基于現場總線技術的DCS在水泥熟料生產線中的應用

鄭恒麗， 李林樹

河南建筑材料設計院有限責任公司（450002）

1 項目簡介

宛北縣方城水泥有限公司1 000 t／d干法水泥熟料生產線項目，是我公司設計調試的一條日產1 000噸的干法水泥熟料生產線。整套項目主機設備引進世界先進水泥設備供應商的設備和技術,項目配套引進的DCS控制系統選用的是瑞典ABB Indus—trial IT控制系統,控制器為AC800M過程控制器，該系統是面向工廠自動化的新一代開放式DCS系統，全面支持現場總線技術，系統采用全局數據庫技術，實現全局一體化編程。系統通信為標準以太網，系統結構具有較強伸縮能力，系統編程采用國際化標準IEC61131—3。現場控制站采用ABB S800智能l／O卡件,通過Profibus DP和Profibus PA協議與現場總線儀表設備進行數據通信。

2 控制系統總體方案設計

根據方城水泥廠的實際情況,系統硬件規劃采用的是ABB Industrial IT系統，實現石灰石礦山、原料調配、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化控制。

該系統的硬件結構按照功能自上而下分為現場層和控制管理層。

2.1 現場控制層

現場控制層的作用是對現場的l／O信號進行采集、運算和邏輯順控處理,通過現場控制層網絡將相關數據送入控制處理機，實現過程控制和順序、邏輯控制。根據生產工藝流程和實際操作的需要，本生產線共設置4個過程控制站，過程控制站采用ABB公司最新的AC800M過程控制器，系統執行方式采用多進程周期運行方式,任務運行周期及優先級可以自由組態，系統CPU引導程序存儲到閃存中，可以實現CPU軟件自由升級，系統支持在線組態、在線下載，給日常的運行維護帶來了極大的方便。現場過程站采用標準以太網線與操作員站及其它設備進行通信,通信網絡為光纖星形冗余拓撲結構。由于該控制器運用了故障診斷的新技術，各過程控制站模件具備實時檢測及遠程診測功能,考慮到萬噸水泥熟料生產線對控制系統的特殊性能要求,在設計的過程中均對關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系統的安全穩定性。

2.2 控制管理層

控制管理層的作用是實現集中操作和統一管理，通過監控系統和生產過程，實現控制方案，生成系統數據庫、用戶畫面和報表等,從而在用戶與系統功能之間提供了一個接口，使操作員能夠觀察過程回路參數狀態，實時趨勢、歷史趨勢和報警情況，實現設備起停，過程回路操作和參數調整等,過程工程師可以通過操作站調出過程組態畫面進行操作方案組態、過程流程圖組態、趨勢畫面及各種報表組態等。

系統控制管理層中央控制室，根據實際需要設置1臺工程師站、5臺操作站。

2.2.1 操作站（OS）

硬件平臺為工業控制機，軟件平臺為Windows XPProfessional、AC800M、OPC Server for AC800MC 5.1 等軟件。 OS功能和權限由工程師站決定,操作員站使用以太網與過程站及其它設備進行通信，由于系統數據庫為OPC方式，所以操作員站之間數據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（組態軟件）、IFIX4.0 等軟件，運行在WindowsXPProfessional SP3系統上。工程師站在不進行組態時可兼作操作員站使用。工程師站使用以太網與過程站及其它設備進行通信,可以實現DCS系統硬件編輯、現場過程站編程、現場總線智能儀表組態、操作員站組態一體化等編程及調試。

2.3 系統網絡

控制系統網絡由中央監控網絡和現場網絡兩部分組成，計算機網絡將分散布局的控制站和遠程站等相連接,構成一體化結構,由于系統所完成的是工業控制，具有實時反應、速度快、較高的可靠性和適應惡劣的工業現場環境的特點。

2.4 中央監控網絡

中央監控網通信采用TCP／IP協議以太網，傳輸介質為多模光纜,其網絡為1:2冗余配置的星形網絡拓撲結構，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，網絡較長，故采用4套導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構，通信模件內置冗余管理功能，當出現故障可以在30ms內自動切換到另外一條備用線路上，同時可以診測到故障發生位置，通信電纜采用光纜，具有較長的通訊距離和較強的抗干擾能力。

3 控制系統軟件設計

該控制系統的軟件設計分為下位機（現場控制站）軟件設計和上位機軟件（組態軟件）設計。而整個系統過程控制軟件包括:過程數據輸入輸出，數據表示（又稱為實時數據庫），連續控制調節，順序控制，歷史數據的存儲，過程畫面顯示和管理，報警信息的管理,生產記錄報表的管理和打印，參數列表顯示，人機接口控制，實時數據處理功能。其中具有報警檢測的過程數據的輸入輸出、連續控制調節、順序控制是在過程控制層的現場控制站實現的。過程畫面的顯示和報警記錄打印等在集中操作監視層通過組態軟件完成。

3.1 上位機（組態軟件）軟件設計

控制管理層的軟件開發采用GE公司的IFIX工控組態軟件。利用該組態軟件平臺，根據工藝控制要求進行組態畫面設計,該項目設計了7幅工藝流程監控圖和相應的設備起停操作畫面以及參數監控畫面。包括水泥熟料生產過程DCS控制系統礦山破碎系統、生料配料、生料磨系統、喂料系統、預熱器系統、回轉窯系統、篦冷機系統、熟料輸送及儲存、煤磨系統等監控畫面，以及趨勢圖、模擬量棒圖、控制回路圖、設備連鎖圖、參數報表、報警總圖等監控畫面，各畫面之間切換方便、快捷。各畫面的操作權限均可在工程師站自由組態。

鑒于方城水泥廠1 000 t／d生產線上主線電機控制單元，大部分采用現場總線智能控制單元，在組態畫面時把各電機的詳細信息均加入相應電機的控制面板中,操作員可方便的監控全場各個設備的動態信息（電流、電壓、轉速等）,也可隨時查閱設備的歷史數據（過流、欠壓等故障報警信息）。為了貫徹“安全第一”的方針，并確保設備和人身安全，在中控自動／手動啟停設備前有電鈴警告，重要參數異常時給出信息提示和聲光報警,嚴格區分各操作員站和工程師站之間的操作權限，手動啟停窯磨等大型設備時均有二次確認，以免造成誤操作。在監控畫面中，為了擴大系統的信息量，使操作員更加方便快捷的查閱工藝狀況和設備信息,在開發過程中加入并豐富了鼠標右鍵功能，報警、趨勢、報表等信息均可通過右鍵方便地獲得。

3.2 下位機（現場控制站）軟件設計

該系統控制器編程軟件為Control Builder M軟件，該編程軟件是一個基于Windows環境的編程軟件套件,為整個控制系統的開發提供一個統一的開發環境。該軟件包采用了結構化的程序結構，提供了5種符合IEC 1 131—3標準的編程語言，即梯形圖（LD）、功能塊（FBD）、指令表（IL）、結構化文本（ST）和流程圖（SFC），他們可在同一個應用程序中混合使用，具有離線和在線迅速切換功能，可在運行態更改數據和指令，保存動態表格，插入斷點等。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。

該項目在現場控制站程序的開發過程中采用基于C語言的sT語言和FBD相結合地形式進行聯合編程。現場控制站程序主要完成設備的邏輯控制以及各種熱工參數的采集。因此現場控制軟件由l／O模塊的初始化程序、系統的邏輯控制程序、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程l／O站之間的通訊程序組成。

邏輯控制部分主要完成設備的啟停以及相關的故障處理。生產線上所有設備的運行方式可分為本地控制和集中控制兩種方式。本地控制是為現場設備安裝、調試和維修方便而設計。集中控制又分為連鎖控制和單機控制。在正常生產過程中。設備處在集中控制的連鎖模式下，電機和各種閥按程序進行啟停控制。當出現緊急事故時可以全線停車，以保證人身和設備的安全。單機控制方式是指非連鎖方式下，各設備可以單獨啟動和停止。不需要嚴格的啟停順序。這種方式適用于DCS系統對設備的單機試車、設備安裝和調試。

模擬量處理程序主要是對現場采集過來的模擬信號進行工程值轉換、報警處理和趨勢記錄等。在運行過程中,程序根據模糊推理機對給定的分析結果,及時的調整控制對象（定量給料機或板式給料機），實時的調整相應的PlD參數。當給定較大時，為了加快響應,選用板式給料機為控制對象，定量給料機全速，此時為控制料層厚度的前饋控制；當給定較小時，為了減少波動，選用定量給料機為控制對象，板式給料機低速；當給料量居中時，采取同時對定量給料機和板式給料機進行PID控制的策略,從而大大提高了配料系統的相應時間、控制精度和穩定性。

4 結語

本系統投入運行以來，結果令人滿意，各項指標均滿足技術要求。系統功能強大，友好的人機界面，在線組態，形象直觀，易于操作，保證了現場運行的安全可靠性。