自動化控制系統在水泥窯系統的應用

王淑琴

（江蘇天山水泥集團有限公司，江蘇 無錫 214031）

1 概述

ABB 800F系列DCS系統是一種全能綜合型開放控制系統，該系統融傳統的DCS和PLC優點于一體，并支持多種國際現場總線標準。它既具備DCS的復雜模擬回路調節能力、友好的人機界面及方便的工程軟件，同時又具有與高檔PLC指標相當的高速邏輯和順序控制性能，因此完全可以滿足水泥行業控制系統的技術要求。本文根據江蘇天山水泥集團熟料生產線的工藝流程和裝備布局進行自動化控制系統設計，通過合理布局站點、硬件配置及軟件控制，達到了生產線運行控制的技術要求。

2 系統構成

根據水泥行業的特點和控制系統要求，我們選用ABB 800F系列DCS系統作為熟料生產線的自動化控制系統，系統分為操作管理級（操作站OS、工程師站ES）和過程控制級（過程站PS及現場控制器AC800F）。在操作管理級上實現控制系統監控操作功能（預定義及自由格式動態畫面顯示、趨勢顯示、彈出式報警及操作指導信息等）；在過程控制級實現包括復雜控制在內的各種回路調節（各種PID、比值等）和高速邏輯控制、順序控制以及批量間歇控制功能。系統軟件采用Freelance。圖1為熟料生產線的自動化控制系統組成示意圖。

3 系統控制實現

系統根據水泥生產工藝控制的需要和水泥工藝現場位置排列，分3個現場站和2個遠程站（窯頭主站和煤磨遠程站、窯尾主站、生料磨主站和生料調配遠程站），其目的是合理地使用系統資源，節省大量的電纜敷設，使不相關故障之間彼此不受影響。

編程時將各相關的設備放于同一組中，根據工藝要求，在組內和組間均建立相互連鎖關系，并加入設備保護關系。啟動時，設備根據連鎖保護關系順序啟動；當發生故障時，根據連鎖保護關系及時停止相應設備，起到保護設備和避免故障擴大以及降低事故處理難度的作用。

圖1 熟料生產線的自動化控制系統組成示意圖

3．1 硬件構成

一個主站的基本配置為至少一個AC800F控制器、電源模塊、通訊模塊和I／O模塊等。Freelance的I／O模塊均為自帶CPU的智能化模件，其主要功能是進行信號的調理及 A／D、D／A轉換，并完成包括線性化、工程單位轉換在內的各種數據預處理。Freelance的I／O模塊與控制器（即主CPU模件）之間的通迅由CAN總線實現，I／O模塊的參數設置均由組態軟件完成，不必進行開關跳線及電位器調整。每個I／O模塊的掃描周期可根據需要分別進行設置，其開關量和模擬量I／O模塊的最小掃描周期分別為2ms、10ms，并具有自診斷和內部工作溫度監視報警功能，可設置故障安全（fail＿safe）值（數據保持／預設值／最大或最小值），一旦模塊發生故障或通迅出錯，其輸入輸出結果即可切換到事先組態好的安全值。AC800F本身的基本配置為一個電源模塊、主CPU通訊模塊和子節點通訊模塊。AC800F控制器負責系統控制程序運行、與上位機的通訊和I／O模塊的信號采集處理。

例如一個高電位信號（220V．AC）進入DI模塊的某一通道，DI模塊接收后，經通訊模塊將信號傳輸到AC800F的子節點通訊模塊上，經解讀后，AC800F根據所編程序自動做出反應，并與上位機進行信號通訊，在操作站上顯示信號的變化，由操作員做進一步的控制。

窯頭主站和煤磨遠程站硬件配置示意圖如圖2所示。窯頭主站有兩個控制柜分別為模塊柜和中繼柜，模塊柜配置主控制器AC800F（含兩個通訊模塊），1個電源模塊，1個子通訊模塊（每個子通訊模塊可帶2個輸入、輸出模塊），18個開關量輸入DI模塊（每個DI模塊可帶16個DI輸入點），4個開關量輸出DO模塊（每個DO模塊可帶16個DO輸入點），8個模擬量輸入AI模塊（每個AI模塊可帶8個AI輸入點），2個模擬量輸出AO模塊（每個AO模塊可帶8個AO輸入點）。中繼柜有中間繼電器，用作隔離和增加拖動力。

圖2 窯頭主站和煤磨遠程站硬件配置示意圖

煤磨遠程站有兩個控制柜分別為模塊柜和中繼柜，模塊柜不配置主控制器AC800F，配置有電源模塊，3個子通訊模塊（每個子通訊模塊可帶12個輸入、輸出模塊），12個開關量輸入DI模塊（每個DI模塊可帶16個DI輸入點），3個開關量輸出DO模塊（每個DO模塊可帶16個DO輸入點），6個模擬量輸入AI模塊（每個AI模塊可帶8個AI輸入點），3個模擬量輸出AO模塊（每個AO模塊可帶8個AO輸入點）。中繼柜有中間繼電器，用作隔離和增加拖動力。

其他站（窯尾站、生料磨主站和生料調配遠程站）同理進行配置。

3．2 軟件編程和組態

系統通訊為標準以太網，操作員站安裝DIGVIS軟件，工程師站安裝DigiTool軟件，這些軟件均運行在Windows操作系統上。

DigiTool是Freelance系統的工程工具，它是集組態（包括硬件配置、控制策略等組態）、工程調試和診斷功能為一體的工具軟件包，它采用統一的系統全局數據庫和交叉參考工具，不僅能方便地完成控制組態，而且是一個高性能的過程調試工具。Freelance系統過程控制站PS和現場控制器AC800F所需的各種控制算法和策略都是由DigiTool來組態的，并采用圖形化的組態方法（符合IEC1131－3標準）。DigiTool也用于對操作站人機接口（HIS）功能的組態并還可以直接對現場總線設備進行組態。

控制算法和策略組態可選用以下IEC1131－3標準組態方法中的一種或幾種：

§FBD；§LD；§SFC；§IL；§ST

DigiTool安裝在Freelance系統工程師站上，完成后的組態結果由工程師站通過系統網絡下載至相應的PS、FC及操作站OS中。

窯頭主站共分為10組：第一組：熟料輸送組；第二組：收塵下料組組態（見圖3）；第三組：電收塵組 ；第四組：蓖冷機組 ；第五組：蓖冷機熱端風機組；第六組：一次風機組；第七組：窯頭密封圈冷卻風機組；第八組：窯頭電收塵排風機組；第九組：蓖冷機冷端風機組；第十組：空氣炮組。

圖3 收塵下料組組態

其他站（窯尾站、生料磨主站和生料調配遠程站）同理進行分組組態。

4 小結

本文主要討論了自動化控制技術在水泥窯系統應用的基本模型，介紹了ABB公司推出的FREELANCE系統在我廠的應用，對今后的設計選型有一定的參考價值。在設計中多考慮降低控制設備的復雜程度，應盡量減少中間環節，提高可靠性，以及設備的備品備件的易購買和價格，這樣才能使企業在生產維護中受益。

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