AB控制系統在水泥生產中的應用
0 引言
自從美國的HoneyWell公司于1975年成功地推出了世界上第一套集散型控制系統以來，經歷了20多年的時間，DCS不斷走向成熟并獲得了廣泛的應用，已成為現代工業生產過程監控的基本裝備，也是現代工業企業CIPS/CIMS的重要核心與基礎部分。DCS集計算機技術、過程控制技術、網絡通信技術于一身，采用危險分散、控制分散，而操作與管理集中設計思想，多層分級、合作自治的結構形式，極大程度上滿足了現代化生產和管理要求。本文利用某水泥廠對老生產線進行改造的時機，采用基于ABPLC的兩級DCS控制系統，實現對生產過程的自動監控。改造后大大改善了原簡易控制系統在備件、維護、管理等諸方面的弊端，生產效率提高，產品質量穩定，取得了良好效果和經濟效益。[1]
1 生產流程及工藝要求
生產水泥熟料采用的主要原料是石灰石、粘土和鐵粉，將這些原料按一定比例配合粉磨后，制成生料，然后，以煤為燃料用水泥回轉窯對生料連續加熱，使其經過一系列物理化學反應變成熟料。整個熟料生產過程可以分為以下四個階段：①干燥、預熱。生料經卸料、計量系統，再經氣力輸送和高效斗提機喂入五級旋風筒預熱器，由熱風進行干燥、加熱到一定溫度。②分解。經干燥預熱后的物料進入分解爐，從冷卻機抽來的熱風送入分解爐旋渦室，使物料進一步升溫，完成分解。③煅燒。經預熱器、分解爐后大體完成了碳酸鹽分解的物料進入水泥回轉窯進行煅燒。④冷卻。煅燒后的熟料進入窯頭蓖冷機系統進行熟料冷卻，再經盤式輸送機輸送到熟料儲庫。
為保證窯系統的良好的燃料燃燒和熱傳遞條件，從而保證窯系統的最佳的穩定的熱工制度，工藝要求模擬量輸入（AI）165點，模擬量輸出（AO）32點，數字量輸入（DI）282點，數字量輸出（DO）163點。模擬量輸入信號包括設備調速、擋板開度、溫度、壓力、流量、電機功率、電機電流等信號的輸出給定;模擬量輸出信號包括設備調速、擋板開度等信號的輸出給定;數字量輸入信號包括備妥、設備運行、故障、各種限位開關、保護開關等發出的信號;數字量輸出信號包括各臺設備的驅動信號。[2]
2 控制系統組成
考慮到水泥生產線自控系統開關量占I/O總量的75%以上，自動調節回路數占模擬量I/O的3%，因此，從經濟角度出發，自控系統采用基于PLC的兩級DCS控制系統，由下位機（PLC）和上位機（工控機）構成，系統結構圖如圖1所示。系統設備選用美國Allen-Brdley公司制造生產的ControlLogix5550系列產品，控制網絡為A-BControlNet。過程控制級包括四個控制站：原料站、煤磨站、窯尾站和窯頭站，負責完成數據的采集和處理，并接受上位機指令對電磁閥、高低壓電機、交直流電機、喂煤計量稱等設備進行控制。過程管理級（操作站）由四臺工控機組成，完成生產工藝過程的監視、操作、控制，每個工控機之間由ETHERNET連接，形成局域網，并且每個工控機分別由KTC（A、B網）卡連接下位的PLC控制器，每個框架之間也通過KTC卡相連接，可按操作員指令信息，隨時將相關設備的狀態和運行數據通過激光打印機輸出，當參數超限時，顯示屏顯示報警信息，并通過聲音警示。
控制網絡采用Allen-Brdley同軸專用網線、冗余的雙網星型結構，速率為5Mbps，網絡掃描時間設定為15ms，系統通訊通過ControlNet網絡實現下位機PLC與上位機工作站之間的信息交換，網絡節點地址為18個。
從控制精度、I/O點數和掃描速度等方面考慮，下位機選用美國Allen-Brdley公司制造生產的ControlLogix5550系列PLC。鑒于水泥工業粉塵較大的特點，為保證DCS系統電器動作的可靠性，DI/DO模板均采用220VAC類型。AI模板主要類型為：差分雙端4～20mA型、熱電阻（PT-100）型、熱電偶（mV）型、稱重（mV）模板4種類型。其中“稱重型”模板為Allen-BrdleyOEM產品（加拿大生產），用于煤粉稱重倉、原料均化稱重倉計量轉換（將mV/V信號變換為PLC系統接收的數字信號）。AO模板采用標準型，可組態為：4～20mA或1～5V及0～10V。
上位機作為操作員終端監控站，用以實現集中監測、控制和管理的思想。上位工控機選用PentiumⅢ處理器、最小128M內存、八倍速SCSI光驅、最小9GBSCSI硬盤、30功能鍵鍵盤、3.5″軟驅、支持1024×768×65K色顯卡，并配置彩色漢化顯示屏及激光打印機。[3]
3 監控軟件
控制系統硬件大多為Allen-Braley公司的產品，其配套開發軟件上位機用RSView32軟件進行工作站界面設計，下位機用RSLogix5550編程軟件實現。另外，網絡管理用RSNetWorx軟件以及網絡通訊用RSLinx軟件來完成網絡之間的信息交換。
3.1PLC控制程序設計
下位各站按操作順序及操作要求分成若干“組”，馬達的起停按組操作，組內設備按起動順序排列。系統聯鎖信號分為設備聯鎖、工藝聯鎖及起動聯鎖。窯尾窯中系統控制分組為12組，共控制電機23臺、電磁閥等閥門29個，窯頭系統控制分組為15組，共控制電機35臺、電磁閥2個。
本控制系統的馬達控制采用“機旁優先”的方式，即在機旁設有帶鑰匙的轉換開關，轉換開關設有三個位置：機旁（L）、零位（O）、集中（C）。當轉換開關指向“L”時，在機旁可以進行開停操作，中控不能控制;轉換開關指向“C”時，由中控進行控制，機旁不能操作，但停車按鈕仍起作用，在集中方式下，遇到緊急情況，可按下停車按鈕，使設備停車，中控的操作臺上發出故障報警;當轉換開關處于零位時，馬達的二次回路斷開，不論是集中還是機旁都不能操作，以保障設備檢修時的安全。
每臺馬達與控制系統的信號聯系一般有：
備妥RD（DI）：馬達已準備好允許系統起動;
驅動DR（DO）：系統在邏輯條件滿足的情況下，輸出信號驅動設備動作;
應答RN（DI）：設備運行后，控制接觸器的輔助觸點給系統以應答。
為保證重要工藝參數穩定，利用PLC的PID功能指令，組成預熱器五級筒出口氣體溫度、蓖冷機蓖速等18個閉環控制回路，實現自動調節。
下位機的控制程序用RSLogix5550編程實現，按照單一功能的模塊化設計方法，編制各組控制程序。編程中，除使用順序指令以外，還使用了一些功能指令，來簡化程序設計，減少程序代碼的長度以提高工作速度。
3.2工控機軟件設計
上位機應用軟件：計算機操作系統采用Windows2000中文版。組態、編程軟件包括用于程序開發的RSLogix5000、用于ControlNet管理的RSNetWorx、用于網絡通訊的RSLinx、用于工作站畫面設計的RSView32;其它工具軟件包括AutoCAD2000、Excel、Word等。
上位工作站開發的軟件程序包括：工作站各系統工藝畫面流程、狀態、操作方式;工藝、電氣參數的實時趨勢及歷史趨勢;工藝及電氣的故障實時報警;生產日報、事件報表、時報等。
本系統工藝流程界面呈立體效果，界面背景顏色與設備顏色、參數顏色搭配。操作配以熱鍵、模擬按鈕、觸摸等多種方式進行。為防止誤操作而退出控制系統，采用登錄和退出登錄的方式，以Password賦予維護工程師，提高系統的安全性。操作員可按時間（數據保留10天）隨時調出工藝參數趨勢。[4]
界面中設備的狀態顯示分為備妥、故障、運行3種，定義實體綠色為設備運行狀態，實體紅色為停機狀態，紅色、綠色交替閃爍為不備妥或故障狀態。各工藝參數（包括溫度、壓力、流量、料位、電流、電壓、功率、速度、閥位等）一般在工藝設備的測點附近，綠色為正常，黃色為警示，紅色為嚴重報警。各系統界面均加有緊急停車按鈕，在起動或停止設備時均有再次確認過程，組與組之間的聯鎖通過模擬按鈕燈的狀態明確指示，以確保操作安全、可靠。在監控界面設計中各種保護、報警信號均實時給予聲光警示，同時進入報警記錄，操作員按時間順序可隨時查閱各種報警參數，以便對設備的運行狀況給予決策。系統概貌界面如圖2所示。
4 結束語
本文創新點：結合水泥生產的特點，采用ABPLC及配套的編程軟件RSLogix5000、RSView組成經濟實用的監控系統，通過上位機（工控機）和下位機（PLC）之間的數據通訊，實現生產設備的邏輯控制，并對生產工藝流程進行自動監控。
該監控系統設計合理、功能穩定可靠，改進了操作方式，使得操作簡便、直觀，利用AB控制系統，系統結構靈活、性價比高。投入運行使用后，運行狀況良好，達到預期控制要求，生產效率提高，取得了明顯優于傳統控制的良好效果，具有較高的推廣和應用價值。
自從美國的HoneyWell公司于1975年成功地推出了世界上第一套集散型控制系統以來，經歷了20多年的時間，DCS不斷走向成熟并獲得了廣泛的應用，已成為現代工業生產過程監控的基本裝備，也是現代工業企業CIPS/CIMS的重要核心與基礎部分。DCS集計算機技術、過程控制技術、網絡通信技術于一身，采用危險分散、控制分散，而操作與管理集中設計思想，多層分級、合作自治的結構形式，極大程度上滿足了現代化生產和管理要求。本文利用某水泥廠對老生產線進行改造的時機，采用基于ABPLC的兩級DCS控制系統，實現對生產過程的自動監控。改造后大大改善了原簡易控制系統在備件、維護、管理等諸方面的弊端，生產效率提高，產品質量穩定，取得了良好效果和經濟效益。[1]
1 生產流程及工藝要求
生產水泥熟料采用的主要原料是石灰石、粘土和鐵粉，將這些原料按一定比例配合粉磨后，制成生料，然后，以煤為燃料用水泥回轉窯對生料連續加熱，使其經過一系列物理化學反應變成熟料。整個熟料生產過程可以分為以下四個階段：①干燥、預熱。生料經卸料、計量系統，再經氣力輸送和高效斗提機喂入五級旋風筒預熱器，由熱風進行干燥、加熱到一定溫度。②分解。經干燥預熱后的物料進入分解爐，從冷卻機抽來的熱風送入分解爐旋渦室，使物料進一步升溫，完成分解。③煅燒。經預熱器、分解爐后大體完成了碳酸鹽分解的物料進入水泥回轉窯進行煅燒。④冷卻。煅燒后的熟料進入窯頭蓖冷機系統進行熟料冷卻，再經盤式輸送機輸送到熟料儲庫。
為保證窯系統的良好的燃料燃燒和熱傳遞條件，從而保證窯系統的最佳的穩定的熱工制度，工藝要求模擬量輸入（AI）165點，模擬量輸出（AO）32點，數字量輸入（DI）282點，數字量輸出（DO）163點。模擬量輸入信號包括設備調速、擋板開度、溫度、壓力、流量、電機功率、電機電流等信號的輸出給定;模擬量輸出信號包括設備調速、擋板開度等信號的輸出給定;數字量輸入信號包括備妥、設備運行、故障、各種限位開關、保護開關等發出的信號;數字量輸出信號包括各臺設備的驅動信號。[2]
2 控制系統組成
考慮到水泥生產線自控系統開關量占I/O總量的75%以上，自動調節回路數占模擬量I/O的3%，因此，從經濟角度出發，自控系統采用基于PLC的兩級DCS控制系統，由下位機（PLC）和上位機（工控機）構成，系統結構圖如圖1所示。系統設備選用美國Allen-Brdley公司制造生產的ControlLogix5550系列產品，控制網絡為A-BControlNet。過程控制級包括四個控制站：原料站、煤磨站、窯尾站和窯頭站，負責完成數據的采集和處理，并接受上位機指令對電磁閥、高低壓電機、交直流電機、喂煤計量稱等設備進行控制。過程管理級（操作站）由四臺工控機組成，完成生產工藝過程的監視、操作、控制，每個工控機之間由ETHERNET連接，形成局域網，并且每個工控機分別由KTC（A、B網）卡連接下位的PLC控制器，每個框架之間也通過KTC卡相連接，可按操作員指令信息，隨時將相關設備的狀態和運行數據通過激光打印機輸出，當參數超限時，顯示屏顯示報警信息，并通過聲音警示。
控制網絡采用Allen-Brdley同軸專用網線、冗余的雙網星型結構，速率為5Mbps，網絡掃描時間設定為15ms，系統通訊通過ControlNet網絡實現下位機PLC與上位機工作站之間的信息交換，網絡節點地址為18個。
從控制精度、I/O點數和掃描速度等方面考慮，下位機選用美國Allen-Brdley公司制造生產的ControlLogix5550系列PLC。鑒于水泥工業粉塵較大的特點，為保證DCS系統電器動作的可靠性，DI/DO模板均采用220VAC類型。AI模板主要類型為：差分雙端4～20mA型、熱電阻（PT-100）型、熱電偶（mV）型、稱重（mV）模板4種類型。其中“稱重型”模板為Allen-BrdleyOEM產品（加拿大生產），用于煤粉稱重倉、原料均化稱重倉計量轉換（將mV/V信號變換為PLC系統接收的數字信號）。AO模板采用標準型，可組態為：4～20mA或1～5V及0～10V。
上位機作為操作員終端監控站，用以實現集中監測、控制和管理的思想。上位工控機選用PentiumⅢ處理器、最小128M內存、八倍速SCSI光驅、最小9GBSCSI硬盤、30功能鍵鍵盤、3.5″軟驅、支持1024×768×65K色顯卡，并配置彩色漢化顯示屏及激光打印機。[3]
3 監控軟件
控制系統硬件大多為Allen-Braley公司的產品，其配套開發軟件上位機用RSView32軟件進行工作站界面設計，下位機用RSLogix5550編程軟件實現。另外，網絡管理用RSNetWorx軟件以及網絡通訊用RSLinx軟件來完成網絡之間的信息交換。
3.1PLC控制程序設計
下位各站按操作順序及操作要求分成若干“組”，馬達的起停按組操作，組內設備按起動順序排列。系統聯鎖信號分為設備聯鎖、工藝聯鎖及起動聯鎖。窯尾窯中系統控制分組為12組，共控制電機23臺、電磁閥等閥門29個，窯頭系統控制分組為15組，共控制電機35臺、電磁閥2個。
本控制系統的馬達控制采用“機旁優先”的方式，即在機旁設有帶鑰匙的轉換開關，轉換開關設有三個位置：機旁（L）、零位（O）、集中（C）。當轉換開關指向“L”時，在機旁可以進行開停操作，中控不能控制;轉換開關指向“C”時，由中控進行控制，機旁不能操作，但停車按鈕仍起作用，在集中方式下，遇到緊急情況，可按下停車按鈕，使設備停車，中控的操作臺上發出故障報警;當轉換開關處于零位時，馬達的二次回路斷開，不論是集中還是機旁都不能操作，以保障設備檢修時的安全。
每臺馬達與控制系統的信號聯系一般有：
備妥RD（DI）：馬達已準備好允許系統起動;
驅動DR（DO）：系統在邏輯條件滿足的情況下，輸出信號驅動設備動作;
應答RN（DI）：設備運行后，控制接觸器的輔助觸點給系統以應答。
為保證重要工藝參數穩定，利用PLC的PID功能指令，組成預熱器五級筒出口氣體溫度、蓖冷機蓖速等18個閉環控制回路，實現自動調節。
下位機的控制程序用RSLogix5550編程實現，按照單一功能的模塊化設計方法，編制各組控制程序。編程中，除使用順序指令以外，還使用了一些功能指令，來簡化程序設計，減少程序代碼的長度以提高工作速度。
3.2工控機軟件設計
上位機應用軟件：計算機操作系統采用Windows2000中文版。組態、編程軟件包括用于程序開發的RSLogix5000、用于ControlNet管理的RSNetWorx、用于網絡通訊的RSLinx、用于工作站畫面設計的RSView32;其它工具軟件包括AutoCAD2000、Excel、Word等。
上位工作站開發的軟件程序包括：工作站各系統工藝畫面流程、狀態、操作方式;工藝、電氣參數的實時趨勢及歷史趨勢;工藝及電氣的故障實時報警;生產日報、事件報表、時報等。
本系統工藝流程界面呈立體效果，界面背景顏色與設備顏色、參數顏色搭配。操作配以熱鍵、模擬按鈕、觸摸等多種方式進行。為防止誤操作而退出控制系統，采用登錄和退出登錄的方式，以Password賦予維護工程師，提高系統的安全性。操作員可按時間（數據保留10天）隨時調出工藝參數趨勢。[4]
界面中設備的狀態顯示分為備妥、故障、運行3種，定義實體綠色為設備運行狀態，實體紅色為停機狀態，紅色、綠色交替閃爍為不備妥或故障狀態。各工藝參數（包括溫度、壓力、流量、料位、電流、電壓、功率、速度、閥位等）一般在工藝設備的測點附近，綠色為正常，黃色為警示，紅色為嚴重報警。各系統界面均加有緊急停車按鈕，在起動或停止設備時均有再次確認過程，組與組之間的聯鎖通過模擬按鈕燈的狀態明確指示，以確保操作安全、可靠。在監控界面設計中各種保護、報警信號均實時給予聲光警示，同時進入報警記錄，操作員按時間順序可隨時查閱各種報警參數，以便對設備的運行狀況給予決策。系統概貌界面如圖2所示。
4 結束語
本文創新點：結合水泥生產的特點，采用ABPLC及配套的編程軟件RSLogix5000、RSView組成經濟實用的監控系統，通過上位機（工控機）和下位機（PLC）之間的數據通訊，實現生產設備的邏輯控制，并對生產工藝流程進行自動監控。
該監控系統設計合理、功能穩定可靠，改進了操作方式，使得操作簡便、直觀，利用AB控制系統，系統結構靈活、性價比高。投入運行使用后，運行狀況良好，達到預期控制要求，生產效率提高，取得了明顯優于傳統控制的良好效果，具有較高的推廣和應用價值。
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