淺析水泥工廠DCS控制系統的優化升級與效果

陸小松

（安徽海螺信息技術工程有限責任公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

現代水泥工廠的建設旨在通過集成數字化、智能控制等技術，實現生產過程的高效、可靠、可持續發展[1]。在這一進程中，分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）的優化升級顯得尤為重要。DCS系統作為一種計算機網絡集成技術，其通過分散控制的方式，實現了對設備的集中管理，從而在工業自動化領域中得到了廣泛應用。DCS 系統可以實現對復雜生產過程的高效、精確、穩定的控制和監測，從而提高生產效率、節約能源、降低生產成本。在水泥工廠改造中，DCS 系統的優化升級不僅有助于增強水泥生產的安全性，更能進一步推動生產過程的精細化和智能化。本文僅就水泥工廠DCS控制系統的優化升級與效果進行分析，以期為水泥工廠智能化建設與發展奠定一定的基礎。

1 DCS控制系統的優化升級

1.1 DCS控制系統新架構設計

為了給水泥工廠智能化建設與發展奠定一定的基礎，HL 公司決定對DCS 系統進行優化升級，本文著重探討了如何通過開放式DCS系統建設高效的水泥工廠控制系統，該系統遵循IEC61131-3 標準進行編程語言的選擇[4]，確保了系統的標準化與兼容性。在控制功能實現上，通過分層形式實現具體控制功能，分別為現場控制層與遠程控制管理層以及顯示層，該控制系統架構如圖1所示。

圖1 水泥工廠中央控制系統新的架構設計

在現場控制層面，采用了現場總線控制器，其中包含現場總線網絡連接模塊、控制網絡以及電源模塊，現場傳輸介質采用了標準雙絞線或光纜，確保了數據傳輸的穩定性和可靠性。當控制器開始運行后，現場總線設備則按照ProfiBusDP 協議通信標準與控制器進行通信，實現精確控制；在遠程控制管理方面，通過Windows 操作系統完成，工作人員在Windows 操作系統中發出控制指令，這些指令隨后傳輸至總線控制器，由總線控制器實現對現場設備的有效控制[5]，這種遠程控制方式不僅提高了工作效率，還降低了現場操作的風險；系統顯示界面分為三個部分，分別為系統總體顯示、模件顯示以及過程站顯示，通過這些顯示界面，工作人員可通過顯示界面，實時獲取水泥工廠設備的運行狀態，便于進行及時的監控和調整。

從圖1 可知，水泥工廠中央控制系統新的架構設計目的是為了實現水泥生產過程的精準控制和高效管理，為水泥工廠的智能化發展提供有力的技術支撐。

1.2 DCS系統對工廠運行狀態的控制功能

新的DCS系統具有實時判斷水泥工廠運行狀態的能力，并能對實時操作記錄進行存儲與打印，用戶可在顯示界面中訪問所需內容。該系統具體可實現控制功能如下。

1.2.1 燒成系統控制優化

強化燒成系統的控制功能，通過現場監控裝置監測窯轉矩變化，當窯轉矩越大，說明窯壁熟料溫度越高。因此，通過DCS系統控制窯轉矩，保障熟料溫度處于合理范圍，可以以此確定現場喂料量，從而精準控制燒成帶溫度。

1.2.2 轉速控制升級

針對水泥生產過程中板喂機的轉速控制進行了重要升級，板喂機通常布置在黏土倉下，并接皮帶秤，我們優化了皮帶秤的計量功能，以實現更精準的配料。當皮帶秤上的物料重量超過或低于設定值時，DCS 控制系統能夠迅速響應，自動調整板喂機轉速，若物料重量低于給定值時，則可通過該DCS控制系統增加轉速，保障運料量穩定。

1.2.3 冷卻機篦速自動調節控制增強

冷卻機篦速的調節對熟料冷卻的均勻性和冷卻機的穩定運行至關重要。我們增強了DCS系統對冷卻機篦速的檢測和調節能力，當料層厚度出現變化后，DCS控制系統可及時根據冷卻機篦速檢測的結果，對篦床速度進行維護，保障冷卻機的安全運行。

1.2.4 壓力控制精確化

窯系統與生料磨系統運行過程中，窯尾排出的廢氣用于生料磨系統的烘干，新的DCS 系統提升了其對窯尾負壓值的監測精度，并根據負壓值的變化自動調節大布袋收塵后的排風機閥門和窯頭排風機入口閥門的開度，確保風量穩定，同時保障窯頭罩負壓穩定。

1.2.5 緊急停車控制完善

為確保實際水泥生產的安全，新的DCS 系統完善了其緊急停車控制功能。受生產環境影響，每一環節上的工作人員均會遇到不同程度的安全隱患，甚至是重大安全事故，為避免這一問題的發生，新的DCS系統配備了緊急停車模塊，能夠在發生安全隱患或事故時迅速啟動緊急制動控制，有效降低水泥生產的事故率，從而保障生產安全。

1.2.6 報警控制功能強化

報警控制功能的強化是此次DCS控制系統優化升級的重要一環，提供有效的報警功能。該系統在水泥生產現場布置監測裝置，當任意區域出現意外事故時，該控制系統均能夠及時通過多種方式（如聲音、短信、郵件等）向工作人員發出告警通知，以確保工作人員及時發現事故問題。同時，報警信息也會被記錄到數據庫中，便于后續的事故分析。該系統的報警控制功能中，主要具有以下特點。

（1）報警方式種類較多，可支持多類型警示，具體方式如圖2所示。

圖2 DCS控制系統報警方式分析

（2）可將報警信息記錄到數據庫中，便于后續事故分析。

（3）支持短信報警功能，可將報警信息發送至工作人員手機中；同時支持郵件報警。

（4）可直接通過打印機輸出報警信息與當前設備參數。

（5）支持聲音報警，通過播放聲音文件，實現現場故障警告。

2 試驗分析

為了推進水泥智能工廠的建設，我們針對現有的DCS 系統進行了優化升級。在這一過程中，通過仿真軟件搭建優化后的DCS 控制系統，并模擬水泥工廠的實際運行環境，通過這一仿真平臺，分析優化后的控制系統在水泥生產加工過程中的控制效果。

分析應用該控制系統在控制水泥工廠設備時的表現，特別是其對煤炭資源損耗與電力損耗的影響，通過詳細的仿真分析得出了相關的控制效果數據（如表1所示），以便更加直觀地展示分析結果。

表1 生產過程中電力損耗與煤炭資源損耗分析

通過表1 可以看出，在優化后的DCS 系統控制下，水泥生產過程中的資源損耗與電力損耗均顯著低于國家標準，具體而言，在生產水泥時，煤炭資源的損耗遠低于國家標準，這一結果充分證明了優化后的DCS 系統在資源控制方面的卓越性能。同時，其他資源的損耗也保持在較低水平，說明了優化后的DCS 系統不僅能夠有效地降低水泥生產過程中的資源銷耗，為水泥工廠的生產加工節約了大量開支，同時也為水泥智能工廠的建設提供了有力的技術支持。

分析化后的DCS 控制系統，水泥工廠在每日生產過程中的資源利用率與生產效率變化，并對比優化前的DCS控制系統進行每日生產時的平均效率與資源利用率，分析結果如圖3所示。

圖3 生產效率與資源利用率分析

根據圖3 可知，在系統運行過程中，水泥工廠每日的生產效率與資源利用率均呈現波動變化，并未始終保持一致，其中，工程每日生產效率基本保持在80%～95%之間，并未出現低于80%的情況，對比以往歷史平均每日生產效率可以看出，應用優化后的控制系統，可有效提升水泥工廠的生產效率；同時，在生產過程中，每日工廠的資源利用率均保持較高水平，其中最高資源利用率達到95%左右，遠遠高于歷史平均資源利用率，說明在優化后的DCS系統的控制下，水泥工廠不會浪費過多的生產資源，為此，優化升級后的系統具有良好的控制能力。

通過優化升級后的DSC 控制系統對燒成系統溫度與板喂機的轉速進行控制，分析該系統對日常生產時的控制能力，分析結果如表2所示。

表2 優化后DSC控制系統控制能力分析

通過表2 可知，在某一日的生產過程中，從早上8點到下午5 點的不同時間段內，優化升級后的DSC 控制系統均成功地將溫度與轉速控制在合理范圍內，這一結果表明，優化升級后的DSC 控制系統在水泥生產運行中展現出了出色的控制能力。通過這一控制方式，可以保障水泥生產過程安全穩定，避免出現意外安全事故，從而保證相關工作人員的安全性，此外，優化升級后的DSC 控制系統還幫助工廠實現了自動化控制與管理，提高了生產效率和管理水平。

3 結束語

為了提升水泥生產效率并保障生產環節的安全性，HL 公司對水泥工廠DCS 控制系統進行優化升級。在這一過程中，重構基于分層結構的DCS控制系統，該系統集成了轉速控制、壓力控制、冷卻機篦速自動調節控制、報警控制等模塊，通過現場控制與遠程控制相結合模式，實現了水泥工廠的高效、安全生產。經試驗驗證：優化升級后的系統不僅顯著提高了水泥生產效率與資源利用率，還能夠有效降低煤炭資源與電力資源的損耗，從而為水泥生產提供了強有力的安全保障。在未來研究過程中，可以現有系統模塊為基礎，繼續進行擴展優化，進一步提升生產效率，降低能耗，保障水泥工廠的運行安全。通過不斷優化升級DCS 控制系統，為水泥工廠智能化建設和發展提供強有力的技術支持，推動水泥行業向智能化、綠色化發展。