冀東三友3200t/d水泥熟料生產(chǎn)線的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

唐山冀東三友水泥有限公司3200t/d水泥熟料生產(chǎn)線于2001年3月破土動(dòng)工，2002年3月20日機(jī)電設(shè)備安裝完畢，3月28日點(diǎn)火，4月6日開(kāi)始生產(chǎn)試運(yùn)行。該條生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制系統(tǒng)由唐山冀東水泥有限股份公司自行設(shè)計(jì)。于2002年2月完成，4月進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試，5月進(jìn)入試生產(chǎn)階段。 

1　工藝及設(shè)備簡(jiǎn)介
　　
該條生產(chǎn)線原料粉磨采用日本宇部株式會(huì)社制造生產(chǎn)的235t/h外循環(huán)式立磨。立式煤磨為沈陽(yáng)重型機(jī)械有限公司制造生產(chǎn)，臺(tái)時(shí)能力22t/h。篦冷機(jī)為德國(guó)BMH公司制造，采用液壓傳動(dòng)，10臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)均采用變頻調(diào)速技術(shù)控制各室風(fēng)量。窯煅燒系統(tǒng)的2臺(tái)喂煤秤(窯頭、分解爐)均采用了BMH制造的“科里奧利”秤，其技術(shù)先進(jìn)，性能穩(wěn)定。生產(chǎn)線除關(guān)鍵設(shè)備采用進(jìn)口外，其余為國(guó)產(chǎn)設(shè)備。

2　自控系統(tǒng)的選型及配置
　　
一般DCS系統(tǒng)多是側(cè)重于多種PID運(yùn)算、比值運(yùn)算、串級(jí)調(diào)節(jié)等功能，考慮到該線自控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量占I/O總量的75%以上，PID回路數(shù)占模擬量I/O的3%，因此，為節(jié)省投資，自控系統(tǒng)采用基于PLC的DCS控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)備選用美國(guó)Allen-Brdley公司制造生產(chǎn)的ControlLogix5550系列產(chǎn)品，控制網(wǎng)絡(luò)為A-B ControlNet。

2.1　軟件
　　
計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)采用Windows 2000中文版；組態(tài)、編程軟件包括:用于程序開(kāi)發(fā)的RSLogix5000；用于ControlNet管理的RSNetWorx；用于網(wǎng)絡(luò)通訊的RSLinx；用于工作站畫(huà)面設(shè)計(jì)的RSView 32(1500點(diǎn))，其它工具軟件:AutoCAD2000、Excel、Word等。

2.2　硬件
　　
鑒于水泥工業(yè)粉塵較大的特點(diǎn)，為保證DCS系統(tǒng)電器動(dòng)作的可靠性，DI/DO模板均采用220VAC類(lèi)型。AI模板主要類(lèi)型為:
　　
差分雙端4～20mA型；熱電阻(PT-100)型；熱電偶(mV)型；稱(chēng)重(mV)模板4種類(lèi)型。其中“稱(chēng)重型”模板為Allen-BrdleyOEM產(chǎn)品(加拿大生產(chǎn))，用于煤粉稱(chēng)重倉(cāng)、原料均化稱(chēng)重倉(cāng)計(jì)量轉(zhuǎn)換(將mV/V信號(hào)變換為PLC系統(tǒng)接收的數(shù)字信號(hào))。AO模板采用標(biāo)準(zhǔn)型，可組態(tài)為:4～20mA或1～5V及0～10V。

2.3　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
主控系統(tǒng)(MCS)采用美國(guó)A-B ControlLogix5550控制器及相應(yīng)的I/O配置。MCS共有6個(gè)本地機(jī)架及9個(gè)相應(yīng)的遠(yuǎn)程機(jī)架，其主要功能是處理來(lái)自基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)及馬達(dá)控制中心(MCC)、現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)(LCP)、速度控制盤(pán)(SCP)、高壓盤(pán)(Http)等高低壓電氣設(shè)備的DI/DO、AI/AO信號(hào)，并通過(guò)ControlNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)與上位工作站OMS1～OMS6的實(shí)時(shí)操作和監(jiān)控(見(jiàn)圖1)。


2.3.1　控制管理級(jí)
　　
它是由中央控制室的6臺(tái)操作站(1臺(tái)兼用工程師站)組成，多臺(tái)操作站用于全條水泥熟料生產(chǎn)線工藝過(guò)程的監(jiān)視、操作、控制，各操作站之間可任意切換，并互為備用。

2.3.2　過(guò)程控制級(jí)
　　
包括:原料粉磨控制站、煤粉制備控制站、燒成窯尾控制站、燒成窯頭控制站，各站功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)其所轄設(shè)備的順序控制和過(guò)程控制。

2.3.3　網(wǎng)絡(luò)通訊
　　
控制網(wǎng)絡(luò)為A-B ControlNet，采用Allen-Brdley同軸專(zhuān)用網(wǎng)線、冗余的雙網(wǎng)(A/B)星型結(jié)構(gòu)，速率為5Mbps，網(wǎng)絡(luò)掃描時(shí)間設(shè)定為15ms。另外，6個(gè)操作站之間配有Ethernet網(wǎng)(100Mbps)，用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、調(diào)試以及今后公司計(jì)算機(jī)信息管理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.4　控制方式
　　
自控系統(tǒng)采用的是“現(xiàn)場(chǎng)機(jī)旁?xún)?yōu)先方式”，該方式的優(yōu)點(diǎn)是:操作靈活、便于檢修。它既可以在“遠(yuǎn)程”方式的成組中控起動(dòng)，又可以在檢查或檢修設(shè)備時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)開(kāi)停設(shè)備。

2.4　控制系統(tǒng)的組態(tài)

2.4.1　網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
　　
1)網(wǎng)絡(luò)預(yù)定的最多節(jié)點(diǎn)地址設(shè)置為25，實(shí)際為21；
　　
2)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)選擇為冗余方式(A/B)；
　　
3)網(wǎng)絡(luò)掃描時(shí)間(Network Update Time)設(shè)置為15ms。

2.4.2　處理器及I/O組態(tài)
　　
1)系統(tǒng)內(nèi)務(wù)處理時(shí)間片設(shè)為15%；
　　
2)通訊板的數(shù)據(jù)信息時(shí)間間隔為60ms；
　　
3)所有DO組態(tài)為:在“Program Mode”下為“Off”；在“Fault Mode”下為“Hold”；
　　
4)組態(tài)DI點(diǎn)掃描時(shí)間為30ms；
　　
5)AI組態(tài)是根據(jù)物理量變化時(shí)間的不同(壓力、溫度、流量、稱(chēng)重、功率、電流)組態(tài)不同的掃描時(shí)間間隔，以達(dá)到既節(jié)省處理器和網(wǎng)絡(luò)的掃描時(shí)間又可滿足瞬時(shí)采集要求。

3　用戶(hù)程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)
　　
3.1　用戶(hù)程序的結(jié)構(gòu)
　　
用戶(hù)程序分為2個(gè)軟件大包:上位工作站軟件包和下位PLC軟件包。
　　
其中，上位工作站開(kāi)發(fā)的軟件程序包括:工作站各系統(tǒng)工藝畫(huà)面流程、狀態(tài)、操作方式；工藝、電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)及歷史趨勢(shì)；工藝及電氣的故障實(shí)時(shí)報(bào)警；生產(chǎn)日?qǐng)?bào)、事件報(bào)表、時(shí)報(bào)等。
　　
下位PLC軟件包包括:原料控制系統(tǒng)程序；煤磨控制系統(tǒng)程序；窯尾控制系統(tǒng)程序；窯頭控制系統(tǒng)程序；原料立磨油站控制程序；生料均化庫(kù)控制程序。
　　
下位PLC程序主要回路模塊有:設(shè)備的準(zhǔn)備檢查回路(用于操作員檢查設(shè)備狀態(tài))；起動(dòng)聯(lián)鎖回路(用于保護(hù)設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程)；停止聯(lián)鎖回路(用于工藝設(shè)備之間正?；蚍钦Ｂ?lián)鎖停機(jī))；成組起動(dòng)回路(成組起動(dòng))；成組停止回路(成組停止)；時(shí)鐘回路(用于閃光脈沖、延時(shí)、計(jì)數(shù)等)；驅(qū)動(dòng)回路(用于設(shè)備的驅(qū)動(dòng))；故障回路(用于檢測(cè)設(shè)備的故障)；故障記憶回路(用于出現(xiàn)故障報(bào)警后記憶故障狀態(tài))；指示燈回路(用于設(shè)備的備妥、運(yùn)行、故障的顯示)；PID回路(用于有回路控制的設(shè)備)。

3.2　系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)
　　
管理監(jiān)控軟件共有17幅生產(chǎn)流程圖，工藝流程畫(huà)面呈立體效果，畫(huà)面背景顏色與設(shè)備顏色、參數(shù)顏色搭配。操作配以熱鍵、模擬按鈕、觸摸等多種方式進(jìn)行，操作靈活、簡(jiǎn)便、直觀。為防止誤操作而退出控制系統(tǒng)，采用登陸和退出登陸的方式，以Password賦予維護(hù)工程師，提高系統(tǒng)的安全性。操作員可按時(shí)間(數(shù)據(jù)保留10d)隨時(shí)按日期調(diào)出工藝參數(shù)趨勢(shì)。
　　
畫(huà)面中設(shè)備的狀態(tài)顯示分為備妥、故障、運(yùn)行3種，定義實(shí)體綠色為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)體紅色為停機(jī)狀態(tài)，紅色、綠色交替閃爍為不備妥或故障狀態(tài)。各工藝參數(shù):綠色為正常，黃色為警示，紅色為嚴(yán)重報(bào)警。各系統(tǒng)畫(huà)面均加有緊急停車(chē)按鈕，在起動(dòng)或停止設(shè)備時(shí)均有再次確認(rèn)過(guò)程，組與組之間的聯(lián)鎖通過(guò)模擬按鈕燈的狀態(tài)明確指示，以確保操作安全、可靠。在監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)中各種保護(hù)、報(bào)警信號(hào)均實(shí)時(shí)給予聲光警示，同時(shí)進(jìn)入報(bào)警記錄，操作員按時(shí)間順序可隨時(shí)查閱各種報(bào)警參數(shù)，以便對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況給予決策。

4　調(diào)試
　　
該生產(chǎn)線的自動(dòng)化調(diào)試按常規(guī)模式分為:開(kāi)關(guān)量和模擬量2大部分進(jìn)行調(diào)試。
　　
其中開(kāi)關(guān)量的調(diào)試包括:①DCS系統(tǒng)的DI/DO點(diǎn)與所有電氣室或現(xiàn)場(chǎng)電氣盤(pán)柜信號(hào)的校對(duì)；②軟件程序DI/DO點(diǎn)與PLC電氣點(diǎn)的校對(duì)。
　　
模擬量的調(diào)試主要包括:①AI/AO通道與現(xiàn)場(chǎng)電氣量相互統(tǒng)一的組態(tài)；②采用常規(guī)的信號(hào)發(fā)生器及數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)各個(gè)AI/AO通道進(jìn)行信號(hào)校對(duì)；③PID控制回路的參數(shù)調(diào)整。
　　
調(diào)試發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題主要有:
　　
1)電氣干擾造成的信號(hào)“假象”，表現(xiàn)為:設(shè)備成組起動(dòng)時(shí)，第1臺(tái)欲開(kāi)啟的電氣設(shè)備(煤堆料機(jī))未起動(dòng)，但應(yīng)答信號(hào)已返回，使得不能完成組起動(dòng)過(guò)程(其它輸送皮帶機(jī))。經(jīng)檢查電氣元件和線路，發(fā)現(xiàn)線路產(chǎn)生180VAC交流干擾信號(hào)，導(dǎo)致PLCDI點(diǎn)誤動(dòng)作。解決辦法:更換受干擾的控制電纜。
　　
電氣干擾還使得個(gè)別繼電器在停止信號(hào)發(fā)出時(shí)不能動(dòng)作(釋放)，造成不能停車(chē)現(xiàn)象。解決辦法:因找不到干擾源，采用更換容量較大的繼電器，以保證正常停車(chē)。
　　
2)無(wú)故障大面積停車(chē)。聯(lián)動(dòng)調(diào)試期間原料系統(tǒng)曾多次出現(xiàn)大面積的無(wú)故障停車(chē)現(xiàn)象，詳細(xì)檢查工藝聯(lián)鎖程序，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)檢查網(wǎng)絡(luò)通訊，均正常。詳細(xì)檢查PLC DO模板組態(tài)，發(fā)現(xiàn)組態(tài)有誤。原因:ControlLogix 5550系統(tǒng)在組態(tài)DO故障狀態(tài)時(shí)，輸出選項(xiàng)可以為“Off”或“Hold”。一般理解為:選項(xiàng)“Off”適用極為重要或?qū)I/DO采樣周期要求高的工業(yè)場(chǎng)合，目的是出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瞬間的奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，快速切斷所帶的電氣設(shè)備。由于水泥生產(chǎn)中對(duì)DI/DO的采樣時(shí)間要求不高，網(wǎng)絡(luò)瞬間出現(xiàn)的奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤不會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，因此，在重新組態(tài)DO各個(gè)通道時(shí)，將網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)瞬時(shí)奇偶校驗(yàn)故障時(shí)的動(dòng)作設(shè)置為“Hold”，即保持原DO狀態(tài)值，修改DO組態(tài)選項(xiàng)后此故障消失。
　　
在調(diào)整如溫度、壓力、流量以及電氣參數(shù)的過(guò)程中，采用對(duì)一次儀表的嵌位或在PLC通道中適當(dāng)調(diào)整斜率的手段進(jìn)行各種儀表參數(shù)的標(biāo)定，保證了工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性。在自動(dòng)回路投入過(guò)程中，考慮系統(tǒng)試生產(chǎn)初期的穩(wěn)定性，僅對(duì)增濕塔出口溫度與噴水量以及入窯生料喂料與閥門(mén)開(kāi)度的回路先期給予投入，PID的參數(shù)調(diào)整，在有擾動(dòng)時(shí)回路穩(wěn)定時(shí)間在2min左右，在重新給定(SP)后視與前次SP差值而定，一般系統(tǒng)穩(wěn)定大約需5～10min，滿足生產(chǎn)要求。

5　應(yīng)用效果分析
　　
冀東三友水泥熟料生產(chǎn)線自4月投料以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定。進(jìn)入試生產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行效果令用戶(hù)滿意。實(shí)踐表明:
　　
1)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能穩(wěn)定可靠。基本不需要維護(hù)，保證了設(shè)備的高運(yùn)轉(zhuǎn)率，且操作簡(jiǎn)便、直觀。
　　
2)調(diào)試和故障診斷方便、快速，操作員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的故障并確定其位置，縮短了排故時(shí)間。程序設(shè)計(jì)了索引文件，使系統(tǒng)維護(hù)人員可在上位OMS上快速定位故障或設(shè)備I/O地址。
　　
3)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能好，能夠滿足水泥熟料質(zhì)量控制和儀表計(jì)量精度上的要求。