印尼STAR5000TPD熟料水泥項目電氣及自動化設計特點

金葆文

（合肥水泥研究設計院有限公司， 安徽 合肥 230051）

1 項目概況

印尼PT.Sinar Tambang Arthalestari日產5000噸熟料水泥生產線（一期）（以下簡稱印尼STAR水泥項目）是印尼STAR集團投資的一條5000t/d熟料水泥生產線。項目位于印度尼西亞爪哇島東南，于2013年11月1日開工建設，項目于2015年12月8日實現了點火運行。合肥水泥研究設計院有限公司為該項目EPC工程總承包商。在電氣和自動化設計中，針對項目具體情況和業主要求做了大量特殊處理，優化設計，盡可能使項目功能、經濟效益和壽命周期成本達到最優。

2 電氣設計中的特點

在電氣設計中，我們將變壓器和電氣室盡可能設在靠近負荷中心處，以降低線路損耗。選用高性能的節能型變壓器，以減少自身的損耗，采取高低壓電容補償的方式，使系統負載的實際功率因子在0.92~0.95左右，從而達到降低線路損耗、減小導線截面的目的，在設計期間最大程度地考慮降低生產線的長期運行成本。根據印尼當地特點和生產控制的要求，電氣專業設計有以下主要特點：

2.1 大功率設備采取變頻或軟啟動器進行拖動控制

回轉窯、磨機、破碎機及大型風機等大功率設備采用可控硅為主要器件、單片機為控制核心的智能型電動機拖動設備，采用軟起動器或變頻器起動。大型風機和部分工況變化較大的或特殊場合的風機采用變頻裝置調速，節能效果比較顯著。據以往生產統計，采用變頻調速控制，比簡單的風門控制節約電能在 30%以上。

2.2 優化大型風機運行參數，采取PID在線自動控制，提高風機運行效率

水泥工廠大量的電能消耗在風機設備上，風機運行參數不合理，將會帶來不小的電耗損失。電氣設計中，我們根據工藝操作需要，優化運行參數，對篦冷機風機、窯尾排風機、窯頭排風機等設備采取 PID控制。通常，操作員人工控制情況下，不能對系統進行實時的連續跟蹤控制，勢必造成對能效的浪費，采用 PID控制后，系統根據參數變化實時對設備進行連續調節控制，從而減少電能的消耗。我們對于PID控制的參數采用西門子最新PCS7參數自整定功能，長期在線自動調整PID參數，并結合經驗對PID參數進行優化，達到在不同工況下，PID控制設備的穩定運行。

2.3 大量選用先進可靠的節能型電氣設備

生產線主要電氣設備選用節能型M系列變壓器、Y系列高效率電機、智能電控設備等；同時根據各生產工段及自控要求，采用DCS系統自動控制，避免機電設備長時間空轉現象。

2.4 建筑照明多采用自動控制，節約電耗

各場所的建筑照明采用更加節能環保的LED燈具，結合整個生產系統的DCS自控要求，采用聲控或光控等方式控制，避免常明燈現象。中控室操作員可以控制全廠車間照明配電箱的啟停，做到自動控制與人工控制相結合。

2.5 針對當地雨多降水量大的處理措施

印尼當地雨水多，雨季降水量大。針對當地實際情況，在廠區和各控制室電纜溝內預留足夠數量的集水井，并在電纜溝底部做合適的散水坡度，以便在大量降水時能及時把電纜溝內積水強制排出至廠區排水溝內。避免由電纜溝將雨水帶入控制室。

2.6 防雷安全技術措施

印尼雷電多發，地下水位較高，容易腐蝕地下接地體。對此，設計中將分散在各子項建筑物的避雷帶、引雷裝置和接地體做整體考慮，將相近車間的地下接地體相連，形成全廠防備接地網絡。以防止在局部接地體銹蝕后接地不良的情況出現。同時也大大降低了接地電阻，起到了更好的接地和等電位連接效果。

2.7 充分利用現場施工用臨時變壓器，減少工程投資

在項目前期，業主負責的110kV總降壓站建設進度非常緩慢，將直接影響生產線的調試和投產。為此，我們將場內主要負荷按照工藝分為熟料段和水泥段，并預留接口，以便能夠采用業主已有的2臺22kV、25000kVA變壓器分別為燒成工段及水泥工段配電，并在施工期間同時解決施工用電。事實上，到生產線正式投產時，110kV總降壓站也沒有建成。這一方案在110kV總降壓站尚未建成的情況下，使項目調試、試生產得以順利進行，沒有受到總降壓站進度的影響，保證了工程項目的總體工期。同時，設計方案在接口上考慮了與110kV總降系統最大程度上的兼容，避免重復投資和浪費。

3 自動化設計中的特點

按照合同的要求，全廠的電能計量需要在中控集中抄表。在設計中，我們創新式的大規模采用Modbus RTU網絡連接全廠的電能計量與考核所需計量表，并轉換為profibus網絡后與DCS系統相連接。在本次項目的方案中，最大的特色就首先是利用了成本較低的自帶 Modbus RTU通訊協議的多功能數字顯示型儀表。Modbus RTU通訊協議具有以下幾個特點：

（1）標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus RTU協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權。因此自帶Modbus RTU通訊協議的多功能數字顯示型儀表從成本上考慮是最佳選擇。

（2）Modbus RTU通訊協議可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

（3）Modbus RTU通訊協議的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發簡單。

（4）Modbus RTU通訊協議不是 SIMATIC家族的通用協議，需要大量的組態與編程。這點算是Modbus RTU通訊協議的缺點。

為了發揮Modbus RTU通訊協議的優點，避免Modbus RTU通訊協議的缺點，我們將Modbus RTU通訊協議轉換成了Profibus通訊協議。與其它現場總線系統相比，Profibus協議的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。它包括了加工制造、過程和數字自動化等廣泛的應用領域，并可同時實現集中控制、分散控制和混合控制三種方式。該系統分為主站和從站：主站決定總線的數據通信，當主站得到總線控制權（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發送信息。在Profibus協議中主站也稱為主動站。從站為外圍設備，典型的從站包括：輸入/輸出裝置、閥門、驅動器和測量發射器。它們沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向它發送信息。從站也稱為被動站。由于從站只需總線協議的一小部分，所以實施起來特別經濟。

為了能夠使用Profibus通訊協議，我們采用了成熟穩定的Modbus RTU通訊協議與Profibus通訊協議轉換的接口協議轉換器，它能使處于通信網上采用不同高層協議的主機仍然互相合作，完成各種分布式應用。協議轉換是一種映射，就是把某一協議的收發信息(或事件)序列映射為另一協議的收發信息序列。需要映射的信息為重要信息，因此協議轉換可以看作是兩個協議的重要信息之間的映射。

使用以上方案后，我們做到在中央控制室集中抄表，進行電耗考核。獲取數據由原來的人工抄表每天3~4次，增加到現在的每1s獲取一次數據。并且現在的方案簡化了抄表難度，并利用DCS系統自動存儲抄表數據，較以往人工抄表有了本質的進步。現在采用DCS系統將數據存儲于服務器中SQL數據庫，為今后在現有基礎上拓展為管理信息系統（MIS系統）提供了硬件上的保障。在未來項目中，為了進一步簡化系統，優化配置，我們考慮將Modbus RTU通訊協議轉化為以太網協議，這樣可以直接進入更高級工廠網絡，直接面向用戶管理、決策層面。

全廠DCS控制系統采用西門子最新PCS7完全無縫集成的自動化解決方案，使用現場總線PROFIBUS DP將原料磨、篦冷機、煤磨等主要設備的現場PLC與DCS相連，同時用PROFIBUS PA將預熱器、熟料冷卻工段的現場儀表接入DCS系統.采用PA 現場總線的優勢之一是：在生產現場，總線型現場設備按照不同的網絡結構進行連接，并由總線直接供電，不再需要額外的供電電源。另外，由于采用總線連接設備而節約了大量的電纜、電源箱、配電柜、匯線槽、接線柜、端子箱、安全柵或隔離電路，也不再需要傳統的 I/O 模塊，因此將節省一筆可觀的費用。近兩年來，隨著現場總線技術的推廣和普及，總線型儀表的制造成本也在逐年下降。采用 PA 現場總線的儀表在中控室工程師站提供了圖形化的儀表參數修改整定界面，并提供了全面的儀表診斷界面。能夠大大簡化儀表整定的工作量，并對判斷儀表狀態和可能存在的問題有了全面的數據支持，并有儀表實際工作環境與時間預警，在儀表尚未損壞就發出更換提醒。

4 結語

印尼 STAR項目電氣及自動化系統（能夠針對項目的特點和難點做出大量優化，是在項目部領導和同仁的支持下，結合以往多條總承包生產線經驗基礎上，設計單位全心全意為項目殫精竭慮、努力工作的結果。希望我們能將印尼項目的這些優化成果在更多的生產線上得以應用，實現更大的經濟效益、使用功能。

[1]中華人民共和國國家標準GB50295-2008水泥工廠設計規范[S].中國計劃出版社,2009

[2]中華人民共和國國家標準 GB50303-2015建筑電氣工程施工質量驗收規范[S].中國建筑工業出版社,2016

[3]中華人民共和國國家標準 GB50093-2013自動化儀表工程施工及質量驗收規范[S].中國計劃出版社,2014

[4]中華人民共和國國家標準GB50054-2011低壓配電設計規范[S].中國計劃出版社,2012

[5]王厚余建筑電氣裝置600問[M].中國電力出版社2013

[6]H.Wayne Beaty Handbook of Electric Power Calculations [M].McGRAW-HILL,2001

[7]戈瑞.基于現場總線的協議轉換器的設計與應用[D].華中科技大學,2012-02