基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS在水泥熟料生產(chǎn)線中的應(yīng)用

鄭恒麗， 李林樹

河南建筑材料設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

1 項(xiàng)目簡介

宛北縣方城水泥有限公司1 000 t／d干法水泥熟料生產(chǎn)線項(xiàng)目，是我公司設(shè)計(jì)調(diào)試的一條日產(chǎn)1 000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)商的設(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?，F(xiàn)場控制站采用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)方城水泥廠的實(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)場層和控制管理層。

2.1 現(xiàn)場控制層

現(xiàn)場控制層的作用是對(duì)現(xiàn)場的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4個(gè)過程控制站，過程控制站采用ABB公司最新的AC800M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)檢測及遠(yuǎn)程診測功能,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、歷史趨勢和報(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、5臺(tái)操作站。

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 XPProfessional、AC800M、OPC Server for AC800MC 5.1 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 ControlBuilderM Professional（組態(tài)軟件）、IFIX4.0 等軟件，運(yùn)行在WindowsXPProfessional 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)場過程站編程、現(xiàn)場總線智能儀表組態(tài)、操作員站組態(tài)一體化等編程及調(diào)試。

2.3 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)場環(huán)境的特點(diǎn)。

2.4 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10 Mbps，與操作站通信速率為100 Mbps，因各控制站比較分散，網(wǎng)絡(luò)較長，故采用4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。

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GE公司的IFIX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7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)。

鑒于方城水泥廠1 000 t／d生產(chǎn)線上主線電機(jī)控制單元，大部分采用現(xiàn)場總線智能控制單元，在組態(tài)畫面時(shí)把各電機(jī)的詳細(xì)信息均加入相應(yīng)電機(jī)的控制面板中,操作員可方便的監(jiān)控全場各個(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，并確保設(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、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、l／O模塊等的診斷信息及故障信息。

該項(xiàng)目在現(xiàn)場控制站程序的開發(fā)過程中采用基于C語言的sT語言和FBD相結(jié)合地形式進(jìn)行聯(lián)合編程?，F(xiàn)場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)場控制軟件由l／O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l／O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)警處理和趨勢記錄等。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。

4 結(jié)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)場運(yùn)行的安全可靠性。