摘 要：針對水泥生產(chǎn)過程，采用Allen-Brdley公司制造生產(chǎn)的ControlLogix5550系列PLC和與其配套的工控組態(tài)軟件，組成兩級DCS控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用效果良好，功能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：水泥; DCS;AB控制系統(tǒng)

0 引言

　　自從美國的Honey Well公司于1975年成功地推出了世界上第一套集散型控制系統(tǒng)以來，經(jīng)歷了20多年的時間，DCS不斷走向成熟并獲得了廣泛的應(yīng)用，已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控的基本裝備，也是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)CIPS/CIMS的重要核心與基礎(chǔ)部分。DCS集計算機技術(shù)、過程控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一身，采用危險分散、控制分散，而操作與管理集中設(shè)計思想，多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，極大程度上滿足了現(xiàn)代化生產(chǎn)和管理要求。本文利用某水泥廠對老生產(chǎn)線進行改造的時機，采用基于AB PLC的兩級 DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控。改造后大大改善了原簡易控制系統(tǒng)在備件、維護、管理等諸方面的弊端，生產(chǎn)效率提高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，取得了良好效果和經(jīng)濟效益。[1]

1 生產(chǎn)流程及工藝要求

　　生產(chǎn)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(zhuǎn)窯對生料連續(xù)加熱，使其經(jīng)過一系列物理化學(xué)反應(yīng)變成熟料。整個熟料生產(chǎn)過程可以分為以下四個階段：①干燥、預(yù)熱。生料經(jīng)卸料、計量系統(tǒng)，再經(jīng)氣力輸送和高效斗提機喂入五級旋風(fēng)筒預(yù)熱器，由熱風(fēng)進行干燥、加熱到一定溫度。②分解。經(jīng)干燥預(yù)熱后的物料進入分解爐，從冷卻機抽來的熱風(fēng)送入分解爐旋渦室，使物料進一步升溫，完成分解。③煅燒。經(jīng)預(yù)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(zhuǎn)窯進行煅燒。④冷卻。煅燒后的熟料進入窯頭蓖冷機系統(tǒng)進行熟料冷卻，再經(jīng)盤式輸送機輸送到熟料儲庫。

　　為保證窯系統(tǒng)的良好的燃料燃燒和熱傳遞條件，從而保證窯系統(tǒng)的最佳的穩(wěn)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(shù)字量輸入（DI）282點，數(shù)字量輸出（DO）163點。模擬量輸入信號包括設(shè)備調(diào)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(shè)備調(diào)速、擋板開度等信號的輸出給定;數(shù)字量輸入信號包括備妥、設(shè)備運行、故障、各種限位開關(guān)、保護開關(guān)等發(fā)出的信號;數(shù)字量輸出信號包括各臺設(shè)備的驅(qū)動信號。[2]

2 控制系統(tǒng)組成

　　考慮到水泥生產(chǎn)線自控系統(tǒng)開關(guān)量占I/O總量的75%以上，自動調(diào)節(jié)回路數(shù)占模擬量I/O的3%，因此，從經(jīng)濟角度出發(fā)，自控系統(tǒng)采用基于PLC的兩級DCS控制系統(tǒng)，由下位機（PLC）和上位機（工控機）構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)備選用美國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。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(zé)完成數(shù)據(jù)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(shè)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(chǎn)工藝過程的監(jiān)視、操作、控制，每個工控機之間由ETHERNET連接，形成局域網(wǎng)，并且每個工控機分別由KTC（A、B網(wǎng)）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(guān)設(shè)備的狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)通過激光打印機輸出，當(dāng)參數(shù)超限時，顯示屏顯示報警信息，并通過聲音警示?？刂凭W(wǎng)絡(luò)采用Allen-Brdley同軸專用網(wǎng)線、冗余的雙網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)，速率為5Mbps，網(wǎng)絡(luò)掃描時間設(shè)定為15ms，系統(tǒng)通訊通過ControlNet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)下位機 PLC與上位機工作站之間的信息交換，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址為18個。

　　從控制精度、I/O點數(shù)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(chǎn)的ControlLogix5550系列PLC。鑒于水泥工業(yè)粉塵較大的特點，為保證 DCS系統(tǒng)電器動作的可靠性，DI/DO模板均采用220V AC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-Brdley OEM產(chǎn)品（加拿大生產(chǎn)），用于煤粉稱重倉、原料均化稱重倉計量轉(zhuǎn)換（將mV/V信號變換為PLC系統(tǒng)接收的數(shù)字信號）。AO模板采用標準型，可組態(tài)為：4～20mA或1～5V及0～10V。窯頭及窯尾PLC組成分別見表3-1和3-2所示。

　　表3-1 窯頭PLC組成

　　表3-2 窯尾PLC組成

　　上位機作為操作員終端監(jiān)控站，用以實現(xiàn)集中監(jiān)測、控制和管理的思想。上位工控機選用Pentium Ⅲ處理器、最小128M內(nèi)存、八倍速SCSI光驅(qū)、最小9GB SCSI硬盤、30功能鍵鍵盤、3.5″軟驅(qū)、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(jiān)控軟件

　　控制系統(tǒng)硬件大多為Allen-Braley公司的產(chǎn)品，其配套開發(fā)軟件上位機用RSView 32軟件進行工作站界面設(shè)計，下位機用RSLogix5550編程軟件實現(xiàn)。另外，網(wǎng)絡(luò)管理用RSNetWorx軟件以及網(wǎng)絡(luò)通訊用RSLinx軟件來完成網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換。

　　3.1 PLC控制程序設(shè)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(nèi)設(shè)備按起動順序排列。系統(tǒng)聯(lián)鎖信號分為設(shè)備聯(lián)鎖、工藝聯(lián)鎖及起動聯(lián)鎖。窯尾窯中系統(tǒng)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(tǒng)控制分組為15組，共控制電機35臺、電磁閥2個。

　　本控制系統(tǒng)的馬達控制采用“機旁優(yōu)先”的方式，即在機旁設(shè)有帶鑰匙的轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)有三個位置：機旁（L）、零位（O）、集中（C）。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)指向“L”時，在機旁可以進行開停操作，中控不能控制;轉(zhuǎn)換開關(guān)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(shè)備停車，中控的操作臺上發(fā)出故障報警;當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)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(shè)備檢修時的安全。

　　每臺馬達與控制系統(tǒng)的信號聯(lián)系一般有：

　　備妥RD（DI）：馬達已準備好允許系統(tǒng)起動;

　　驅(qū)動DR（DO）：系統(tǒng)在邏輯條件滿足的情況下，輸出信號驅(qū)動設(shè)備動作;

　　應(yīng)答RN（DI）：設(shè)備運行后，控制接觸器的輔助觸點給系統(tǒng)以應(yīng)答。

　　為保證重要工藝參數(shù)穩(wěn)定，利用PLC的PID功能指令，組成預(yù)熱器五級筒出口氣體溫度、蓖冷機蓖速等18個閉環(huán)控制回路，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

　　下位機的控制程序用RSLogix 5550編程實現(xiàn)，按照單一功能的模塊化設(shè)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(shè)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(shè)計

　　上位機應(yīng)用軟件：計算機操作系統(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、用于工作站畫面設(shè)計的RSView 32;其它工具軟件包括AutoCAD 2000、Excel、Word等。

　　上位工作站開發(fā)的軟件程序包括：工作站各系統(tǒng)工藝畫面流程、狀態(tài)、操作方式;工藝、電氣參數(shù)的實時趨勢及歷史趨勢;工藝及電氣的故障實時報警;生產(chǎn)日報、事件報表、時報等。

　　本系統(tǒng)工藝流程界面呈立體效果，界面背景顏色與設(shè)備顏色、參數(shù)顏色搭配。操作配以熱鍵、模擬按鈕、觸摸等多種方式進行。為防止誤操作而退出控制系統(tǒng)，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(tǒng)的安全性。操作員可按時間（數(shù)據(jù)保留10天）隨時調(diào)出工藝參數(shù)趨勢。[4]

　　界面中設(shè)備的狀態(tài)顯示分為備妥、故障、運行3種，定義實體綠色為設(shè)備運行狀態(tài)，實體紅色為停機狀態(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)（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(shè)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(tǒng)界面均加有緊急停車按鈕，在起動或停止設(shè)備時均有再次確認過程，組與組之間的聯(lián)鎖通過模擬按鈕燈的狀態(tài)明確指示，以確保操作安全、可靠。在監(jiān)控界面設(shè)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(shù)，以便對設(shè)備的運行狀況給予決策。系統(tǒng)概貌界面如圖2所示。

4 結(jié)束語

　　本文創(chuàng)新點：結(jié)合水泥生產(chǎn)的特點，采用AB PLC及配套的編程軟件RSLogix5000、RSView 組成經(jīng)濟實用的監(jiān)控系統(tǒng)，通過上位機（工控機）和下位機（PLC）之間的數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的邏輯控制，并對生產(chǎn)工藝流程進行自動監(jiān)控。

　　該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計合理、功能穩(wěn)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(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、性價比高。投入運行使用后，運行狀況良好，達到預(yù)期控制要求，生產(chǎn)效率提高，取得了明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制的良好效果，具有較高的推廣和應(yīng)用價值。

參考文獻

　　[1] 周澤魁.控制儀表與計算機控制裝置[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

　　[2] 王蕊等.水泥熟料煅燒過程自動監(jiān)控設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2007,23（01）: 90,91,280.

　　[3] Logix5550 Controller用戶手冊,Allen-Brdley公司,2002.

　　[4] RSView用戶手冊（上、下冊）,Allen-Brdley公司,2002