水平和工藝的穩定性。根據生產需要，我們在許多工藝關鍵點應用了PID調節，現在就我公司的兩個典型的例子介紹一下PID的調節功能：
　　（1）生料人窯計量控制回路：一期工程我們使用的是自帶的PID控制器的喂料秤，價格昂貴，控制卻不穩定。二期工程我們采用的是從軟件上進行PID調節控制，這樣不但減少了設備成本，而且大大提高了控制質量。該控制回路的被控變量是計量秤的喂料量，調節參數是流量閥開度。根據計量秤的喂料量設定自動控制下料閥門的開度大小。從而確保了窯喂料的穩定，保證了熟料的產量和質量。
　?。?）篦冷機篦速控制：自動控制篦板速度對穩定篦板上料層厚度、生產工況及設備安全運行都是必要的。根據理論和經驗總結得出的壓力、速度、料層厚度之間的關系，設置篦冷機一室篦下壓力最佳控制點，計算機自動控制調速柜，調節第一段篦板速度，第二段篦板速度將按一定比率自動跟蹤第一段篦板速度。采用這樣的控制方案，盡管進人冷卻機的熟料量和顆粒組成發生變化，但二段篦速仍然協調一致，篦床上的料層厚度逐漸遞減并保持一定的關系，有利于篦床上熟料的輸送和冷卻。
2．2 PROFIBUSS總線通訊的實際應用
　　ATOX50原料磨共有167個通訊點，其中液壓站有55個，減速機有50個，磨輥潤滑62個：篦冷機則有85個通訊點。一期工程采用常規的點對點通訊，DCS系統增加了大量的I／O模塊，增加了大量的電纜安裝，增加了軟件編程工作量，但也只能將部分信息傳送至DCS系統。二期工程我們改用總線通訊的方式，上述所有參與通訊的點都通過FW239一DP總線卡進入了ECS100控制系統，再采集到中控，并作出相應的流程圖畫面，將現場設備的各種信息狀況及報警信號直觀的顯示給操作員，有不正常狀況時可以及時提醒操作員去處理，有效地防止了由小問題沒注意導致產生大的故障停機，影響生產；并且能在出故障時將故障的信息準確顯示出來，極大地減少了對故障的分析判斷時間，也大大減少了現場I／0卡件的通道和維護成本。
　　我廠預熱器塔架上安裝了48臺PROFIBUS—PA溫度及壓力儀表，其中溫度儀表2l臺，采用的是西門子TH400；壓力儀表27臺，采用的是ABB2600T：PA儀表通過耦合器及鏈接器與DCS系統FW239一DP模塊進行通訊，因配套的西門子耦合器一臺最多可帶25臺總線儀表．一臺西門子鏈接器最多可通訊244個輸入字節和244個輸出字節，我們現在只用西門子鏈接器的244個輸人字節：通過以上參數可以看到一臺鏈接器可以帶48臺PA儀表的通訊量并且SyCon軟件也可以在一塊西門子鏈接器中組態48塊儀表．但是西門子鏈接器作為FW239一DP模塊下帶的一個DP從站，在組態軟件內一個DP從站只能帶6O個SLOT．總共30塊儀表使用．因此一臺連接器最大只可以帶30臺PA儀表，所以使用兩條PA總線。我廠采用了PA儀表總線后，既節約了安裝成本。也大大減少了儀表維護人員的工作量。
3 結語
　　東華水泥二期工程采用的ECS一100DCS系統功能強大，系統穩定性較好．實現了整個生產過程中優化控制和安全操作。該系統有良好的人機界面，開放的接口，維護方便，水泥生產過程專用控制模塊可以很好滿足水泥生產過程中的各種特殊要求。但與國外的先進系統相比，該系統硬件結構不夠緊湊。現場站控制柜數量太多，要求控制室面積較大．編程組態軟件也有一些待改進的地方，相信在今后的應用中該系統會更加完善。