張衛(wèi)民：自動化領域最新發(fā)展趨勢和水泥行業(yè)的應用

　　在國家倡導“兩化融合”的大背景下，水泥發(fā)展必然也需要走出一條屬于自己的“生產(chǎn)-管理”智能一體化道路。中國水泥網(wǎng)將于6月15日（6月14日全天報到）在江蘇南京舉辦2013第六屆中國水泥信息化與自動化高峰論壇，會議將以“智能化管控”為主題，圍繞水泥行業(yè)電子商務拓展；多元化發(fā)展的信息化建設；自動化專家系統(tǒng)；自動化先進控制等重點問題展開探討。

　　現(xiàn)將中國水泥網(wǎng)高級顧問、自動化專家張衛(wèi)民對自動化領域的最新發(fā)展趨勢及其在水泥行業(yè)的應用的判斷和觀點分享給諸位。

　　我國水泥工業(yè)和其他流程工業(yè)一樣，面臨著市場和能源，清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護，高效和規(guī)范，負責和協(xié)調(diào)的挑戰(zhàn)。節(jié)能、環(huán)保、安全、高效是每一水泥集團必須要面對的課題，而自動化技術和這四大目標又是緊密相連，本文將就當今自動化領域內(nèi)和水泥行業(yè)有關的最新發(fā)展趨勢做一簡述，以便為我國水泥工業(yè)發(fā)展，搭建更為廣闊的交流和溝通的平臺。

　　一．信息技術推動自動化

　　以信息技術改造水泥行業(yè)，以信息化推進自動化，自動化再促使節(jié)能、環(huán)保、安全、高效四大目標的實現(xiàn)，已成為業(yè)界的共識。

　　國內(nèi)一些大水泥集團諸如中國建材、中國中材、海螺水泥、山水、冀東、華新、華潤、金隅、亞泰、臺泥等，在當前競爭不斷加劇的壓力下，也緊跟這股信息化的潮流，推進自動化的發(fā)展，這些集團在現(xiàn)有的水泥生產(chǎn)線已經(jīng)應用數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS/PLC)配置同時，在過程控制級（PCS）的上端，還增加了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES ）層，并正在策劃和運作ERP，即企業(yè)資源規(guī)劃和管理層。MES是企業(yè)管控銜接的核心環(huán)節(jié)，是管理信息系統(tǒng)和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的紐帶， 制造執(zhí)行系統(tǒng)包括有生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、銷售子系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、財務管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、環(huán)保檢測系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、辦公自動化管理系統(tǒng)和綜合管理子系統(tǒng)等，通過這些子系統(tǒng)逐步實現(xiàn)“管控一體化”。

　　當今在水泥市場供大于求，產(chǎn)能過剩，競爭激烈的形勢下，某些大水泥集團由于初步實現(xiàn)了MES的運營，其集團化管理的控制力和執(zhí)行力明顯提高，精細化運行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，實現(xiàn)了綜合效益的大幅增長。筆者認為水泥生產(chǎn)是連續(xù)性很強的流程工業(yè)，其生產(chǎn)實時性，季節(jié)性強，品種又較單一，生產(chǎn)中干擾因素多，它基本不以訂單來計劃生產(chǎn)，故一些專業(yè)軟件公司開發(fā)的MES軟件往往不能完全適應水泥行業(yè)，水泥集團大多是自己在開發(fā)MES，集團之間信息透明度還不夠，正在運營的MES，應該還是初期的，同時要把生產(chǎn)調(diào)度和企業(yè)領導的決策統(tǒng)一成為真正的企業(yè)管理級（ERP）還需要進一步開發(fā)，主要問題是企業(yè)對工業(yè)控制系統(tǒng)、部分管理系統(tǒng)如財務、銷售等較為重視，通常對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理信息化重視不夠，未能實現(xiàn)綜合的業(yè)績指標。

　　國外一些大的建材企業(yè)研究應用MES已取得了一定的成效，如海德堡集團，該公司通過采集生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)以及有關原材料，資源和半成品和成品等相關數(shù)據(jù)，追蹤流程績效、成本結構以及對環(huán)境的影響，再確定關鍵的績效指標，又返回來通過過程自動化來指導生產(chǎn)，而一些自動化公司則推出了MES的執(zhí)行方案，將流程行業(yè)企業(yè)的目標更加高效地在生產(chǎn)層中得到執(zhí)行，如Honeywell公司在石化、電力領域內(nèi)應用的Business FLEX，PKS 等。

　　二．自動化技術的互補與滲透

　　DCS、PLC、IPC是自動控制領域的三大支柱，它們之間競爭激烈，但又取長補短和相互滲透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，某咨詢集團把其稱之為PAC。水泥行業(yè)作為較典型的流程工業(yè)決定了其開關量邏輯控制的主導地位，同時模擬量的處理多為簡單的顯示和給定，控制回路基本上為并不復雜的單回路調(diào)節(jié)，這些特點適合于HCS的應用。目前市場以PLC為主導地位的ABB、Siemens、Schneider、Rockwell等公司紛紛推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，如Siemens的PCS7，ABB的800xA、800F，800M，Schneider的Modicon Quantum，Rockwell的ControlLogix等，已作為主導產(chǎn)品在水泥行業(yè)推廣，并已取得不俗的業(yè)績。

　　混合系統(tǒng)HCS的主要特點是：構建一個公共的、集成的開發(fā)環(huán)境，提供通用開發(fā)平臺、共用標簽和單一數(shù)據(jù)庫，以滿足多領域自動化系統(tǒng)設計和集成的需要；

　　同時它采用了可自由組合的模塊化的硬件架構，減少系統(tǒng)升級帶來的開銷。它支持IEC61158等現(xiàn)場總線國際標準以實現(xiàn)高度分散的自動化環(huán)境，也支持事實上的工業(yè)以太網(wǎng)標準，可方便地和上一級的ERP、MIS、MES集成。 水泥行業(yè)用得較多的ABB的800xA、800F系統(tǒng)，能與與ERP連接，ABB還針對水泥，礦產(chǎn)部推出了KM系統(tǒng)(knowledge manage)，它主要是生產(chǎn)報表系統(tǒng)再加上化驗室系統(tǒng)，據(jù)悉華新集團正在應用KM系統(tǒng)，ABB與國外經(jīng)典ERP廠商SAP有合作關系，但由于SAP價格過于昂貴，目前國內(nèi)沒有應用，國內(nèi)各大水泥集團，如能進一步改善開發(fā)環(huán)境，不斷積累實踐經(jīng)驗，研發(fā)專家系統(tǒng)，可實現(xiàn)集團的MIS和MES更完整的集成，最終達到以“管控一體化”為目標的ERP。[Page]

　　三. 自動化系統(tǒng)更注重功能和信息安全

　　安全生產(chǎn)越來越引起人們的關注，人的生命高于一切，已成為衡量現(xiàn)代工業(yè)的重要指標，對于安全事故多發(fā)的我國，意義更為重要。自動化控制系統(tǒng)主要考慮的安全有：電氣安全、防爆安全、信息安全和功能安全。信息安全是指由于信息泄密、黑客入侵等系統(tǒng)的安全性；功能安全是指控制系統(tǒng)所執(zhí)行的安全功能失效引起的可能危險。目前已相繼出臺的國際標準有IEC61508-電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全標準，IEC61511-關于過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全標準，一般以整體安全等級SIL來評估風險程度，共有4級，安全等級SIL越高，風險就越低。

　　水泥行業(yè)已大多采用新型水泥干法工藝，它是連續(xù)性很強的工藝過程，并已實現(xiàn)了計算機系統(tǒng)的順序和連鎖控制，筆者認為新型干法工藝其安全等級是較高的。要進一步提高整體安全等級必須增強故障診斷環(huán)節(jié)；人機操作界面要便于故障的監(jiān)測；對生產(chǎn)規(guī)模越大的生產(chǎn)線，如日產(chǎn)萬噸熟料的生產(chǎn)線系統(tǒng)配置要提高冗余度，另外信息安全也必須高度關注，要特別增強煤磨車間的防爆安全等級，對于設置低溫余熱發(fā)電的企業(yè)，整體安全等級SIL要高于一般企業(yè)。

　　在自動化領域內(nèi)現(xiàn)今紛紛出臺了相應的標準產(chǎn)品，如Siemens的故障安全容錯S7F/FH系統(tǒng)，Rockwell的Gruard  PLC等，有的公司則配置專用的安全模塊和相應的組態(tài)軟件，并由被動的維護、診斷發(fā)展到預防性安全措施，與此相適應還出臺了許多安全協(xié)議，如PROFIsafe、CIPsafety等。

　　四. 控制系統(tǒng)由集中向分散化發(fā)展

　　智能化分布式I/O是將某一部分I/O組成一個有自治能力的節(jié)點，其本身帶有處理器，獨立完成某一部分的控制。由于組合在一個框架內(nèi)，它可直接安裝在現(xiàn)場，甚至空間十分有限的地方，但它同時又可鏈接到中央計算機，從而將控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的三層結構簡化為二層結構。許多有名的PLC廠商大都推出了分布式I/O，如Siemens的ET200系列，Rockwell的Flex ArmorI/O， Wago的WAGO-SPEED WAY 767等高速智能I/O。

　　智能化分布式I/O將使水泥生產(chǎn)線的系統(tǒng)配置可更趨扁平化，原設置的遠程I/O場合，如礦山、預配料站等可用智能化分布式I/O替代，以節(jié)省I/O安裝電纜和控制系統(tǒng)整體的開銷。

　　五. 無線通訊技術進一步滲透控制領域和無線變送器的應用

　　無線通訊技術作為有線控制系統(tǒng)的補充，正方興未艾地用于工業(yè)自動化系統(tǒng)中，也是工業(yè)自動化產(chǎn)品一個新增長點，運行于2.4GHz 1SM波段的跳頻擴頻（FHSS）無線傳輸技術具有優(yōu)良的抗干擾性和高可靠性，無線局域網(wǎng)和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡擴大了無線傳輸?shù)母采w范圍。無線通訊的數(shù)據(jù)安全性是人們所關心的，但可以通過加安全密碼和加密密碼等一系列措施來確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。目前如霍尼威爾，艾默生，ABB等有許多無線變送器和相應無線控制系統(tǒng)配套產(chǎn)品，無線控制技術的標準也正在制定和統(tǒng)一，如無線溫度壓力變送器，無線雷達液位計等，無線標準有HART基金會推出的HART無線通訊新協(xié)議ISA100和WIA-PA等。

　　無線通訊技術現(xiàn)在汽車、石化、水處理等行業(yè)有較多應用，在水泥行業(yè)，有的大集團局部輔助流程也采用了無線技術，如冀東水泥集團在循環(huán)水泵站已采用了無線控制，浙江有些水泥廠采用無線控制裝卸散裝水泥船等，考慮到有些水泥廠占有的物理空間很大，有些工藝測量的位置難于安裝，而有些工藝測量點環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)的硬連線安裝器件成本又過高，如果改用無線變送器能夠節(jié)約能源，減少配線和維護費用。

　　六. 人機界面更趨人性化

　　人機界面已全系列化，包括手持式、面板式、臺式和PC機式。今后的人機界面已不僅僅局限于SCADA以及編程、監(jiān)控和診斷等，在工業(yè)自動化領域，人機界面可以為操作和管理人員提供越來越多的信息，功能強大的模塊化軟件和多客戶機/服務器結構，使人機界面成為企業(yè)實時生產(chǎn)信息以及商務垂直集成的統(tǒng)一的軟件平臺，它也是連通到外部世界的媒介。通過驅(qū)動器或OPC來驅(qū)動各種I/O模塊，總之人機界面已演變?yōu)橐粋€完整的系統(tǒng)。國內(nèi)某水泥集團MES的運營，集團化管理的控制主要依靠是多種人機界面，通過OPC實現(xiàn)了集團內(nèi)各個水泥生產(chǎn)線之間的信息交換，也實現(xiàn)了主控系統(tǒng)和各子控制系統(tǒng)的互連，如生料質(zhì)量控制系統(tǒng)等。[Page]

　　七．中子式活化分析儀

　　由于X射線熒光分析儀組成的生料質(zhì)量控制系統(tǒng)并不能做到真正的“在線”實時分析，為進一步穩(wěn)定生料質(zhì)量，減少或取消原料中間儲存的環(huán)節(jié)，簡化流程，國內(nèi)一些水泥廠采用了前饋控制用于質(zhì)量控制，即用γ射線分析儀對運行中的皮帶機上的物料進行實時分析，根據(jù)分析結果進行各種計算，最終在線給出各種原料配比，控制各種原料的喂料量，以保證實際控制的各項質(zhì)量參數(shù)跟蹤設定值。美國熱電公司開發(fā)的跨帶式CBX的中子式活化分析儀，可以在線調(diào)節(jié)配料，減少了原料的成分波動， 使得工藝的波動降到最低.，同時對原料的分析以及控制是實時的高頻的工藝過程控制，使得原料的配料均化效果達到最佳結果. 用它可以降低或省去預均化堆場的投資，下圖是云浮天山項目的一個具體案例。它還可將分析結果反饋到礦山開采運輸上，實施開采的質(zhì)量控制，做到合理開采，有效保護礦山的資源。

　　八. 變頻器性能更加擴展

　　變頻器的應用領域已從常規(guī)的風機、泵類等拓展到輸送、喂料機械等，在行業(yè)應用面上也越來越廣，因而其功能也進一步提升并多樣化，一方面是全數(shù)字化、功能齊全、能夠補償負荷變化的自適應、調(diào)諧技術，特別是分布式具有通信、聯(lián)網(wǎng)功能和集成PLC的高端變頻器。另一方面是簡易或?qū)Ｓ玫淖冾l器以及機電一體化的變頻器。就開展控制技術而言，DTC直接轉矩控制、無傳感器矢量控制是發(fā)展方向，目前速度響應約為2ms，電流響應能達到 0.1到0.5ms。速度調(diào)節(jié)的發(fā)展趨勢是提高速度的控制精度，一般在閉環(huán)時，對應于全范圍，調(diào)速比為1:100或更高時，速度控制精度高達0.05%。另外變頻器性能在低速時的過載能力，穩(wěn)定的、四象限運行能力以及一機驅(qū)動多臺電機的負荷平衡等方面也有所增強。

　　在水泥行業(yè)為實施節(jié)能降耗，在風機、泵類、輸送設備、喂料機械等已廣泛應用，如何在低速時經(jīng)受較大的過載轉矩，降低對電力系統(tǒng)的干擾，提高中壓變頻器的性價比是對制造商提出的課題?，F(xiàn)在各大水泥集團大多采用國產(chǎn)中壓變頻器作為中壓變頻器的首選方案，由于性價比較高，目前已在對國外的EPC項目中普遍采用。

　　九.看火工業(yè)電視和窯內(nèi)紅外測溫系統(tǒng)合二為一新型的自動化裝置

　　由于比色測溫效果并不理想，現(xiàn)在市場有引進的測燒成帶溫度的紅外高溫計和看火工業(yè)電視合二為一新型的自動化裝置問世，看火工業(yè)電視顯示包括燒成帶溫度在內(nèi)的各點溫度，節(jié)省了為比色高溫計設置的冷卻和清掃裝置，同時監(jiān)控更為直觀，主要用于不間斷地實時檢測水泥窯內(nèi)煅燒情況，并和DCS系統(tǒng)通信。它不是最新技術，但隨著通訊技術的進步，實時檢測更有效，對窯系統(tǒng)的優(yōu)化控制起到積極作用美國的SYN-FAB公司在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)已廣泛應用，在水泥行業(yè)也開始采用。

　　十．電能管理系統(tǒng)

　　電能管理系統(tǒng)應該是MES一子系統(tǒng)，水泥企業(yè)是能源大戶，以噸水泥電耗90千瓦時測算，電力成本占成品比例高達20%，降低電費成本對于經(jīng)濟生產(chǎn)和節(jié)能減排都具有重要意義，本文單列為一節(jié)。目前大部分水泥廠均已經(jīng)建立了能源管理機制，但電能的計量還是以人工抄表為主，對于現(xiàn)代化的企業(yè)管理已經(jīng)相對十分滯后。

　　采用電能管理系統(tǒng)，準確、快速、經(jīng)濟的獲得用電回路的各類數(shù)據(jù)是進行用電分析、負荷管理、表計運行狀況監(jiān)測、電費自動結算的基礎。同時也是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的有效手段。

　　十一．結論

　　隨著國家宏觀經(jīng)濟方針的戰(zhàn)略性改革調(diào)整，水泥產(chǎn)能過剩，水泥工業(yè)發(fā)展將不如過去，但IT，通訊技術，傳感器技術將會以更快速度發(fā)展，也一定會推動中國水泥工業(yè)自動化水平更進一步發(fā)展和提高，以盡快實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效這四大目標，同時由于EPC項目將在未來幾年中占據(jù)主導地位，我們將推動世界水泥工業(yè)自動化的發(fā)展和提高。