DCS控制系統在砂石骨料生產線上的應用與實踐

王林平 商九坤 高國防 王 立 慎建軍 顏 妍

1焦作千業新材料有限公司（454150）2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450000）

0 前言

據調查研究發現，近幾年建設的小規模砂石骨料生產線自動化控制系統多數采用PLC+上位機模式，實現了簡單的遠程和邏輯控制。隨著市場形勢和國家對資源開采和環境保護的不斷強化，新建砂石骨料生產線規模越來越大，原有模式已經無法滿足目前的控制要求，應用先進的DCS系統成為必然選擇。

1 DCS控制系統簡介

DCS是分布式控制系統的英文縮寫(Distributed Control System)，是生產過程的一種比較完善的控制與管理系統，是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術，其控制基本形式是分布式控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便。DCS控制系統具有以下優點。

1.1 可靠性

由于DCS將系統控制功能分散在各臺計算機上實現，系統結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現的故障不會導致系統其他功能的喪失。此外，系統中各臺計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統中每臺計算機的可靠性得到提高。

1.2 開放性

DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統中各臺計算機采用局域網方式通信，實現信息傳輸，當需要改變或擴充系統功能時，可將新增計算機方便地連入系統通信網絡或從網絡中卸下，幾乎不影響系統其他計算機的工作。

1.3 靈活性

通過組態軟件根據不同的流程應用對象進行軟硬件組態，即確定測量與控制信號及相互間連接關系，從控制算法庫選擇適用的控制規律，從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監控和報警畫面，從而方便地構成所需的控制系統。

1.4 易于維護

功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當某一局部或某個計算機出現故障時，可以在不影響整個系統運行的情況下在線更換，迅速排除故障。

1.5 協調性

各工作站之間通過通信網絡傳送各種數據，整個系統信息共享，協調工作，以完成控制系統的總體功能和優化處理。

1.6 功能齊全

控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現串級、前饋、解耦、自適應和預測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

2 DCS控制系統在砂石骨料生產線的應用研究與實踐

基于原料巖性和產品標準等原因，各家骨料生產線的生產工藝并不一致，DCS控制系統配置方案也不盡相同。文章中以焦作千業新材料有限公司的2 500 t/h砂石骨料生產線為例，詳述該系統的應用研究與實踐。

2.1 工藝流程

根據市場調研及行業發展形勢，經中國砂石協會組織專家論證，本項目選用“顎破+反擊破+立軸整形破+二級篩分”“砂石同出”的干法生產工藝，并且產品粒型、比例、產量等柔性可調，具有多線并行、單線開路和閉路等生產模式。

2.2 系統選型

本項目選用的是基于ABB AC900F控制器的Freelance DCS分布式控制系統，極大簡化了工程組態、調試、維護和總線管理等工作,直觀的操作員人機界面讓整個系統的操作和診斷變得輕松容易。

圖1 DCS拓撲圖

2.3 應用研究

本項目DCS系統主要用到以下控制類型:

2.3.1 開環控制系統

在開環控制系統中，系統輸出只受輸入的控制，按順序進行邏輯控制的系統稱為順序控制系統。順序控制系統由順序控制裝置、檢測元件、執行機構和被控制的設備儀表所組成，主要應用于一級破碎和輸送等過程。

2.3.2 閉環控制系統

閉環控制系統也稱反饋控制系統，是建立在反饋原理基礎上，利用輸出量與期望值的偏差對系統進行控制，可以得到較好的控制性能，主要應用于消防泵的恒壓供水自動控制系統。

2.3.3 恒值控制系統

恒值控制系統中，給定值不變，要求系統輸出量以一定的精度接近給定希望值。如生產過程中的溫度、壓力、流量、物位高度、電動機轉速等自動控制系統屬于恒值系統，主要應用于成品儲存庫。

2.3.4 隨動控制系統

給定值按未知時間函數變化，要求輸出跟隨給定值變化。

2.3.5 程序控制系統

給定值按一定時間函數變化。如液位、倉位、風機轉速等。

2.3.6 PID控制

根據給定值和實際輸出值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。如機制砂脫粉工序防離析拌濕系統的恒水分噴水控制。

圖2 一級破碎工序收塵器組、風機組組起組態交互界面

3 應用實踐

1）完善基礎的測控儀表、在線監測儀表等的控制系統，提高基礎自動化投用率，實現給料、輸送、料液位、溫度、壓力、流量、轉速等環節優化控制，穩定生產過程，提升產品質量，減少人為干預，降低人員勞動強度，減員增效。

2）建立關鍵工序設備組的運行模型，采集工序設備實時起動、運行數據，通過組態優化實現關鍵工序設備的組操作指令執行，在保證設備安全的前提下，壓縮生產線設備空載運行時間，提高操作效率。

①對一級破碎系統收塵器，主機設備空載，重載運行時間，各輸送工序實時產量、班累計、總累計等編程組態及交互界面實施并優化。

②對二級破碎系統主機設備空載，重載運行時間，各輸送工序實時產量、班累計、總累計等編程組態及交互界面實施并結合運行情況優化。

③對一級篩分系統收塵器、風機組、帶式輸送機組、二篩系統收塵器、風機組、帶式輸送機組等組操作編程組態及交互界面實施并結合運行情況優化。

④對水泵站深井泵、生產用水泵、遠程液位自動控制編程組態實施，消防水泵組、生活水泵組恒壓自動控制編程組態實施并結合運行情況優化。

⑤對成品庫頂轉接皮帶組、庫頂收塵器、風機組等組操作編程組態實施并結合運行情況優化。

⑥根據生產實際工藝，利用歷史能耗數據建立關鍵工序能耗定額，實時監測設備能耗，合理安排生產調度，實現管理節能降耗。

⑦根據生產工藝的調整優化，結合歷史運行數據，對自動化控制系統的工藝連鎖、安全連鎖實時進行優化調整，保障生產工藝控制安全可靠。

⑧對一些影響生產效率提升或需要人為頻繁干預的關鍵工序和設備實施智能化、自動化改造，達到精確作業、簡化遠程操作流程，減少人工出錯概率的目的。

4 效果及推廣前景

DCS控制系統在焦作千業新材料有限公司時產2 500 t砂石骨料生產線上的應用和實踐，極大地提高了砂石骨料生產線控制可靠性和自動化程度，在解決生產需求和提效率、降成本、保安全的同時，探索出一條適合砂石生產企業的技術升級道路，推廣應用前景廣闊，對加快砂石骨料行業轉型升級，走綠色、智能化、自動化的可持續發展道路起到了積極的作用。