水泥生产中央控制系统与自动化

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1、 水泥生产中央控制系统摘要: 随着水泥工艺技术的改进,以微处理器为基础的(microp rocessor based)各种自动化装置及计算机控制技术得到了迅猛发展和应用。我国水泥工业自动化水平也有了很大的提高,本文简要介绍我国水泥工业自动化的发展及当前新型干法水泥工厂的自动化设计。关键词:DCS 系统;PLC；工艺流程图;管理信息系统;水泥工厂自动化及设计引言：在现代水泥生产过程中,自动化占据着重要位置。当前水泥生产线自动化的核心是计算机控制技术,它是计算机技术,网络技术和传统的自动化技术相结合的产物。与过去传统的控制方式相比,水泥工业的自动化发生了质的变化,其影响已涉及从管理架构、运作层次乃

2、至企业理念等多个层面,并导致了人力资源、技术资源的重新整合。以网络技术、计算机及其支持软件为基础的生产与经营管理信息系统,将水泥工厂各个相对孤立的局部控制系统、专家系统、管理系统有机联系起来,构成一个完整计算机网络系统,对生产过程的物质流和管理过程的信息流进行有效地控制及协调,以实现生产过程自动化和管理信息自动化相结合的水泥工厂自动化。随着我国即将加入WTO ,企业将面临更加严峻的竞争,要适应新的竞争模式下市场对生产和管理过程提出的高质量,高速度、高灵活性和低成本的要求,具有生产过程自动化和管理信息自动化相结合的工厂自动化系统将成为企业的必然选择。一、计算机控制系统的发展历程1975年美国的H

3、oneywell公司首先推出了以微处理器为基础的TDC - 2000型集散型控制系统,其型号TDC为Total Dist ributed Cont rol三个英文字的缩写,即集散系统。随后,世界各国也相继推出了自己的集散型控制系统。1.1计算机控制系统的分类随着微处理器运算能力的增强,超大规模集成电路集成度的不断提高和成本的不断降低, 给过程控制的发展带来新的变化,使得过去难以想象的功能付诸实施。80年代集散型计算机控制系统开始在我国的水泥厂中得到应用。集散型控制系统即DCS系统(Dist ributed Cont rol System)是以微处理器为基础的,在这一时期,该系统有了巨大的发展,

4、先后经历了几代产品。在继电器逻辑控制技术的基础上发展起来的PLC(Programmable Logic Cont roller可编程序逻辑控制器的简称)也开始应用了微处理器,而且也是分散的。PLC应用了微处理器之后,就不只局限于具有逻辑功能了,它也能处理过程变量,进行PID等各种算法运算,实现与其它DCS和微机的通讯。个人计算机原先是在办公室自动化中应用的,但由于它大量生产,各个厂家的竞争,使得它的性能不断提高,价格不断降低,从80年代中期开始,逐步渗透进入了控制领域,开始是从事于小型的、专门的、局部的控制,后来因为使用效果不错,逐渐扩大应用范围,将个人计算机与PLC用网络连接起来,组成一个分

5、散控制,集中操作与管理的控制系统,它在结构型式与系统的功能上同DCS系统基本相似,从这个意义上讲,由PCL与微机(个人计算机的简称)的计算机控制系统也可叫做DCS即集散控制系统。因此,从广义上讲,DCS 可分为仪表型和PLC型两种。后来仪表型的DCS发展了PLC的顺序控制功能,PLC也发展PID调节及数据处理功能。这两种DCS 相互渗透,各有侧重。习惯上将原先由仪表厂生产的DCS叫做传统的DCS,或DCS系统,而由PLC及微机构成的DCS称为PLC型DCS系统,以示区别。1.2传统的DCS和PLC型DCS在水泥厂的应用自1975年世界上第一套集散控制系统诞生之后,工业控制自动化进入了一个崭新的

6、时期。纵观整个过程控制的发展,它们都是与计算机技术的发展紧密相连的。传统的DCS系统,起先大都是自我封闭,没有按照一种工业标准来生产、制造。后来,开始提出了开放系统结构, 而各制造商虽宣称自己的产品朝开放系统发展,但是,他们为了自身的利益,对开发系统的定义则各不相同,因而不同厂商的产品在硬件的兼容性、软件的可移植性、应用的互可操作性上很难达到统一。所以,无论哪家DCS系统,其价格都是十分昂贵的。PLC早先是用于控制电动机的顺序控制。当应用了微处理器以后,另有PID调节及处理过程变量等功能。由于其价格便宜,可靠性好,扫描周期比DCS短,可以在10ms以内,因此应用范围越来越广。由于微机在市场上到

7、处可以买到,万一发生故障,造成的问题也较容易解决, 还由于微机的普及,大家对微机比较熟悉,使用、维护也较方便。更为重要的是,越来越多的软件公司为微机开发了许多实时、多任务的工业控制软件,并能以各PLC硬件生产厂的PLC进行联网通讯,一起组成一个分散控制,集中操作管理的控制系统。在价格上比传统的DCS要低许多。PLC型的DCS几乎同时与传统的DCS应用于水泥生产线的自动化控制,在二十几年的应用中,基本上各占半壁江山: 80年代中后期及90年代初,以传统的DCS应用居多,而90年代初期以来,以PLC型的DCS应用居多。世界著名的水泥公司设计或建设的大型现代化水泥厂的控制系统以PLC型的DCS居多,

8、如:铜陵水泥厂(4000t/d),大宇水泥(山东)有限公司(7200t/d)等,或是将PLC与传统的DCS相结合使用,如:大连-小野田水泥公司(4000t/ d)等。传统的DCS在与PLC型DCS竞争过程中,显示出传统的DCS在连续的过程控制和复杂的控制系统中占有优势;而PLC型的DCS在以开关量为主的批量过程控制中占有优势,在谁也打不垮对方的情况下,开始互相渗透和融合。还是由于微机的性能的提高,价格的下降,传统的DCS广泛地采用高档微机作为其操作站,又由于开放及连网的要求,世界上传统的DCS厂商几乎都推出了以Win2dows NT为操作系统,微机为操作员工作站的新一代DCS。至此传统的DCS

9、在价格上与PLC型的DCS基本持平,而两者在功能上、性能上也越来越接近了,因此,也就没有必要刻意地区分它们,有时这两种系统可能混合起来使用。1.3计算机控制技术在水泥生产线过程控制的发展展望目前,无论是传统的DCS还是PLC型的DCS,其应用范围已经从水泥生产线的主工艺流程线扩展到了整个水泥生产线的过程控制,系统处理的信息量也比早期设计的系统增加了许多。DCS系统在水泥生产线的使用,使传统水泥厂所需的生产管理人员的数量大为减少,在提高了产品的质量、数量、设备运转率和劳动生产率的同时,降低了能耗及劳动强度,企业获得了较好的经济效益。随着各种智能仪表,各种带有小型PLC的单机控制装置以及全数字的变

10、频器及可控硅直流控制装置的应用,加上DCS系统与这些控制装置及仪表之间的接口的迅速发展,从技术上已经保证了DCS系统能与部分控制装置及仪表实现以通讯方式进行数据交换,而不需采用传统的点对点的方式进行。DCS系统与生产线上的大部分智能仪表、各种相对独立控制装置实现通讯,这就可以节省大量的输入输出点、大量的控制电缆及相应的设备和土建费用,从而降低整个工程的造价。目前,水泥生产线上的DCS与生料质量控制系统的配料计算机、某些单机控制装置的PLC和部分变频器等实现通讯已经有许多成功的经验。当前自动化的热点是现场总线(fieldbus)。有专家认为:现场总线控制系统将逐步取代传统的DCS系统,给工业自动

11、化的过程控制领域带来又一次革命。现场总线是一个计算机网络,是用于现场仪表或控制装置与控制室控制系统之间的一种全数字化、双向、多站的通信系统,由于在网上传输的是数字信号,因此,提高了信号的传输精度及可靠性,传统的通信是基于模拟或离散技术,一个介质只能传输一个参数,而且只能一个方向,又由于现场总线支持双向多变量通信,即多个节点可以共用一个介质,因此,大大地降低了信号传输的成本。现场总线将改变传统的DCS的输入输出模式。各种智能化仪表及全数字化的现场控制装置的使用,已经可以将原来由传统的DCS完成的PID控制功能及其它的一些控制功能下放到现场的智能仪表及全数字化的控制装置中去,当这些功能下放之后,传

12、统DCS的部分功能及优势正在丧失,加上其输入输出的结构将逐步地被现场总线取代,因此,可以说传统的DCS将会逐步消失,取而代之的则是基于现场总线及智能化仪表的现场总线控制系统。目前,现场总线控制系统在水泥生产线的过程控制中已经有了一些应用,随着现场总线的国际标准的确定及其技术进一步发展,现场总线控制系统将在水泥工业的过程控制领域得到广泛的应用。二、目前水泥工厂自动化的设计在新型干法水泥生产过程中,要保证生产稳定,提高产品质量及产量,降低能耗及成本,提高设备运转率,就要有可靠的生产过程控制系统和完善的控制技术。现代化水泥厂的工艺设备单机容量大、生产连续性强、整个生产过程需要各个环节协调一致,这就必

13、须通过计算机控制系统及时地监视设备的运行情况,调整工艺参数的扰动,促进生产稳定、协调,优化生产过程,保证整个生产的高效运转,以达到最佳的经济效益。完成这一功能的计算机控制系统及自动化装置称为生产过程自动化系统。在水泥生产的过程控制由常规电气及仪表控制方式过渡到计算机集中控制方式后,为水泥厂带来了可观的经济效益,但受到控制系统功能的限制,有关生产管理的功能,诸如生产分析、统计、预测、类比、存档等功能几乎没有,尽管有的控制系统带有历史数据存档功能和报表功能, 但存期短,报表种类少,且不能按用户要求随意编排格式,至于生产的管理主要还是靠管理者和各部门的经验。企业管理者和各部门不能及时地、全面地采集到

14、实时的生产数据、质量数据及其它消息,因而对生产的指挥与管理必然会带有一定程度的主观性。另一方面,由于企业经营方式的转变,市场竞争加剧,传统的人工管理,已不能满足现代化企业的要求,迫使企业寻求更高效的管理方式。工厂生产管理信息系统就是为了解决上述问题而产生的,但目前只有部分企业认识到生产管理信息系统的应用会给企业带来管理上的效益。2.1 PLC系统介绍 系统的主要控制以原料配料到熟料入库的整个生产环节。其目的是把传统的分散型车间人工操作方式上升为中央计算机集中控制方式，完成生产过程自动化控制监视和管理。利用较先进的电致发光模拟屏，并根据操作和控制的要求，与)*+ 软件配合，组成内容丰富、形象生动

15、的工艺流程图。若熟料过多，熟料库底的传感器产生一反馈信号给中央控制室，在中央控制室操作台下达指令给水泥磨高压电机，使其在满负荷下工作，加快水泥粉磨过程。同时，下达指令使生料的入窑速度减小，以减轻熟料库的压力。这样，整个生产环节在监视和控制下协调工作。 *PLC集中控制系统的工作情况 全线按工艺情况，分成三个相对独立的控制系统：即生料系统，增湿及窑尾系统，熟料输送及煤系统。各系统又分成相对独立的控制组。组内动力设备有多台，各台设备间的控制功能要求有：料位联锁，延时自启动，润滑及阀位起动联锁，方式选择，故障判断，启动条件判断，运行联锁，信号预告及故障报警等。被控对象较复杂，从而系统的操作控制更为复

16、杂化。为此，在中央控制室设置可编程控制器，其示意图，如图1示，经开发编制软件来完成所需的控制要求。操作人员通过中央操作台的控制按钮下达指令，即可顺利地完成生产过程的操作、控制、和保护。 图1PLC控制框图*PLC机硬件与外部元件的关系 PLC的输入模块与中央操作台，仪表系统，6KV开关站相连。其各自的信号输入PLC，经过PLC处理后，由系统软件控制，通过PLC输出模块输出至中央操作台信号指示及故障报警装置，产生指示信号和报警信号。输出至仪表系统产生联锁控制。同时，现场各设备电机的控制信号及反馈信号作用于中继屏输入PLC，形成一个集控制与显示于一体的闭环系统。系统方框图，如图2示。图2系统方框图

17、2.2 PLC控制系统的硬件组成及软件设计*硬件组成考虑到系统的复杂性，本系统用日本三菱A2系列可编程控制器为核心的PLC控制。采用该产品，是由于它是中型机，有多处理功能及上位机通讯联网功能，它采用先进的模块式结构，功能模块齐全，指令丰富，且系统扩展方便。本系统有主机模块一块，电源模块二块，输入及输出模块各一块，I/O共400多个点。另外还配置主机及扩展基板，编程器，通信电缆及贮存盒。硬件组合，如图3示。 图3硬件组合图*软件设计本程序设计采用功能模块子程序结构，设置好每个模块的入口和出口条件，利用三菱A2系列PLC调子程序功能连接在一起，使整个程序层次分明，结构清楚。主程序流程图，如图4示。

18、图4主程序流程图2.3 系统特点*线路结构简单，故障率极低PLC设备是无触点化的控制装置，设备的平均故障时间一般都在1104以上。由于PLC软件的丰富控制功能取代了复杂的硬件接线线路，使得仅根据容量的大小，设计几个标准的线路方案，以供套用，从而极大地降低了电气控制线路的复杂性，减少了电气系统的维护量和故障率。*系统维护方便，运行安全可靠为了维护方便，提高系统的可靠性，PLC电源配电系统设置了APD装置，并配备了UPS不间断电源。排除了停电对全线运行的不利影响。对电机的控制回路进行继电器隔离，消除了外部负载对I/O模块的可能损坏。系统设备采用独立的接地系统，减少杂波干扰。室内装设空调，有利于设备

19、的安全运行。2.4 DCS水泥生产线的过程控制设计简介目前,新型干法水泥生产线的过程控制主要是由集散型计算机控制系统DCS、自动化仪表及一些专用的自动化装置组成,DCS系统将这些仪表及自动化装置连接成一个完整的系统对水泥生产线的生产及产品实施监控。*DCS系统控制的范围及结构对于完整的水泥生产线,DCS系统控制范围通常设计成从石灰石破碎开始一直到水泥成品包装发运。根据水泥生产线各车间的生产特点以及总图的布置特点,通常是将石灰石破碎及输送和水泥包装及成品发运设计成两个局部控制系统,而将这两个局部控制系统以外的生产线设计成一个主生产线控制系统,这三个系统连成网络共同完成对水泥生产线的过程控制。一般

20、情况下,这两个局部控制系统分别设置独立的操作员工作站和现场控制站,并分别设于其相应的控制室中。主生产线的控制系统在中央控制室设置45台操作员工作站,在原料磨、煤磨、窑头、窑尾及水泥磨等分别设置三至五个现场控制站或远程站。*DCS系统控制方式由DCS系统对设备进行控制有两种模式,一是所谓“集中优先”模式,另一种是所谓“机旁优先”模式,下面仅以“机旁优先”模式作一简单介绍。由DCS系统控制的每台设备在机旁均设有按钮盒或控制箱,装有带统一钥匙的控制方式选择开关,进行控制方式选择。有“集中”、“断开”、“机旁”三种方式。在集中控制方式时,控制室的操作员根据工艺流程上设备的状态,通过操作员工作站的键盘输

21、入指令,对电动机组及用电设备按程序进行开停控制。各电动机及用电设备的备妥、运行、故障等状态可在控制室的操作员工作站的CRT上显示。在机旁控制方式时,可在机旁进行单机的开停,以满足单机试车的要求。在断开方式时,集中控制和机旁控制均无效,以保证设备检修人员的人身安全。*DCS系统实现的主要功能操作员工作站通过CRT和键盘完成生产过程的监控和操作,包括组启动,组停车及紧急停车的操作等,用电设备的备妥、运行、故障等状态的显示,生产过程参数的显示、设定、报警、记录和优化等控制,各种故障报警及工艺参数可由打印机打印出来。现场控制站完成顺序逻辑控制和设备间的联锁、数字量和模拟量的数据采集、处理、PID回路的

22、控制等。网络系统完成各操作员工作站、各现场控制站之间的数据传输以及与其他控制系统计算机双向数据通讯等。如与生料质量控制系统的配料计算机、生产管理信息系统的计算机通讯等。*其它自动化装置在新型干法水泥生产线的过程控制设计中,除了设置各种各样的温度、压力、流量、料位、速度等检测装置外,还设置以下一些专用装置。生料质量控制系统;线扫描型筒体测温装置;窑头、篦冷机以及一些重要部位的工业电视监督系统;窑尾、分解炉出口及电收尘器入口气体分析仪。2.5水泥工厂生产管理信息系统的设计简介目前,我国水泥企业应用生产管理信息系统的还不多,使用经验也不如过程控制系统那样成熟。且不同的企业对此系统的要求也不一样,因此

23、不同的厂的生产管理信息系统在系统结构上和功能会有些差异。*生产管理信息系统的结构生产管理信息系统采用标准商用以太网,网络通常覆盖工厂的各生产管理部门,如:生产科、技术科、自动化科、材料库、设备库、化验室、厂长办公室、调度室等,同时通过网关与水泥生产线的过程控制的DCS相连,但它只进行数据采集,不做控制,保证生产的安全可靠。生产管理信息系统通常由网关、数据处理机、服务器、网络交换机、工作站以及投影仪等组成。*生产管理信息系统的功能实时工艺流程图:系统可以对生产线上的重要工艺参数、设备状态、料位、喂量进行监视。画面定时刷新。实时及历史趋势曲线:系统可以以曲线形式显示生产流程上重要工艺参数的实时及历

24、史变化趋势。并可以将相关曲线放在一个屏幕上显示,用于分析对比。实时生产工艺参数查询:系统可以对当前生产流程上的所有工艺参数、设备状态、料位、喂料等情况进行分类查询。质量管理:系统可收集由化验室提供的有关原材料、生料、熟料、水泥及煤的质量信息,对这些质量数据提供保存、维护、查询、统计及多元线性回归分析等。生产分析:系统可根据所采集到的各种生产数据,用多种直观方式分类列表,达到类比、统计等目的。包括:同比分析;产量分析;消耗分析等。生产报表:系统可完成工艺参数报表,统计最大值、最小值、平均值及标准偏差等报表。材料库管理:系统可完成材料库日常管理,如库存及出库查询,材料入库、材料出库、材料入、出库冲

25、正,参数设置等。设备库管理:功能同材料库管理产品销售管理:系统可完成产品销售的日常管理,如统计日销售量、月销售量、分析产品生产与销售的趋势,更好地把握市场。三、结束语无论是传统的DCS系统还是PLC型的DCS系统都在水泥生产线的过程控制中取得了成功。在水泥生产线上的计算机控制系统的选择上,从技术角度看,都能满足水泥生产线的过程控制要求。怎样选择应视具体情况而定。现场总线控制系统的问世及发展,对DCS 系统是一种挑战,必将会得到广泛应用。企业间的竞争必然会导致企业内部加强管理,而生产管理信息系统是加强企业管理的有效工具。现代化的水泥工厂自动化应该是由DCS系统或现场总线控制系统实现的水泥生产线过程自动化和由生产管理信息系统实现的水泥厂管理自动化两部分组成。参考文献:1王常为,廖道文. 集散型控制系统的设计与应用.2夏德海. DCS 与现场总线纵横谈.399 国际建材自动化技术交流会论文集.