新型干法水泥生產(chǎn)的分布式控制

　　1  引  言

　　水泥生產(chǎn)做為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，已有160多年的發(fā)展歷史，其生產(chǎn)技術(shù)從最早的立窯、回轉(zhuǎn)窯、立波爾窯發(fā)展到了預(yù)分解窯技術(shù)，從而使水泥工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)有了重大突破。立磨、輥壓機、原料預(yù)均化、生料均化以及X射線熒光分析等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使水泥生產(chǎn)的熟料質(zhì)量明顯提高，能耗進一步降低，由于應(yīng)用了電子計算機和自動控制技術(shù)，許多先進的水泥廠都已經(jīng)采用了全廠集中控制，巡回檢測的方式，在礦山開采、生料和燒成車間、以及包裝和發(fā)運等工序都實現(xiàn)了自動控制。隨著水泥企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，截至2007年底新型干法生產(chǎn)技術(shù)的比例已達55％。大多新型干法廠生產(chǎn)工藝流程多采用技術(shù)成熟的DCS(Distributed Control System)即分散性控制系統(tǒng)，也稱集散型控制系統(tǒng)。DCS是以分散的控制設(shè)備來適應(yīng)分散的過程對象，并將它們通過數(shù)據(jù)高速公路與基于CRT的操作站相連接，一起實施實時工業(yè)過程的控制與監(jiān)視，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的功能分散、負荷分散，從而危險也分散，克服了集中式計算機控制系統(tǒng)的負荷集中、危險集中的弱點。

　　從80年代以來DCS經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，各種控制技術(shù)融合、集成的DCS系統(tǒng)不斷被應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，在水泥行業(yè)出現(xiàn)了基于PLC(可編程控制器)的DCS系統(tǒng)、基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS系統(tǒng)等分布式控制方式，另外先進的智能控制技術(shù)例如模糊控制等也應(yīng)用到了水泥生產(chǎn)控制中，隨著計算機、通信網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，水泥工業(yè)的自動控制系統(tǒng)正向著智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向邁進，傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)和計算機分層控制方式也開始向智能終端與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)方向發(fā)展。

　　本文討論了目前最先進的基于PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)的水泥生產(chǎn)DCS控制模式，同時提出了應(yīng)用于新型干法水泥生產(chǎn)的FCS的結(jié)構(gòu)型式。

　　2  基于PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS

　　2．1 PLC技術(shù)的應(yīng)用

　　PLC(Programmable Logic Controller)是采用微電腦技術(shù)制造的通用的自動控制設(shè)備，在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了相當廣泛的應(yīng)用，被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱(PLC、機器人、CAD／DAM)之一。PLC主要由CPU、存儲器(ROM和RAM)、I／O接口以及編程器四部分組成。PLC系統(tǒng)主要特點是：工作可靠，運行速度快；積木式結(jié)構(gòu)，組合靈活；良好的兼容性；程序編制及生成簡單、豐富；網(wǎng)絡(luò)功能強。PLC系統(tǒng)能很好地完成工業(yè)實時順序控制、條件控制、計數(shù)控制、步進控制等功能；能夠完成模／數(shù)(A／D)、數(shù)／模(D／A)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)、實時監(jiān)控等功能。

　　由于水泥生產(chǎn)線的自動化控制開關(guān)量約占總的輸入輸出點的75％，且控制過程主要以順序控制、連鎖控制為主，而且，近年來開發(fā)了具有智能I／O模塊的PLC，它可以將順序控制和過程控制結(jié)合在一起，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，因此PLC可以作為DCS系統(tǒng)的過程控制層的控制站。

　　2．2  現(xiàn)場總線技術(shù)

　　控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了自動化領(lǐng)域的深刻變革。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐步形成全分布式網(wǎng)絡(luò)集成自控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線(fieldbus)正是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。目前，比較具有影響力的現(xiàn)場總線有：基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)oundation Fieldbus)、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是當前最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一，也是最適合應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制的一種總線型式，而且為全數(shù)字化現(xiàn)場總線協(xié)議。

　　PROFIBUS是德國90年代初制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準。代號DINl9245。PROFIBUS于1996年成為歐洲標準EN50170，1999年底成為國際標準IEC61158的組成部分，已被全世界接受。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測控制儀表中，使它們各自都具有數(shù)字計算和數(shù)字通訊能力，采用可進行簡單連接的雙絞線作為總線，把多個測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通訊協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測控設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)。

　　2.2.1  現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點

　　(1)系統(tǒng)的開放性

　　開放是指對相關(guān)標準的一致性、公開性。一個開放系統(tǒng)可以與世界上任何遵守相同標準的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線的開發(fā)就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)，用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。

　　(2)互可操作性與互用性

　　互可操作性是指能實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實現(xiàn)點對點、一點對多點的數(shù)字通訊，而互用則意味著不同廠家的性能類似的設(shè)備可以實現(xiàn)相互替換。

　　(3)現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治

　　它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備就可以完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷并上傳設(shè)備的運行狀態(tài)。

　　(4)系統(tǒng)機構(gòu)的高度分散性

　　由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可以完成自動控制的基本功能，使現(xiàn)場總線構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)的體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

　　(5)對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

　　工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通訊，并可以滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

　　2.2.2 現(xiàn)場總線的優(yōu)點

　　由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

　　(1)節(jié)省硬件數(shù)量與投資

　　由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能夠直接執(zhí)行多種傳感控制報等和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調(diào)節(jié)器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資。并可以減少控制室的占地面積。

　　(2)節(jié)省安裝費用

　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線非常簡單，一對雙絞線或一根電纜上通常可以將整個控制系統(tǒng)的測量控制設(shè)備物理連接，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原來的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。

　　(3)節(jié)省維護開銷

　　由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行、診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，連線簡單而減少了維護工作量，節(jié)約了維護費用。

　　(4)用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)

　　用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)，避免了因選擇某一品牌的產(chǎn)品而被“框死”了使用設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展。系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。

　　(5)提高了系統(tǒng)的準確性和可靠性

　　由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精度，減少了傳送誤差。同時由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，從設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號餓往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

　　2.3  基于PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS系統(tǒng)

　　隨著PLC技術(shù)、單片機技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，多種控制技術(shù)集成的DCS作為向FCS過渡的控制技術(shù)在現(xiàn)階段顯示出了其優(yōu)異的控制性能。目前最為完善的就是基于PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)的第四代DCS。

　　2．3．1系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

　　如圖l所示。整個DCS系統(tǒng)分為三層，最上層為操作管理級，由監(jiān)督計算機、工程師站、操作員站和CRT等設(shè)備組成，第二層為控制管理級，由PLC組成兩個控制站，第三層為采用現(xiàn)場總線技術(shù)的過程控制級組成。根據(jù)水泥生產(chǎn)的特點，分成了生料磨、煤磨、窯尾廢氣處理、窯頭和水泥磨五個過程站。

圖1  基于PLC和現(xiàn)場總線的DCS結(jié)構(gòu)

　　2．3．2 系統(tǒng)的設(shè)計組成

　　根據(jù)水泥生產(chǎn)線的工藝特點，我們在窯尾預(yù)熱器、窯頭篦冷機等熱工測控點集中的區(qū)域，原料立磨、原料調(diào)配秤等數(shù)據(jù)量較大的配套設(shè)備中局部采用現(xiàn)場總線方案，而在測控點較為分散的其它區(qū)域仍采用傳統(tǒng)的DCS分布式控制。這樣就可以充分發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢和特點，減少大量隔離器、端子柜、I／O模塊及大量電纜和電纜橋架，而且現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用還可以提高信號的測量、傳輸和控制精度，以及系統(tǒng)與設(shè)備的性能，真正形成分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)，增強控制系統(tǒng)運行的可靠性，同時也不會造成對原有DCS系統(tǒng)中儀表和控制設(shè)備的大量浪費，同時彌補了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的開放性問題、系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表的通信問題。

　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線混合型結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場層的通信采用PROFIBUS-DP主／從協(xié)議，使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，不同的子網(wǎng)和不同介質(zhì)之間可通過藕合器或接口模塊連接。

　　過程監(jiān)控層使用以太網(wǎng)協(xié)議，通過帶有雙網(wǎng)卡的PLC進行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，一塊網(wǎng)卡為PROFIBUS-DP網(wǎng)卡，另一塊為以太網(wǎng)卡。因此，PLC作為現(xiàn)場總線中的一個站，又作為以太網(wǎng)上的一個站點，而操作員站計算機和工程師站計算機不作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的站點。只作為以太網(wǎng)中的節(jié)點，此網(wǎng)上的各站點相互之間的數(shù)據(jù)交換通過以太網(wǎng)進行，而現(xiàn)場的信息也通過以太網(wǎng)從PLC的寄存器中讀取，控制現(xiàn)場的參數(shù)也由以太網(wǎng)送到DP主站PLC的寄存器中，再通過主／從協(xié)議傳送到現(xiàn)場總線中的各從站。

　　生產(chǎn)管理層的通信采用TCP/IP協(xié)議，為了隔離用于控制生產(chǎn)的以太網(wǎng)。服務(wù)器上也帶有兩塊網(wǎng)卡，一個網(wǎng)卡用于監(jiān)控層之間的數(shù)據(jù)傳輸，另一塊網(wǎng)卡與其他的局域網(wǎng)相連。這樣局城網(wǎng)中的遠程計算機，一方面直接訪問監(jiān)控層中的服務(wù)器上的動態(tài)監(jiān)視界面，訪問數(shù)據(jù)庫中的歷史信息，還可與其他的系統(tǒng)如工資、人事系統(tǒng)等連接，實現(xiàn)所有信息共享，形成現(xiàn)代化企業(yè)的MIS系統(tǒng)。

　　這樣可以將水泥企業(yè)的經(jīng)營管理、計劃調(diào)度、現(xiàn)場控制集成起來，進行綜合信息處理。同時，為了優(yōu)化通信，減少信號的往返傳遞，盡可能將同一個控制系統(tǒng)中信號相關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備就近安排在同一總線段上，用現(xiàn)場總線開放性好、可靠性高以及可以高度分散控制等優(yōu)勢，來彌補DCS布線復(fù)雜、開放性差的缺陷；用PLC可靠性高、價格便宜、配置靈活、適合用于工業(yè)控制現(xiàn)場等優(yōu)勢，來彌補現(xiàn)場總線智能現(xiàn)場測量、控制設(shè)備價格較高的缺陷；用DCS編程運算好、易于組態(tài)的優(yōu)勢，來彌補PLC不適用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制的不足，充分發(fā)揮三種控制技術(shù)的各自特點，達到取長補短，優(yōu)勢互補。

　　3  FCS在新型干法水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(fieldbus control system)，是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的基于現(xiàn)場總線的新一代控制系統(tǒng)。

　　現(xiàn)場總線是指制造、生產(chǎn)過程中從控制室到現(xiàn)場儀表裝置之間的數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表與計算機控制之間的全數(shù)字化、高性能、兩線制、多支路的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　現(xiàn)場智能儀表使控制系統(tǒng)的接線變得簡單。由于每個現(xiàn)場儀表就是一個控制站，測量和控制在現(xiàn)場由現(xiàn)場儀表來完成，而不依賴于系統(tǒng)的操作，與上位監(jiān)控系統(tǒng)相對獨立，這樣，現(xiàn)場儀表與系統(tǒng)的接線就簡化了。從控制現(xiàn)場到控制中心只需要標準的網(wǎng)絡(luò)線連接，而且可以多臺儀表共用一對電纜，這樣大大節(jié)約了電纜，以及相應(yīng)的接線盒等硬件資源，同時也為系統(tǒng)的硬件維護提供了方便，減少了出現(xiàn)問題的可能性。

　　3．1 FCS的結(jié)構(gòu)模式

　　圖2  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

　　如圖2所示，F(xiàn)CS通過現(xiàn)場總線技術(shù)由DCS的三層控制模式改變?yōu)橛缮衔粰C到生產(chǎn)現(xiàn)場的二層控制模式。系統(tǒng)由過程控制級、操作管理級和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成。

　　(1)  過程控制級

　　現(xiàn)場過程控制級以過程控制站PS(Proces sion Station)作為硬件基礎(chǔ)，主要由完成自動控制功能的控制單元、實現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集功能的輸入輸出站及智能現(xiàn)場總線設(shè)備三部分組成。

　　在水泥生產(chǎn)過程中為了便于控制，將生產(chǎn)過程按工藝流程劃分成五個PS，即煤磨站、生料磨站、窯尾廢氣處理站、窯頭站和水泥磨過程站，各個子系統(tǒng)的設(shè)備啟停及工藝參數(shù)均由相應(yīng)站控制，各過程站既相對獨立又相互關(guān)聯(lián)，組成一個有機的現(xiàn)場控制層，完成對水泥生產(chǎn)的自動化實時控制。各控制單元可以選擇掛接多類現(xiàn)場總線協(xié)議設(shè)備的總線控制器，它是由帶CPU的基本單元及各功能插件組成。整個控制站通過現(xiàn)場總線網(wǎng)采集現(xiàn)場智能儀表的信號，并對這些信號進行自動處理，各PS的數(shù)據(jù)構(gòu)成統(tǒng)一的系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫，經(jīng)處理后再通過現(xiàn)場總線網(wǎng)輸出到現(xiàn)場總線設(shè)備，同時通過以太網(wǎng)上傳到操作管理層。

　　(2)操作管理級

　　操作管理級類似于DCS系統(tǒng)，由監(jiān)督計算機、工程師站(ES)、操作員站(OS)和通信設(shè)備組成。操作員站是用于生產(chǎn)控制和監(jiān)視，操作時通過訪問工程師站完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控；工程師站主要用于設(shè)計、組態(tài)、調(diào)試、監(jiān)視整個系統(tǒng)，正常生產(chǎn)時完成與操作員站和現(xiàn)場站的數(shù)據(jù)傳輸，用于設(shè)計時，根據(jù)工藝要求設(shè)計各種控制策略，并將編制的程序下載到現(xiàn)場站。

　　(3)系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

　　系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)分為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，連接所有水泥生產(chǎn)的自動控制設(shè)備，使各層之間、各層內(nèi)部智能設(shè)備之間既相對獨立又有機聯(lián)系。

　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)OS、ES和PS間的數(shù)據(jù)通訊，一般采用TCP／IP協(xié)議以太網(wǎng)實現(xiàn)，傳輸介質(zhì)大多采用抗干擾能力強的光纖。

　　現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)PS中的控制器與相應(yīng)I／O站及總線儀表之間的通訊?？刹捎肞rofibus協(xié)議的現(xiàn)場總線網(wǎng)實現(xiàn)，傳輸介質(zhì)采用Profibus標準通信電纜。

　　3．2 FCS的控制過程

　　PS站的現(xiàn)場總線智能儀表實時采集現(xiàn)場過程信息，并由控制單元進行信號分析和處理，通過系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)連接操作管理級，在操作管理級通過人機交互設(shè)備控制生產(chǎn)過程。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了全數(shù)字化智能控制。

　　4  結(jié)論

　　目前，由于現(xiàn)場總線在國際上尚沒有一個統(tǒng)一、唯一的標準，另外總線智能儀表的價格很高，工程投資費用也是一個大問題，而且水泥行業(yè)具有調(diào)節(jié)回路較少、監(jiān)視參數(shù)多的特點，所以FCS完全替代DCS還有一個過程，所以有學(xué)者提出傳統(tǒng)儀表與現(xiàn)場總線的兼容，即采用標準信號——現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器把由傳感器采集來的DC 4～20mA的模擬信號轉(zhuǎn)換為符合總線協(xié)議的數(shù)字信號。完成計算、控制等基本控制任務(wù)，還對設(shè)備的運行狀態(tài)實時地在線診斷；另外使用現(xiàn)場總線——標準信號轉(zhuǎn)換器將符合總線協(xié)議的信號轉(zhuǎn)換為CPU能夠識別的信號，再進行計算處理，最后轉(zhuǎn)換為DC 4～20mA的模擬信號，輸出到執(zhí)行機構(gòu)。