摘要：本文敘述了Schneider電氣公司的Modicon TSX Quantum所建立的集散控制系統(tǒng)自動化平臺在現(xiàn)代新型干法水泥行業(yè)的應(yīng)用。特別介紹了系統(tǒng)的硬件配置、功能以及網(wǎng)絡(luò)組成等，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性、實用性進行了探討，指出了系統(tǒng)優(yōu)化的方向，提出了DCS集散控制系統(tǒng)使用以及維護心得。提出很多優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性的具體措施，倡導(dǎo)了現(xiàn)代水泥行業(yè)“鼠標(biāo)+水泥”的思想，實現(xiàn)了人機雙控互動的控制策略。 概述：近年來，我國水泥工業(yè)正處于技術(shù)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整時期，根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策，促使國內(nèi)水泥工業(yè)尤其是帶預(yù)分解窯的新型干法技術(shù)工藝得到了快速發(fā)展。 我公司是中國建材局下屬的中國聯(lián)合水泥分公司，一期工程采用日本三菱公司先進的窯外預(yù)分解技術(shù)，建設(shè)3000T/D熟料水泥新型干法生產(chǎn)線，先進的生產(chǎn)工藝對全廠電氣自動化控制有很高的要求。我公司綜合考察了國內(nèi)水泥行業(yè)的普遍使用的控制系統(tǒng)，最終選用國際上比較先進的分散控制、集中管理的集散型控制系統(tǒng)（DCS）。該系統(tǒng)集計算機控制技術(shù)、通訊技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，通過中央控制室計算機集中控制整個生產(chǎn)線的各種操作，實現(xiàn)對全廠所有設(shè)備的工藝操作和電氣控制。 我公司在綜合考慮了各種因素后，最終確定采用性能價格比較高的法國施耐德公司的DCS系統(tǒng)。通過選用Quantum和Momentum之間的通訊組合，對全廠所有設(shè)備進行了安全可靠的電氣自動化控制，得到了很好的效果。本人從水泥生產(chǎn)線建設(shè)初期就參與了系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試、維護以及改造等，從中積累了不少經(jīng)驗和技術(shù)，就對Schneider公司的DCS系統(tǒng)在我廠的實際應(yīng)用情況，談?wù)勛约旱捏w會。并對DCS系統(tǒng)在水泥行業(yè)的展望以及提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了自己的見解和看法。 [b]一、水泥生產(chǎn)工藝流程： [/b] 石灰石、砂巖、鐵粉、粉煤灰均化后按一定比例配料混合，經(jīng)生料立磨粉碎研磨制成生料粉。生料粉經(jīng)過均化送至預(yù)熱器，再經(jīng)五級懸浮預(yù)熱器進行預(yù)熱，并投入分解爐進行窯外預(yù)分解，同時原煤經(jīng)過粉磨制得的煤粉送至窯頭煅燒和分解爐進行無焰燃燒。預(yù)熱后的料粉進入回轉(zhuǎn)窯高溫煅燒，燒成熟料，高溫的熟料塊再經(jīng)過蓖冷機進行冷卻和破碎，然后均化儲存水泥熟料。水泥熟料加入石膏、混合材、粉煤灰再按一定比例配料混合，經(jīng)水泥磨粉磨制成不同標(biāo)號的水泥成品，最后水泥成品經(jīng)袋裝和散裝向外發(fā)售。完成整個生產(chǎn)工藝流程。 二、Quantum集散控制系統(tǒng)簡介： 根據(jù)新型干法水泥的生產(chǎn)工藝流程狀況，電氣拖動設(shè)備運行，設(shè)備按工藝布局和連鎖步驟完成從原料配料、原料粉磨、生料煅燒、煤粉制備、熟料儲存、水泥粉磨、水泥包裝等整個生產(chǎn)過程。該系統(tǒng)使設(shè)備保持在最大效率情況下運轉(zhuǎn)，電氣設(shè)備的安全和可靠對整個生產(chǎn)流程起到十分重要的作用。 隨著時代的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。尤其Ethernet網(wǎng)絡(luò)更是獨領(lǐng)風(fēng)騷，Windows 2000 Workstation和Windows 2000 Server內(nèi)置的Ethernet協(xié)議運行穩(wěn)定可靠，速度快。MonitorPro 的分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，在Ethernet網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫共享，數(shù)據(jù)交換能力強，實時性好，MonitorPro 的SQL/ODBC/OPC關(guān)系數(shù)據(jù)庫連接功能為實現(xiàn)工廠自動化提供了很好的解決方案，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。本方案采用光纖作為介質(zhì)，通訊速率達(dá)100M/s。系統(tǒng)計算機通過以太網(wǎng)通訊，將四個現(xiàn)場站的狀態(tài)和過程信息數(shù)據(jù)，在各控制室上位計算機上進行工藝圖形顯示，以實現(xiàn)整個生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的集中監(jiān)控。實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。所有到現(xiàn)場站的網(wǎng)絡(luò)均為雙網(wǎng)冗余。 Modicon TSX Quantum PLC自動化系列產(chǎn)品是Schneider公司最新研究的成果，專門為適應(yīng)過程控制需要而開發(fā)的產(chǎn)品。Modicon Quantum主機的邏輯是由在工業(yè)現(xiàn)場的輸入、輸出模塊來實現(xiàn)的，I/O模塊是經(jīng)I/O總線鏈接到主機，形成一個完整的控制系統(tǒng)，Momentum模板是電氣信號轉(zhuǎn)換器，它將送至和來自現(xiàn)場裝置的信號如限位開關(guān)、接近開關(guān)、溫度傳感器、電磁閥、電動執(zhí)行器等信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠處理的信號和格式。所有與總線相連的I/O模板都經(jīng)過光電隔離，確保模塊和通訊的安全和無故障運行。 在中央控制室內(nèi)設(shè)置交換機和光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，采用Ethernet協(xié)議可實現(xiàn)與現(xiàn)場站、生料質(zhì)量控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MIS）及其它系統(tǒng)的通訊。DCS系統(tǒng)和配料秤、變頻器的通訊采用硬接線或者Mb+通訊方式。 該系統(tǒng)可以組成較復(fù)雜的本地I/O站，遠(yuǎn)程I/O站，分布式I/O站�？刂频妮斎胼敵鲂盘柾ㄟ^各種I/O模板連接實現(xiàn)，各種I/O模板把現(xiàn)場采集的模擬量信號和數(shù)字量信號傳送到處理器的CPU內(nèi)，進行信息處理和運算，通過網(wǎng)絡(luò)交換機把光纜信息傳輸至中央控制室供操作員操作，同時操作員把各種工藝要求命令通過光纜傳輸發(fā)送給處理器，控制現(xiàn)場設(shè)備的運行和參數(shù)自動調(diào)整。 該系統(tǒng)具有編程、組態(tài)、監(jiān)控、操作控制工藝過程及要求等，配置Concept 2.5編程軟件和Monitor Pro 7.0上位機圖形監(jiān)控軟件，可對各個現(xiàn)場控制站進行軟件編程，在線、離線調(diào)試，修改等功能。中控室通過軟硬件平臺，控制整個生產(chǎn)工藝過程。顯示生產(chǎn)工藝流程和相應(yīng)的工藝動態(tài)參數(shù)的實時變化趨勢、歷史數(shù)據(jù)及記錄；顯示各種報警狀態(tài)并發(fā)出聲光閃爍，打印畫面上各種實時參數(shù)、報警記錄等；對現(xiàn)場控制站的各種主機、輔機設(shè)備按照所編制的程序控制順序起停等�，F(xiàn)場控制通過軟硬件技術(shù)，利用Quantum CPU處理整個模塊所采集到的現(xiàn)場的各種信息，包括各種設(shè)備運行狀況和各種壓力、溫度、流量、料位、閥門開度、主機的運行電流值等信號。各種實時參數(shù)利用通訊模塊在本站和其它站之間相互通訊，傳輸?shù)街醒肟刂剖摇? [b]三、Quantum集散控制系統(tǒng)功能： [/b] Modicon TSX Quantum PLC采用Intel奔騰處理器，無論是邏輯控制、順序控制、時序控制、過程控制、數(shù)學(xué)運算、PID調(diào)節(jié)指令，處理速度均高達(dá)0.09ms/k。系統(tǒng)模板所有通道都相互隔離，所有模板都可帶電插拔，系統(tǒng)運行可靠性很強。 每個Quantum CPU均可與Modbus和Modbus+節(jié)口想匹配，組成QuantumCPU+Momentum模塊化系統(tǒng)。CPU模板內(nèi)部存儲器可用于存放用戶指令，控制信號的輸入或輸出通過各種I/O模板實現(xiàn)。本地I/O最多支持32個模板，遠(yuǎn)程I/O最多支持31個分站，一臺主機可帶三個分布式I/O網(wǎng)絡(luò)，189個節(jié)點。本地、遠(yuǎn)程分布式背板都可電源冗余。安裝節(jié)點超過100000個。 用于工業(yè)控制的局域網(wǎng)絡(luò)，通訊距離電纜500米，使用中繼器2000米，光纜12000米。100/1000M高速光纜連接，支持多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，Modibus Plus、Interbus-S、Profibus DP。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議。采用屏蔽雙絞線易于安裝和拆卸。 [b]四、Quantum集散控制系統(tǒng)配置： [/b] Quantum集散控制系統(tǒng)選用Schneider公司Quantum系列控制器，整個系統(tǒng)主干網(wǎng)采用Modibus Plus局域網(wǎng)，其主干網(wǎng)采用光纜作為介質(zhì)，環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有冗余功能，當(dāng)環(huán)路一個節(jié)點斷開時系統(tǒng)能自檢故障，并正常運行，不影響其它站之間的通訊。增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，避免了高壓設(shè)備及功率變頻設(shè)備，通訊設(shè)備等可能造成的信號干擾。整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠，硬件維護非常方便。 我公司Quantum集散控制系統(tǒng)分為經(jīng)營管理層、生產(chǎn)監(jiān)控層和自動化控制層，如下圖我公司DCS系統(tǒng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。 本系統(tǒng)采取窯頭和窯尾通過光纖同時進中央控制室，一主一備，一旦任一路通訊出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會自動切換，光纖環(huán)網(wǎng)的好處是在系統(tǒng)任何一個控制站都能通過移動工程師站來訪問其它的站點。 系統(tǒng)包括三個部分，即中央控制室、現(xiàn)場控制站和現(xiàn)場儀表。該DCS系統(tǒng)由工程師站，操作員站，通訊服務(wù)器以及光電轉(zhuǎn)換等設(shè)備組成，利用光纜把各個現(xiàn)場站組成環(huán)網(wǎng)，各個現(xiàn)場站之間相互備用，數(shù)據(jù)共享，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。現(xiàn)場采集的信號由窯尾站和窯頭站同時進入中央控制室軟件平臺，一主一備。提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。中控室設(shè)置交換機和光纖轉(zhuǎn)換設(shè)備，采用Ethernet協(xié)議可實現(xiàn)與現(xiàn)場各站進行通訊，還可把生料質(zhì)量控制，生產(chǎn)管理系統(tǒng)及其它系統(tǒng)之間進行通訊。 該系統(tǒng)能滿足經(jīng)營管理者隨時了解生產(chǎn)運行情況，并打印各種報表；供生產(chǎn)部門統(tǒng)計每月產(chǎn)量、功耗、能耗以及成本利潤等進行核算；借助MIS工廠管理系統(tǒng)所建立的網(wǎng)絡(luò)平臺，可登陸Internet局域網(wǎng)瀏覽信息；供質(zhì)量管理部門隨時監(jiān)控各個質(zhì)量參數(shù)的變化，及時調(diào)整參數(shù)的配比方案，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效地指導(dǎo)生產(chǎn)和經(jīng)營；供應(yīng)部了解設(shè)備損耗情況，能快速掌握易損件的備品備件情況，保障生產(chǎn)可靠運行；通過網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備可供動力車間監(jiān)控總降壓站（無人值守）各配電柜安全情況以及35KV兩段進線、母聯(lián)、變壓器、電容器、電動機保護監(jiān)控、電量管理等情況；供中央控制室操作員根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備狀況啟停設(shè)備，對DCS系統(tǒng)采集的各種模擬量信息經(jīng)過科學(xué)地分析，及時了解相關(guān)參數(shù)趨勢，歷史數(shù)據(jù)，和報警紀(jì)錄等，匯總出各種報表，上報質(zhì)量控制組，用于調(diào)整各種最佳參數(shù)方案，科學(xué)生產(chǎn)；工程師站可通過Concept 2.5編程軟件和Monitor Pro 7.0開發(fā)版軟件對各個組態(tài)畫面進行編程、修改、調(diào)試、監(jiān)控等，維護整個系統(tǒng)的可靠運行，同時利用監(jiān)控后臺可幫助電氣維修工進行疑難故障排除等。 本系統(tǒng)共設(shè)四個操作員站，均配制WIN2000 Workstation操作系統(tǒng)和Monitor Pro 上位圖形監(jiān)控軟件，各操作站互為備用。上位機選用DELL原裝計算機（PⅢ2.2G，80G硬盤），彩色畫面，形象逼真，顯示直觀，操作方便。服務(wù)器采用SCSI服務(wù)結(jié)構(gòu)，大硬盤存儲載體，負(fù)責(zé)和現(xiàn)場站通訊管理。另外配置一臺報警打印機各種操作利用鼠標(biāo)控制生產(chǎn)設(shè)備，配合鍵盤修改工藝參數(shù)值。 每個現(xiàn)場控制站均包括CPU主機電源，I/O模塊，通訊模塊，光纖收發(fā)器，以太網(wǎng)通訊卡等。各現(xiàn)場控制站分別對各站電機、控制回路、執(zhí)行機構(gòu)、壓力/差壓變送器、溫度變送器、流量變送器、料位計、分析儀器等實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制和監(jiān)控。同時依靠先進的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，來完成整個工藝生產(chǎn)過程。 DCS系統(tǒng)中央控制室、每個現(xiàn)場控制站均設(shè)有3VA，2小時在線UPS電源，保證整個網(wǎng)絡(luò)的暢通和現(xiàn)場一些重要設(shè)備的參數(shù)能夠傳輸至操作員，提高了DCS自動控制系統(tǒng)安全可靠性。 工廠內(nèi)部的所有信息傳輸都通過Schneider公司創(chuàng)建的Quantum DCS系統(tǒng)運作的游刃有余。因此說，我們選擇Schneider公司的產(chǎn)品，就是選擇了它的系統(tǒng)的安全性和可靠性，就是選擇了源源不斷的效益和高額的利潤。 五、Quantum集散控制系統(tǒng)維護心得： 每個Quantum CPU均具有Modbus和Modbus+接口用于與上位或其它設(shè)備通訊。采用模塊化的、可擴充的結(jié)構(gòu)，它特別適合于工業(yè)及生產(chǎn)過程的實時控制。它由CPU、I/O、智能模板、電源、背板等構(gòu)成。 1.由于現(xiàn)代水泥行業(yè)用電設(shè)備功率大，類型雜，為了提高系統(tǒng)的可靠性和維護方便，全廠所有信號在進入PLC之前均轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，模擬量采用4～20mA、數(shù)字量采用220VAC電壓等級，所以整個系統(tǒng)PLC的I/O模塊有4種，即DI、DO、AI、AO。要充分掌握四種模塊的性能特點以及接線方式，這樣可以在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能快速解決問題，提高修機質(zhì)量和速度，從而提高效益。 2.DCS系統(tǒng)要安排專人進行定期維護，發(fā)現(xiàn)有接觸不好的中間繼電器或者已損壞的其它電氣元件要立即更換。一般每天要巡檢各個現(xiàn)場控制站三次（每班一次），發(fā)現(xiàn)問題立即準(zhǔn)確地解決。由于水泥行業(yè)的環(huán)境所限，一個月要清灰一次，灰塵特別大的環(huán)境要每半月清灰一次。每六個月要緊固端子接線排。每一年要停機進行系統(tǒng)檢查、改造等，每兩年要更換主要設(shè)備數(shù)字量和模擬量中的元器件，如中間繼電器、隔離器等。防止由于電氣元件老化引起更大的事故。 3.雖然系統(tǒng)處處在優(yōu)化干擾的問題，但是外部的信號仍不時會相互干擾系統(tǒng)。由于水泥工廠設(shè)備的工作環(huán)境相對較差，電磁干擾、粉塵污染等要求控制系統(tǒng)設(shè)備抗干擾抗腐蝕能力要強。在數(shù)字量信號上，采取公共接地，所有零端接地并入接地網(wǎng)，基本上可以避免線路壓降所造成的信號衰減的問題。模擬量信號上我們采取了增加信號隔離器來使輸入輸出信號相互隔離，由于其模擬量通道近似于250歐電阻，一些特殊的干擾較大的且使用隔離器不能很好地起到隔離作用的情況下，應(yīng)在隔離器輸出端并聯(lián)4.7uF電容消除干擾，會起到很好的效果。 4. 我廠多次出現(xiàn)AI卡件部分通道燒壞的現(xiàn)象，并且燒壞的通道還會使鄰近的一個或幾個通道相互干擾，造成中控的信號不穩(wěn)定現(xiàn)象。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)我廠所用的電動機保護器變送出的信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致部分通道燒壞。因此建議需要去中控的電流信號，應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)電流互感器，再選用隔離器把0～5A信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA的信號進卡件。把強電和弱電隔離，保護模塊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 5.由于DI信號采取單獨空開控制，且有部分信號去現(xiàn)場控制放礦閥、電機轉(zhuǎn)速和保護等，我公司系統(tǒng)采用火線（220V）去現(xiàn)場，導(dǎo)致DI信號外部一旦短路或者接地，會使空開跳閘，使整個站點設(shè)備全部跳停。由于現(xiàn)場設(shè)備較多，無法準(zhǔn)確快速地判斷故障位置，空開無法合閘，快速的方法就是把火線和零線對調(diào)，讓去現(xiàn)場的火線變成零線，然后送電，系統(tǒng)恢復(fù)正常。我們經(jīng)過多次研究和探討發(fā)現(xiàn)，在一次設(shè)備大修期間，把DCS系統(tǒng)進行了改造，方法是把去現(xiàn)場的信號與去電氣室的信號用單獨的空開控制，一旦外部短路或接地，系統(tǒng)只是局部跳閘，不會導(dǎo)致整個站點的設(shè)備全部跳停。并且去現(xiàn)場信號盡量集中在一個或幾個卡件上，這樣出現(xiàn)問題時更換比較方便，不會引起其它的不必要的停機。還應(yīng)把電動機的電流信號集中在一個卡件上，這樣即使有問題電流通道也可相互調(diào)換。 6. 開關(guān)量信號易接觸不好，建議把DCS柜內(nèi)的DI、DO信號觸點和備用觸點并聯(lián)使用，既延長了中間繼電器的使用壽命，又提高了觸點的可靠性。 7.在設(shè)計系統(tǒng)時還應(yīng)考慮有足夠的余量供增加設(shè)備或者替換有問題的元件。8.更換模塊會造成該站通訊中斷，會使所有的設(shè)備或部分運行的設(shè)備轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場運行，設(shè)備失去連鎖作用，中控員無法操作設(shè)備，更無法了解設(shè)備的運行狀況，容易發(fā)生設(shè)備事故和人身事故，因此建議在不要輕易導(dǎo)致通訊中斷，待設(shè)備檢修和停機維護時更換。 8.我公司有時會出現(xiàn)服務(wù)器死機的現(xiàn)象，需要重啟服務(wù)器才可以正常運行，建議在設(shè)計初期應(yīng)考慮增加備用服務(wù)器。一旦出現(xiàn)主服務(wù)器出現(xiàn)死機的現(xiàn)象，立即自動無擾動地投入備用服務(wù)器來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 9.針對水泥廠窯系統(tǒng)的特點，窯尾現(xiàn)場站和窯頭現(xiàn)場站采用雙機熱備方，案，雙機熱備采用140CHS21000熱備套件，特點是實現(xiàn)了在主站故障情況下可以無擾動切換到從站。 [b]六、結(jié)束語： [/b] 高配制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及功能完善的Quantum DCS系統(tǒng)，為我公司營造了快速穩(wěn)定的智能控制系統(tǒng)。因此說，Quantum DCS系統(tǒng)在我公司3000T/D熟料水泥生產(chǎn)線的應(yīng)用是成功的。由中控員統(tǒng)一集中控制，突出中控室的控制、指揮作用，改善了控制環(huán)境，降低了勞動強度，達(dá)到了減員增效的目的。整個系統(tǒng)具有良好的人機界面，完全滿足工藝需求和生產(chǎn)需要，操作方便，容易掌握，維護簡單，實用性強，是目前PLC控制系統(tǒng)在水泥行業(yè)中一個典型的應(yīng)用實例。 我們成功地響應(yīng)了國家、河南省關(guān)于水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的號召，其先進的工藝和自動化技術(shù)，先進的管理水平以及超前的環(huán)保意識為淘汰落后的水泥生產(chǎn)工藝打造生態(tài)河南作出了應(yīng)有的貢獻。 [b]參考文獻： [/b] [1] 李文裴，施耐德DCS系統(tǒng)在3000 t/d生產(chǎn)線控制中的應(yīng)用 《水泥》 [M] 2005.N0.10 [2]施耐德電氣與水泥行業(yè) 2006