低成本集成计算机控制在水泥厂的应用

低成本集成计算机控制在水泥厂的应用
赵中泉 林钟云
1 引言
　　随着计算机技术、控制技术、通讯技术和CRT技术的迅猛发展，计算机控制系统在工业过程控制领域发挥了重要的作用，创造了不可忽视的经济效益和社会效益。虽然电子产品的价格不断下降，导致了以电子产品为基础的计算机控制系统的价格亦有较大辐度的降低，但是这种价格下降仍然不能满足工业企业尤其是中小规模工业企业的要求，如何降低工业过程计算机控制的成本，成了各行各业从事自动化控制的工程技术人员研究的新课题。本文根据我院多年从事水泥工业自动化设计的实践、主要介绍低成本集成计算机控制在水泥工业中的应用。
2 水泥工厂的计算机控制及其低成本考虑
　　　水泥工厂的自动化控制起始于40年代，经历了仪表化分车间控制、操作人员监控生产过程的集中控制和生产过程的计算机控制等几个阶段。其中计算机控制逐步从数字直接模拟控制（DDAC或DAC）、直接数字控制（DDC）、发展到集散控制系统（DCS）。水泥工厂的计算机控制与其它工业系统的控制一样，大多采用多层递阶控制策略，一般可由四至七层组成，这样一个多层控制系统，虽然层次清楚，功能齐全，但结构复杂，势必导致系统成本增加，为了降低投资，在不丧失系统功能的情况下，应尽可能简化系统结构，根据水泥厂的实际，一般只需二至三层即可满足应用要求，其控制结构模式见图1所示。
　　　图1中，第一层直接控制层，可由多个相互独立的子系统组成，直接与各类现场设备相连，主要完成各种数据采集和直接控制功能；第二层操作监视层，综合监视整个工艺生产过程的全部信息，集中显示操作、控制回路组态和参数修改等；第三层管理层，负责全厂的生产管理、信息管理和调度管理等，其中相邻两个层次之间可以通过网络通讯实现双向数据和信息交换。在水泥厂的控制中，第三层通常直接挂在第一、二层次的通讯网络上完成全部管理功能。
　　　目前，国内大中型水泥厂的计算机控制通常采用集散型控制系统（DCS）来实现，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。虽然集散控制系统以其杰出的特点对广大水泥企业有强大的吸引力，但其昂贵的硬件费用、软件开发费和调度费（国外报价），令诸多水泥厂可望而不可及，即使应用软件由国内自行编制，其硬件费用一般用户也难以承受，从而限制了DCS系在水泥工业过程控制中的广泛应用，所以降低DCS系统的硬件费用，是计算机控制系统在水泥厂推广应用的前提。
3 低成本集成计算机控制实例
　　　我院作为专业水泥工业设计研究院，对水泥厂计算机控制的研究进行了积极的努力和有益的尝试，在集成计算机控制系统降低成本方面取得了较成功的应用经验。以下介绍3个应用实例。
3.1 浩良河水泥厂的DCS控制系统
　　　浩良河水泥厂是我院设计的国产化2000t/d水泥生产线，对这样的大型水泥企业来说，自动化控制水平如何，直接关系到达产达标能否顺利进行。经过询价，如对主要生产车间采用DCS系统进行控制，仅硬件设备价格最低的国外供货商也需60万~70万美元。由于该厂资金缺口比较大，全套引进DCS系统对整个生产工艺进行控制是不可能的。为了节省投资，同时又确保了该厂的自动化控制水平处于国内领先地位，我院工程技术人员大胆地将PLC引进DCS系统，融二者为一体，集成了浩良河水泥厂的分布式计算机控制系统（见图2），既发挥了DCS系统处理模拟信号和回路控制的优势以及灵活的组态功能，又发挥了PLC强有力的处理开关信号的能力，在保证控制系统性能满足要求的情况下，较大幅度地降低了系统投资。与国外报价相比，整个集成控制系统价格降低了20%~30%，为该厂节省了100多万元人民币。
　　　由图可见，系统通讯网络和PLC处理器均采用了冗余配置，提高了系统的可靠性。
　　　该系统1994年底进行现场调试、投运、获得了成功并顺利通过考核，1997年8月通过了部级验收。实践证明，DCS与PLC组成的集成控制系统是切实可行的。完全能适应2000t/d水泥厂的自动化控制，它不但保持了DCS系统的全部功能，而且降低了系统投资，是值得向大中型水泥厂的自动控制，它不但保持了DCS系统的全部功能，而且降低了系统投资，是值得向大中型水泥企业推荐的控制方案，这种集成控制系统结构已在巴基斯坦2条2000t/d水泥生产线上推广应用，并获得成功。
3.2 微机联网控制系统在淮海水泥厂技改工程中的应用
　　　 淮海水泥厂3000t/d熟料水泥生产线是60年代从罗马尼亚引进的，其自动化控制亦属配套引进，采用继电器一接触器控制加仪表盘操作的模式，全系统技术装备陈旧，可靠性差、故障多、维修不方便、功能少、控制不灵活、无法真实反映生产过程的变化。为使淮海水泥厂摆脱困境，在我院承担该厂主生产线的技术改造项目的同时，面对技改资金严重不足的现状，我们采用了图3的微机两级联网控制系统对整个烧成系统的电气自动化控制进行了全面改造。
　　　由图3可见，微机联网控制系统由上位机管理系统和下位机控制系统两部分组成。上位机系统由两台COMPAQ主机，配置键盘、显示器和两台打印机，两台主机通过NETWORK联成网络，互为热备，共享信息，另设置一台调度管理计算机，通过一对调制解调器（modem）与主机相联；下位机系统采用德国西门子公司的SIMATIC S5-135U可编程序控制器，配有主机架、扩展机架、CPU模块、接口模块、自诊断模块、通讯处理器模块和I/O模块；上下位机之间通过串行通讯实现双向数据和信息交换。该微机联网控制系统具有DCS系统的优点，但其价格仅为DCS系统价格的30%~50%，对资金短缺的淮海水泥厂技改工程来说，无疑是既经济实惠，又相对先进的控制系统方案。该系统1991年9月到现场调试，投入使用，获得了良好的效果，为整个技改工程的成功完全起到了积极的促进作用。微机联网控制系统与NFC分解炉改造和篦冷机的改造共同通过了国家建材局组织的部级鉴定，并获得部级科技进步二等奖和国家科技进步三等奖。
3.3 福建水泥股份公司水泥粉磨控制系统
　　　　福建水泥股份公司是一个有2台立窑，3台回转窑，年产量100万t以上的上市公司。近年来，公司通过技术改造和优化操作等措施，熟料产量逐年提高，原有水泥粉磨系统的粉磨能力已不能满足实际需要，决定新建一条水泥粉磨系统以提高粉磨能力，我院承担了该系统的设计任务。该公司原有生产车间电气决定新建一条水泥粉磨系统以提高粉磨能力，我院承担了该系统的设计任务。该公司原有生产车间电气自动化均采用常规仪表继电器控制，为了提高控制水平，公司委托我院设计新增粉磨系统时采用计算机控制。我院对水泥粉磨计算机控制系统进行了研究，考虑到该控制系统将成为全公司的示范，将来可能扩展为全线的控制系统网络和信息管理网络的子系统，本着安全、可靠、经济、实用的原则，我们采用了图4所示的由PLC、工业控制计算机和工控软件组成的水泥粉磨集成计算机控制系统。
　　　　该系统中，2台工控机采用研华公司的IPC610，PLV采用AB公司的PLC-5/30，工控机与PLC通过DH+通讯网络连接，实现双向数据传输。该系统的价格仅是某些具有同样配置的小型DCS系统价格的一半，为公司节省了投资，尤其是将来系统扩展时更能节省大笔费用。该系统无疑是一种具有开放性、灵活性、扩展性的低成本集成计算机控制系统。
4 低成本集成计算机控制策略的几点建议
　　　 低成本集成计算机控制对工业应用领域具有很强的吸引力，将低成本集成技术应用于生产实践应考虑以下几个方面：
(1) 系统集成时不能片面追求低价格，必须在保证系统性能的前提下，追求较高的性能价格比。
(2) 水泥厂的特点是模拟信号少，开关信号多，模拟信号主要用于显示监视生产过程，控制回路少，顺序控制和逻辑控制功能强，将DCS系统与PLC系统融为一体，发挥各自的优势，是大中型水泥厂降低投资进行系统集成的优选方案。
(3) 由于PLC技术发展迅速，目前也具有很强的处理模拟信号的能力，以工业控制计算机和PLC为基础集成的分散型控制系统，配以灵活的组态软件，在价格和功能上均具有很强的竞争优势，可以在中小型企业推广应用。
(4) 充分考虑的可靠性，根据实际情况可局部采用冗余配置，或离线备份关键部件，不能以牺牲可靠性来换取低成本。
(5) 低成本集成计算机控制策略是一个全面性、长期策略。系统集成时要有全局和发展的观念，考虑系统开放性、扩展性，为将来系统的扩展、升级和整个企业内部的全局联网留有余地。即要有全局低成本和长远低成本的观念。
(6) 低成本控制策略应该是综合投资低，系统集成考虑到与电气自动化控制相关的其它设备的投资问题，例如现场控制站的数量及位置要考虑到节省电缆桥架及电缆的投资等。
(7) 集成系统要考虑系统的网络通信功能、CPU的处理能力和存储容量，选择合适的通信价质和速度，要避免CPU能力及通信速度低等原因引起的控制滞后，数据和画面刷新慢，甚至系统死机现象，导致系统能力下降。
(8) 系统操作维护方便，结构层次和功能清晰，软件、硬件组态灵活。
5 结束语
　　　低成本集成计算机控制已逐渐被水泥工业的用户们所认识和接受，我院在工程设计中，也取得了比较成功的应用经验。实践证明，低成本集成计算机控制系统完全能满足水泥工厂生产过程的自动化控制，是值得向水泥企业特别是中小水泥厂和老厂技术改造推荐的控制策略。