水泥厂的低成本控制系统的设计

   摘要：本文从一个实例出发，通过对硬件配置和软件设计过程的描述，介绍了低成本计算机系统在水泥工业中的设计及应用，同时阐述了笔者在设计中的一些体会。  

0 引言 
　　*，生产过程自动化在现代水泥行业的发展中占据了举足轻重的地位。它不仅有效地保证了生产的和稳定，大大提高了水泥产品质量，降低了能耗和生产成本，同时提高了全员劳动生产率。然而，除一些大型水泥厂投资额充足外，大多数中小型水泥厂在建厂初期或改造时资金都很紧缺。如何解决有限的资金与*的自动化水平之间的矛盾一直是自动化工作者努力的方向。 
    随着计算机技术的迅猛发展，处理器计算能力的日益强大，网络技术的日臻成熟，计算机产品价格的不断降低，全面降低自动化控制系统的投资额已成为可能。80年代初采用PLC进行电动机控制，大型模拟仪表盘实现工艺参数巡检的控制方式已逐渐趋于淘汰。传统的DCS系统含有丰富的软硬件资源，但对于水泥控制系统的特点而言，许多功能用不上，造成了资源浪费，更是资金的浪费。水泥生产过程为连续过程，需要大量的顺序和联锁控制，开关量点数占总数的80％，这非常符合价格低廉的PLC的控制特点。目前，PLC技术有了很大的发展，不仅加强了对连续量的控制功能，还提供了基本的PID运算及各种应用计算功能模块。在操作员接口方面不断推陈出新，开发出功能强大的通用组态软件，使整个系统在计算能力、响应速度、灵活性与可维护性方面已经达到或超过传统的DCS系统，成为具有较高性能价格比，极富竞争力的PLC和IPC集成控制系统,它已成为中小型水泥厂的控制系统。如Siemens公司的PCS7、S7系列、GE公司的90－30系列、AB公司的SLC系列、Modicon公司Quantum系列等。 
    现以江西珠山水泥厂为例，介绍低成本的PLC型集散控制系统在水泥工业中的设计及其应用。 
1 系统概况及硬件、软件设计 
1.1 系统概况 
    江西珠山水泥厂700t/d水泥熟料生产线是由中国建筑材料科学研究院设计并调试投产的1条五级预热器窑外分解工艺干法生产线，于1999年底投入运行，2000年初达标生产，至今整个控制系统运行良好。全厂计算机控制系统采用Modicon Quantum系列可编程序控制器、Modbusplus通讯网络，用研华工控机作为操作员站和工程师站在中控室进行集中操作与监控。 
    在全厂主要车间的电气控制室内共设有4个PLC现场控制站，分别是生料制备现场站、窑尾喂料及预热器现场站、窑头煤磨现场站和水泥粉磨现场站。现场控制站作为控制的核心，完成数据的采集与控制指令的发送。 
    中控室位于中控楼二层，与窑头平台通过走廊相连。内设3个操作员站，其一兼作工程师站。因水泥磨车间的位置离中控室较远，为方便操作时与现场的,在水泥磨控制室单独设操作员站对水泥粉磨系统进行控制。 
    这样，通过上位机与下位机的有机结合，完成对全厂工艺生产线的集中操作和分散控制。系统有如下功能： 
    数字量与模拟量的采集与处理; 
    电动机及电气设备的顺序联锁起停控制; 
    工艺流程画面及动态参数、设备状态显示; 
    动态参数给定调节及阀门控制; 
    回路调节与自动控制; 
    实时、历史趋势曲线图; 
    报警显示及记录; 
    屏幕实时画面打印; 
    工厂报告与打印。 
1.2 硬件设计 
    现场控制站是由高性能的集成计算机处理器模块和I/O控制单元组成。这种模块化积木式的组成方法为各种控制思想提供了灵活多变的解决方案。设计者可以根据不同的需要，设计不同的网络拓扑结构。我们在珠山水泥厂采用的PLC型集散控制系统，各现场站为分布式I/O（DIO）的系统结构。即每个现场站由一个主机架和若干扩展机架组成，各机架模块通过连接在通讯模块上的分支电缆连接在一起，实现同主架上的CPU之间的数据通讯。全厂的通讯网络采用结构为令牌环的高速总线，通讯速率达1Mbps。 
    现场控制站的主要硬件有： 
    1）*处理器（140CPU43412），它主要负责控制程序的扫描执行与计算，控制指令的产生，同时还提供了内部寄存器，便于上位机的数据获取，可谓是控制的枢纽。 
    2）通讯模块（140NOM21100），它的功能是将本站中的数据编集成符合Modbusplus协议格式的集合并产生和接收令牌，使网络上所有结点都能识别出彼此的数据，实现数据的高度共享。 
    3）电源模块（140CPS11410），它为机架上的模块提供总线电流和工作电压。 
    4）I/O模块，完成现场信号的采集，包括数字量输入/输出、模拟量的输入/输出，并实现控制指令的输出，通过外部继电器等zui终实现设备的控制。 
    5）安装机架，其上提供模块的总线插槽及接地端子。 
　　通讯网络采用开放的Modbusplus（MB＋）网，主网上可连接多达64个节点。每个节点又可以向下扩展，形成扩展网络。其连接方式非常灵活：可以用CPU上的MB＋口连接扩展DIO机架上的CRA通讯模块形成扩展网络，用NOM模块连接MB＋主干网；也可以将两者互换，用CPU连接MB＋主干网，NOM连接DIO。网络连接采用价格低廉的双绞线电缆，T型TAP连接头。 
    操作员站选用具有当时主流机型配置的工业控制计算机，其特点是速度快，存储量大，性能稳定可靠，便于操作，易于掌握、维护等。珠山厂的操作员站配置为In PII400处理器、64M内存、4.3G硬盘、40速光驱、PHILIPS 21寸高分辨率彩显、工业用球标器、键盘、SA85网卡。三台操作员站一字排开摆放在中控室内,监控方便。 
    工程师站提供了开发控制系统的各种应用软件及与系统有关的资料和文档，便于在线监控和修改控制程序，同时也兼作操作员站，与其它计算机互为备用。 
    现场站CPU和各操作员站均采用UPS供电，以避免车间用电的干扰，防止意外断电对计算机造成损害和控制程序的丢失。另外，计算机系统良好、正确的接地是非常重要的。 
1.3 软件设计 
    珠山水泥厂的控制系统编程软件由上位机软件MonitorPro和下位机软件Concept组成，分别完成操作员界面的组态和控制程序的编制。在过去，控制软件的编制相当复杂，开发人员必须具备一定的编程知识才能胜任，要以一两个人之力难以完成整条生产线从界面到控制的设计。随着计算机技术的发展，各系统供应商纷纷推出基于自己硬件系统的通用组态软件。与此同时，操作系统更是不断更新换代，从DOS、WINDOWS3.X到WINDOWSNT，使应用控制软件的编制变得更容易，更直观，更富于活力。开发人员不必具有很深的计算机编程基础也能做出好的控制软件。模块化语言和所见即所得的全新Windows操作方法成为众多控制软件追求的风格和标准。 
    以MonitorPro为例，它具有丰富的图形库供编程人员调用，还提供了各种不同风格的按钮、控制图形。开发人员可以直接使用这些资源或通过各种技巧创作出富有特色的界面。在数据库方面，MonitorPro采用填表式的结构，将要记录的参数按标签名、地址及索引资料填写在相应的表格中，系统在运行时自动生成相关的数据库资源，方便地与各现场站进行数据通讯。组态的过程包括网络类型的定义、变量表的建立、报警数据库的建立、趋势数据库的建立、报告格式的制作、工艺流程画面的绘制、操作界面的制作等。这些内容可以做得相当灵活，为了实现一种控制方案可以有很多种不同的编制方法，甚至可以用第三方语言进行再开发，达到优化控制的目的。 
    操作员界面是进行人机对话的窗口，画面用不同颜色和形态表示设备的不同状态。在实际设计时，我们为操作员设计了很多动态画面，如烟囱冒烟、磨机内物料翻滚、提升机料斗上升、回转窑的转动及增湿塔喷水等，这样既能使操作人员直观地掌握当前设备的运行状态，又给操作者的工作带来一种情趣。 
    珠山水泥厂的控制画面（包括各车间的工艺流程）中可动态显示各种热工参数、各电动机的图形符号（不同状态的电动机显示不同颜色）、设备组起停窗口、阀门操作画面、历史趋势图、报警一览表、原料配料给定画面、窑尾吹堵画面、窑头及窑尾喂煤控制画面、自动回路调节画面等，界面全部汉化，易于理解和掌握。画面切换速度快，操作灵活，全部操作均可用鼠标轻松完成，并在键盘上设有快捷键。 
　　下位机编程软件Concept是一款获奖的软件，它支持多种语言编程，包括梯形图、语句表、功能块、顺序图等。编程者可根据自己的习惯选用。其过程也要通过编制符号表、定义变量地址、编制功能块、程序下装来实现。Concept的一个zui大的优点在于它可以很方便地在线监控程序的运行，并且在不中断生产的情况下修改程序，zui大限度地保证了生产的正常运行。Concept提供了大量的标准控制功能块，编程人员可从在线帮助手册了解功能块的应用范围，还可利用这些块制作出新的功能块，并且相互间可以调用。在线监控时，要先选择相应的现场站的节点地址，然后进行连接。在线监控与现场站的关系是一一对应的。 
    工艺过程的自动控制主要介绍生料配料和窑的煅烧控制。该厂生料配料自动控制采用软件。由于水泥熟料煅烧是在高温、多尘、振动以及物理化学变化复杂的情况下进行的，主要被控对象（回转窑）具有大容量、长滞后、多变量、难检测和多扰动等特点，因此窑系统的控制难度大。我们采用局部调节回路来稳定窑系统的主要参数，如分解炉喂煤量自动控制回路，以工艺要求和看火工的经验为基础，设计开发出一种简单的模糊控制。利用Concept内部强大的功能块，根据预热器和分解炉的主要热工参数来控制分解炉的喂煤量，从而有效控制分解炉温度，稳定入窑生料的分解率，防止结皮现象，大大有利于窑内热工制度的稳定。笔者认为在今后的设计中，如果类似这种方式的控制能多一些，则整个工艺系统的性能将有很大提高。 
2 效果及体会 
    PLC型集散控制系统作为低成本自动化控制系统在性能上*水泥厂的控制要求，价格上也是可为大多数水泥厂所接受的。珠山厂采用该自动化控制系统,其投运率高于95％，为整条工艺生产线的调试及顺利投产提供了有力保障。该厂1999年底点火投运，2000年2月通过了72h生产考核。目前熟料产量已从设计的700t/d提高到789t/d，甚至达到800t/d以上，烧成热耗降低到3300kJ/kg，实物煤耗降低到135kg/t，已达到较*的水平。我院在湖南新生水泥厂、四川华蓥水泥厂、津巴布韦水泥厂等的设计中相继采用了这种类型的控制系统。 
    据统计，对一个700t/d熟料的水泥厂而言，如选用传统DCS系统，控制系统总投资大约在250万元左右，而采用PLC型DCS系统的投资额不到150万元，甚至更低。事实上，水泥厂的自动化投入比起设备来说可谓是九牛一毛，所占比例还不到总投资的5％。然而，合理选择性价比高的控制系统往往达到事半功倍的效果。一方面zui大限度地利用了资金，另一方面，由于控制系统的高度可靠，对于工艺系统的达产达标起到了巨大的保证作用。此外，由于这种控制系统操作简便，易于维护，备品、备件少，又给以后的生产带来莫大的方便。不但大大降低了工厂对备件的资金投入，而且减少了岗位工和操作工的人员定制，提高了全员劳动生产率，降低了生产成本。 
    值得注意的是，许多水泥厂虽然选用了计算机控制系统，但为了节省资金，却购置了性能较差的现场仪表和测量元件。由于这些仪表在精度和可靠性上远远低于PLC系统，偏差过大，故障率高,导致整个系统控制性能的降低，这真是得不偿失。所以对于关键测量仪表如温度、压力变送器、料位计、流量仪表等一定要选用性能可靠的产品，不要一味追求价格。再有，在订购设备的同时一定要和自动化专业人员及时沟通，因为设备要接入控制系统必需具备与系统通讯的接口。若等到设备出厂、安装到位再去修改，则为时太晚，很多情况下是无法做到的。这等于降低了控制水平，缩小了控制范围。 
    总之，PLC型集散控制系统作为一种*的、低成本的控制系统，值得在水泥工业，特别是中小型水泥厂的改造中大力推广。