水泥生產線全集成自動化控制系統的設計與應用

　　摘要：闡述了應用網絡信息自動化技術推動水泥工業技術進步和產業技術升級改造的重要性，探討了水泥生產線全集成自動化控制系統的總體設計方案、硬件結構和軟件方案，分析了系統應用后的社會經濟效益。
　　關鍵詞：水泥生產 全集成自動控制 PLC DCS
　　中圖分類號：X951文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（c）-0064-02
　　水泥大規模集成自動化生產過程是一個復雜的理化反應過程，不僅其調控系統具有大慣性、純滯后、非線性等特點，同時整個生產線的運行工況較為復雜多變、設備相互間聯鎖眾多、各種檢測信號間相互影響較大，如果采用常規的現地人工控制或繼電器儀表靜態監視控制，很難達到現代化水泥生產工藝自動化控制要求。本文針對水泥生產線自動控制需求，采用以PLC可編程控制器為核心的DCS控制系統，設計具有面向水泥全廠總生產過程在線監控的全廠計算機監控系統，通過實現水泥生產全過程各階段動態監控管理一體化，使水泥在生產過程中不僅具有先進的過程控制自動化水平，同時為水泥生產管理信息化提供重要信息源。
　　1 全集成自動控制系統總體方案
　　水泥生產線中主流控制系統依然以PLC+DCS控制系統為主，且PLC+DCS控制系統將會在很長一段時間內在水泥全集成生產線中發揮非常良好的應用效果。尤其在網絡集成集約化功能需求的當今，具有聯網數據信息通信共享的PLC控制器已成為控制系統的核心，能夠有效支持現場總線協議，實現水泥生產線中DCS與PLC在全過程在線監視控制系統中的有效集成。根據現代化水泥集成自動化生產線實際功能需求，筆者提出一套水泥生產線全過程各環節計算機在線監控與管理方案，全線采用具有聯網通信功能的PLC控制器+DCS構筑完善的水泥生產線在線監控系統。基于CAN總線的水泥生產線全集成自動化控制系統總體方案如圖1所示。
　　從圖1可知，以PLC為核心的現場站完成控制系統各環節中的模擬量/數字量數據采集和集中控制功能。工程師站和操作員工作站主要實現在中控室對現地所有監控設備遠程操控、故障報警、運行狀態仿真顯示、運算數據分析存儲、統計分析報表、趨勢顯示，可以根據系統運行需求和調控要求定時或隨時打印出監控人員所需的各種運行工況狀態數據信息。可設總工程師和廠長指揮信息管理系統、生產調度系統等，使總工程師和廠長能夠實時掌握和了解現場水泥生產線的運行工況狀態，便于其制定科學合理的調控決策，提高全廠科學合理、高效經濟的管理水平。
　　2 全集成自動控制系統硬件設計
　　根據水泥生產線操作、監視、控制等實際功能需求，在全集成自動化控制系統設計過程中力求功能結構的簡明清晰、投資性價比較高、運行安全可靠性較高、功能集成完善的特性，按照分層分布式結構構筑控制系統結構。控制系統按照功能結構要求，分為現場設備層、過程控制層、以及主站監控層三層。現場設備層通過過程控制層通信網絡與主站監控層進行數據信息的實時共享。采用光纖以太網技術，通訊速率可以達到100Mbps，同時具有非常良好的抗干擾能力。數據采集系統采用成熟的SuperInfo2.0數據采集智能模塊，其可以滿足水泥生產線自動控制系統數據信息接口、實驗室調速數據接口、人工輸入數據接口等相關工單元共同構成，其中自動控制系統數據接口主要采集水泥生產線中已運行和正在實施的DCS分散集控系統、PLC現地控制單元等控制系統中的實時運行數據信息，同時按照擴容擴展功能需求預留控制系統與其它系統間交互通信的接口，接口均按照網絡通信協議要求配置獨立網關模式，通過TCP/IP網絡通信協議就可以完成不同控制系統間的網絡連接。
　　2.1 現場設備層
　　從圖1可知，水泥生產線中的現場監控設備較多，需要采集的數據信號量種類較繁雜、數量較多，主要包含壓力、流量、電流、轉速等信號。數據采集智能模塊先通過內部A/D模數轉換單元，將壓力、流量等模擬量信號轉換成計算機能夠識別的標準點信號后，通過通信通道遠程傳送到水泥生產線集控中心，同時主站監控系統通過網絡通信信號直接額接收現地PLC控制單元發出的對應控制信號，實現對現地設備系統的遠程監視調控。由于水泥生產線較大，有些信號傳輸距離較遠，且現場電磁干擾較為嚴重，所以在控制系統設計時其現場檢測信號宜采用4～20mA標準直流信號表；而溫度測量點是水泥生產線控制的核心，其溫度傳感器集中布設在燒成部分，且溫度范圍在100～1200℃大范圍內波動，因此選用K和E分度的熱電偶和高精度的溫度控制器。
　　2.2 過程控制層
　　由于水泥生產線全集成自動化控制系統中的數字量、開關量約占控制系統總輸入輸出接點數的80%左右，同時整個控制過程主要以順序控制、連鎖控制為主，因此，控制系統在設計時選用三菱A系列PLC作為整個水泥生產線過程控制層的控制站，以完成對現地設備數據信息的集成整理和主站控制層控制命令的遠程傳達。
　　2.3 主站監控層
　　主站監控層主要完成整個水泥生產線的模擬仿真顯示、過程狀態監視、運行數據記錄分析處理、運行趨勢分析、遠程操控等功能。主站監控層除了上述多種的可視化服務功能外，還可以通過計算機自動分析形成對應的操控決策，通過通信網絡將相應遠程操控命令傳輸到現代操現地電機和各種電器設備，遠程操控完成電機的順序啟動、順序停車、以及事故緊急停車等遠程操作。
　　3 全集成自動控制系統軟件設計
　　水泥生產線全集成自動化控制系統中各控制子系統大多具有非線性滯后特性。非線性多變量滯后系統的回路間通常需要相應功能的耦合匹配，因此常規現地分散控制很難滿足水泥生產線集成自動化控制功能。采用神經網絡的BP“自學習訓練”算法，通過對NNC加權處理完成對非線性多變量滯后系統的實時調整，使水泥生產自動控制系統具有較強適應性和自整定特性，進而達到全集成自動化控制功能。
　　4 系統應用效果分析
　　水泥生產線全集成自動化控制系統，是結合水泥企業實際生產功能進行開發設計，能在水泥企業實際生產線中成功應用實施，能夠滿足現代化集成大規模水泥生產要求，有助于節省原料和能源量消耗，提高控制系統數據信息綜合利用效率，確保控制系統高效穩定的運行，降低單位產品的綜合生產成本，顯著提高了水泥生產企業水泥生產的社會經濟效益。與改造實施前相比，噸水泥所消耗的能源資源下降了5%，產量提高了65%，設備運轉率提高了5%，工人勞動強度大大降低，所取得的社會經濟效益相當可觀，具有非常好的應用前景。
　　5 結語
　　水泥生產現代化、集成化、集約化功能需求，發展基于PLC+DCS總線的全集成自動化控制系統以及生產流程的智能自動化控制算法，將成為水泥行業自動化研究發展的重點。在控制系統設計過程中，只有真正了解水泥生產工藝流程和物料特性，并優選先進而成熟的監控設備和軟硬件系統，才能確保水泥生產系統達到全集成高自動化程度，推動水泥企業安全可靠、節能經濟的進行水泥產品生產。
　　參考文獻
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