水泥廠的低成本控制系統(tǒng)的設(shè)計
| 摘要：本文從一個實例出發(fā)，通過對硬件配置和軟件設(shè)計過程的描述，介紹了低成本計算機(jī)系統(tǒng)在水泥工業(yè)中的設(shè)計及應(yīng)用，同時闡述了筆者在設(shè)計中的一些體會。 0 引言 眾所周知，生產(chǎn)過程自動化在現(xiàn)代水泥行業(yè)的發(fā)展中占據(jù)了舉足輕重的地位。它不僅有效地保證了生產(chǎn)的高效和穩(wěn)定，大大提高了水泥產(chǎn)品質(zhì)量，降低了能耗和生產(chǎn)成本，同時提高了全員勞動生產(chǎn)率。然而，除一些大型水泥廠投資額充足外，大多數(shù)中小型水泥廠在建廠初期或改造時資金都很緊缺。如何解決有限的資金與先進(jìn)的自動化水平之間的矛盾一直是自動化工作者努力的方向。 隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，處理器計算能力的日益強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日臻成熟，計算機(jī)產(chǎn)品價格的不斷降低，全面降低自動化控制系統(tǒng)的投資額已成為可能。80年代初采用PLC進(jìn)行電動機(jī)控制，大型模擬儀表盤實現(xiàn)工藝參數(shù)巡檢的控制方式已逐漸趨于淘汰。傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)含有豐富的軟硬件資源，但對于水泥控制系統(tǒng)的特點而言，許多功能用不上，造成了資源浪費(fèi)，更是資金的浪費(fèi)。水泥生產(chǎn)過程為連續(xù)過程，需要大量的順序和聯(lián)鎖控制，開關(guān)量點數(shù)占總數(shù)的80％，這非常符合價格低廉的PLC的控制特點。目前，PLC技術(shù)有了很大的發(fā)展，不僅加強(qiáng)了對連續(xù)量的控制功能，還提供了基本的PID運(yùn)算及各種應(yīng)用計算功能模塊。在操作員接口方面不斷推陳出新，開發(fā)出功能強(qiáng)大的通用組態(tài)軟件，使整個系統(tǒng)在計算能力、響應(yīng)速度、靈活性與可維護(hù)性方面已經(jīng)達(dá)到或超過傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)，成為具有較高性能價格比，極富競爭力的PLC和IPC集成控制系統(tǒng),它已成為中小型水泥廠的******控制系統(tǒng)。如Siemens公司的PCS7、S7系列、GE公司的90－30系列、AB公司的SLC系列、Modicon公司Quantum系列等。 現(xiàn)以江西珠山水泥廠為例，介紹低成本的PLC型集散控制系統(tǒng)在水泥工業(yè)中的設(shè)計及其應(yīng)用。 1 系統(tǒng)概況及硬件、軟件設(shè)計 1.1 系統(tǒng)概況 江西珠山水泥廠700t/d水泥熟料生產(chǎn)線是由中國建筑材料科學(xué)研究院設(shè)計并調(diào)試投產(chǎn)的1條五級預(yù)熱器窯外分解工藝干法生產(chǎn)線，于1999年底投入運(yùn)行，2000年初達(dá)標(biāo)生產(chǎn)，至今整個控制系統(tǒng)運(yùn)行良好。全廠計算機(jī)控制系統(tǒng)采用Modicon Quantum系列可編程序控制器、Modbusplus通訊網(wǎng)絡(luò)，用研華工控機(jī)作為操作員站和工程師站在中控室進(jìn)行集中操作與監(jiān)控。 在全廠主要車間的電氣控制室內(nèi)共設(shè)有4個PLC現(xiàn)場控制站，分別是生料制備現(xiàn)場站、窯尾喂料及預(yù)熱器現(xiàn)場站、窯頭煤磨現(xiàn)場站和水泥粉磨現(xiàn)場站?，F(xiàn)場控制站作為控制的核心，完成數(shù)據(jù)的采集與控制指令的發(fā)送。 中控室位于中控樓二層，與窯頭平臺通過走廊相連。內(nèi)設(shè)3個操作員站，其一兼作工程師站。因水泥磨車間的位置離中控室較遠(yuǎn)，為方便操作時與現(xiàn)場的聯(lián)系,在水泥磨控制室單獨(dú)設(shè)操作員站對水泥粉磨系統(tǒng)進(jìn)行控制。 這樣，通過上位機(jī)與下位機(jī)的有機(jī)結(jié)合，完成對全廠工藝生產(chǎn)線的集中操作和分散控制。系統(tǒng)有如下功能： 數(shù)字量與模擬量的采集與處理; 電動機(jī)及電氣設(shè)備的順序聯(lián)鎖起?？刂? 工藝流程畫面及動態(tài)參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)顯示; 動態(tài)參數(shù)給定調(diào)節(jié)及閥門控制; 回路調(diào)節(jié)與自動控制; 實時、歷史趨勢曲線圖; 報警顯示及記錄; 屏幕實時畫面打印; 工廠報告與打印。 1.2 硬件設(shè)計 現(xiàn)場控制站是由高性能的集成計算機(jī)處理器模塊和I/O控制單元組成。這種模塊化積木式的組成方法為各種控制思想提供了靈活多變的解決方案。設(shè)計者可以根據(jù)不同的需要，設(shè)計不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我們在珠山水泥廠采用的PLC型集散控制系統(tǒng)，各現(xiàn)場站為分布式I/O（DIO）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。即每個現(xiàn)場站由一個主機(jī)架和若干擴(kuò)展機(jī)架組成，各機(jī)架模塊通過連接在通訊模塊上的分支電纜連接在一起，實現(xiàn)同主架上的CPU之間的數(shù)據(jù)通訊。全廠的通訊網(wǎng)絡(luò)采用結(jié)構(gòu)為令牌環(huán)的高速總線，通訊速率達(dá)1Mbps。 現(xiàn)場控制站的主要硬件有： 1）中央處理器（140CPU43412），它主要負(fù)責(zé)控制程序的掃描執(zhí)行與計算，控制指令的產(chǎn)生，同時還提供了內(nèi)部寄存器，便于上位機(jī)的數(shù)據(jù)獲取，可謂是控制的樞紐。 2）通訊模塊（140NOM21100），它的功能是將本站中的數(shù)據(jù)編集成符合Modbusplus協(xié)議格式的集合并產(chǎn)生和接收令牌，使網(wǎng)絡(luò)上所有結(jié)點都能識別出彼此的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高度共享。 3）電源模塊（140CPS11410），它為機(jī)架上的模塊提供總線電流和工作電壓。 4）I/O模塊，完成現(xiàn)場信號的采集，包括數(shù)字量輸入/輸出、模擬量的輸入/輸出，并實現(xiàn)控制指令的輸出，通過外部繼電器等最終實現(xiàn)設(shè)備的控制。 5）安裝機(jī)架，其上提供模塊的總線插槽及接地端子。 通訊網(wǎng)絡(luò)采用開放的Modbusplus（MB＋）網(wǎng)，主網(wǎng)上可連接多達(dá)64個節(jié)點。每個節(jié)點又可以向下擴(kuò)展，形成擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。其連接方式非常靈活：可以用CPU上的MB＋口連接擴(kuò)展DIO機(jī)架上的CRA通訊模塊形成擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，用NOM模塊連接MB＋主干網(wǎng)；也可以將兩者互換，用CPU連接MB＋主干網(wǎng)，NOM連接DIO。網(wǎng)絡(luò)連接采用價格低廉的雙絞線電纜，T型TAP連接頭。 操作員站選用具有當(dāng)時主流機(jī)型配置的工業(yè)控制計算機(jī)，其特點是速度快，存儲量大，性能穩(wěn)定可靠，便于操作，易于掌握、維護(hù)等。珠山廠的操作員站配置為Intel PII400處理器、64M內(nèi)存、4.3G硬盤、40速光驅(qū)、PHILIPS 21寸高分辨率彩顯、工業(yè)用球標(biāo)器、鍵盤、SA85網(wǎng)卡。三臺操作員站一字排開擺放在中控室內(nèi),監(jiān)控方便。 工程師站提供了開發(fā)控制系統(tǒng)的各種應(yīng)用軟件及與系統(tǒng)有關(guān)的資料和文檔，便于在線監(jiān)控和修改控制程序，同時也兼作操作員站，與其它計算機(jī)互為備用。 現(xiàn)場站CPU和各操作員站均采用UPS供電，以避免車間用電的干擾，防止意外斷電對計算機(jī)造成損害和控制程序的丟失。另外，計算機(jī)系統(tǒng)良好、正確的接地是非常重要的。 1.3 軟件設(shè)計 珠山水泥廠的控制系統(tǒng)編程軟件由上位機(jī)軟件MonitorPro和下位機(jī)軟件Concept組成，分別完成操作員界面的組態(tài)和控制程序的編制。在過去，控制軟件的編制相當(dāng)復(fù)雜，開發(fā)人員必須具備一定的編程知識才能勝任，要以一兩個人之力難以完成整條生產(chǎn)線從界面到控制的設(shè)計。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各系統(tǒng)供應(yīng)商紛紛推出基于自己硬件系統(tǒng)的通用組態(tài)軟件。與此同時，操作系統(tǒng)更是不斷更新?lián)Q代，從DOS、WINDOWS3.X到WINDOWSNT，使應(yīng)用控制軟件的編制變得更容易，更直觀，更富于活力。開發(fā)人員不必具有很深的計算機(jī)編程基礎(chǔ)也能做出好的控制軟件。模塊化語言和所見即所得的全新Windows操作方法成為眾多控制軟件追求的風(fēng)格和標(biāo)準(zhǔn)。 以MonitorPro為例，它具有豐富的圖形庫供編程人員調(diào)用，還提供了各種不同風(fēng)格的按鈕、控制圖形。開發(fā)人員可以直接使用這些資源或通過各種技巧創(chuàng)作出富有特色的界面。在數(shù)據(jù)庫方面，MonitorPro采用填表式的結(jié)構(gòu)，將要記錄的參數(shù)按標(biāo)簽名、地址及索引資料填寫在相應(yīng)的表格中，系統(tǒng)在運(yùn)行時自動生成相關(guān)的數(shù)據(jù)庫資源，方便地與各現(xiàn)場站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。組態(tài)的過程包括網(wǎng)絡(luò)類型的定義、變量表的建立、報警數(shù)據(jù)庫的建立、趨勢數(shù)據(jù)庫的建立、報告格式的制作、工藝流程畫面的繪制、操作界面的制作等。這些內(nèi)容可以做得相當(dāng)靈活，為了實現(xiàn)一種控制方案可以有很多種不同的編制方法，甚至可以用第三方高級語言進(jìn)行再開發(fā)，達(dá)到優(yōu)化控制的目的。 操作員界面是進(jìn)行人機(jī)對話的窗口，畫面用不同顏色和形態(tài)表示設(shè)備的不同狀態(tài)。在實際設(shè)計時，我們?yōu)椴僮鲉T設(shè)計了很多動態(tài)畫面，如煙囪冒煙、磨機(jī)內(nèi)物料翻滾、提升機(jī)料斗上升、回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動及增濕塔噴水等，這樣既能使操作人員直觀地掌握當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，又給操作者的工作帶來一種情趣。 珠山水泥廠的控制畫面(包括各車間的工藝流程)中可動態(tài)顯示各種熱工參數(shù)、各電動機(jī)的圖形符號（不同狀態(tài)的電動機(jī)顯示不同顏色）、設(shè)備組起停窗口、閥門操作畫面、歷史趨勢圖、報警一覽表、原料配料給定畫面、窯尾吹堵畫面、窯頭及窯尾喂煤控制畫面、自動回路調(diào)節(jié)畫面等，界面全部漢化，易于理解和掌握。畫面切換速度快，操作靈活，全部操作均可用鼠標(biāo)輕松完成，并在鍵盤上設(shè)有快捷鍵。 下位機(jī)編程軟件Concept是一款國際獲獎的軟件，它支持多種語言編程，包括梯形圖、語句表、功能塊、順序圖等。編程者可根據(jù)自己的習(xí)慣選用。其過程也要通過編制符號表、定義變量地址、編制專用功能塊、程序下裝來實現(xiàn)。Concept的一個******的優(yōu)點在于它可以很方便地在線監(jiān)控程序的運(yùn)行，并且在不中斷生產(chǎn)的情況下修改程序，******限度地保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。Concept提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)控制功能塊，編程人員可從在線幫助手冊了解功能塊的應(yīng)用范圍，還可利用這些塊制作出新的功能塊，并且相互間可以調(diào)用。在線監(jiān)控時，要先選擇相應(yīng)的現(xiàn)場站的節(jié)點地址，然后進(jìn)行連接。在線監(jiān)控與現(xiàn)場站的關(guān)系是一一對應(yīng)的。 工藝過程的自動控制主要介紹生料配料和窯的煅燒控制。該廠生料配料自動控制采用專用軟件。由于水泥熟料煅燒是在高溫、多塵、振動以及物理化學(xué)變化復(fù)雜的情況下進(jìn)行的，主要被控對象(回轉(zhuǎn)窯)具有大容量、長滯后、多變量、難檢測和多擾動等特點，因此窯 |
