新型干法水泥生产的分布式控制

　　1  引  言

　　水泥生产做为传统产业，已有160多年的发展历史，其生产技术从最早的立窑、回转窑、立波尔窑发展到了预分解窑技术，从而使水泥工业生产技术有了重大突破。立磨、辊压机、原料预均化、生料均化以及X射线荧光分析等技术的发展和应用使水泥生产的熟料质量明显提高，能耗进一步降低，由于应用了电子计算机和自动控制技术，许多先进的水泥厂都已经采用了全厂集中控制，巡回检测的方式，在矿山开采、生料和烧成车间、以及包装和发运等工序都实现了自动控制。随着水泥企业生产结构调整，截至2007年底新型干法生产技术的比例已达55％。大多新型干法厂生产工艺流程多采用技术成熟的DCS(Distributed Control System)即分散性控制系统，也称集散型控制系统。DCS是以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接，一起实施实时工业过程的控制与监视，实现了控制系统的功能分散、负荷分散，从而危险也分散，克服了集中式计算机控制系统的负荷集中、危险集中的弱点。

　　从80年代以来DCS经历了四个发展阶段，随着控制技术、计算机技术、网络技术和信息技术的发展，各种控制技术融合、集成的DCS系统不断被应用到生产实践中，在水泥行业出现了基于PLC(可编程控制器)的DCS系统、基于现场总线技术的DCS系统等分布式控制方式，另外先进的智能控制技术例如模糊控制等也应用到了水泥生产控制中，随着计算机、通信网络等信息技术的飞速发展，水泥工业的自动控制系统正向着智能化、数字化和网络化方向迈进，传统的集散控制系统和计算机分层控制方式也开始向智能终端与网络结合的现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)方向发展。

　　本文讨论了目前最先进的基于PLC和现场总线技术的水泥生产DCS控制模式，同时提出了应用于新型干法水泥生产的FCS的结构型式。

　　2  基于PLC和现场总线技术的DCS

　　2．1 PLC技术的应用

　　PLC(Programmable Logic Controller)是采用微电脑技术制造的通用的自动控制设备，在工业自动化领域得到了相当广泛的应用，被公认为现代工业自动化三大支柱(PLC、机器人、CAD／DAM)之一。PLC主要由CPU、存储器(ROM和RAM)、I／O接口以及编程器四部分组成。PLC系统主要特点是：工作可靠，运行速度快；积木式结构，组合灵活；良好的兼容性；程序编制及生成简单、丰富；网络功能强。PLC系统能很好地完成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能；能够完成模／数(A／D)、数／模(D／A)转换、数据处理、通信联网、实时监控等功能。

　　由于水泥生产线的自动化控制开关量约占总的输入输出点的75％，且控制过程主要以顺序控制、连锁控制为主，而且，近年来开发了具有智能I／O模块的PLC，它可以将顺序控制和过程控制结合在一起，实现对生产过程的控制，因此PLC可以作为DCS系统的过程控制层的控制站。

　　2．2  现场总线技术

　　控制、计算机、通信、网络等技术的发展，导致了自动化领域的深刻变革。信息技术的飞速发展，使得自动化系统结构逐步形成全分布式网络集成自控系统。现场总线(fieldbus)正是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。目前，比较具有影响力的现场总线有：基金会现场总线(FF，Foundation Fieldbus)、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是当前最为流行的现场总线技术之一，也是最适合应用于生产过程控制的一种总线型式，而且为全数字化现场总线协议。

　　PROFIBUS是德国90年代初制定的国家工业现场总线协议标准。代号DINl9245。PROFIBUS于1996年成为欧洲标准EN50170，1999年底成为国际标准IEC61158的组成部分，已被全世界接受。

　　现场总线技术将专用微处理器置入传统的测控制仪表中，使它们各自都具有数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通讯协议，在位于现场的多个微机化测控设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

　　2.2.1  现场总线系统的技术特点

　　(1)系统的开放性

　　开放是指对相关标准的一致性、公开性。一个开放系统可以与世界上任何遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线的开发就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。

　　(2)互可操作性与互用性

　　互可操作性是指能实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点的数字通讯，而互用则意味着不同厂家的性能类似的设备可以实现相互替换。

　　(3)现场设备的智能化与功能自治

　　它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备就可以完成自动控制的基本功能，并可随时诊断并上传设备的运行状态。

　　(4)系统机构的高度分散性

　　由于现场设备本身已可以完成自动控制的基本功能，使现场总线构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统的体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

　　(5)对现场环境的适应性

　　工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通讯，并可以满足本质安全防爆要求等。

　　2.2.2 现场总线的优点

　　由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

　　(1)节省硬件数量与投资

　　由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能够直接执行多种传感控制报等和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资。并可以减少控制室的占地面积。

　　(2)节省安装费用

　　现场总线系统的接线非常简单，一对双绞线或一根电缆上通常可以将整个控制系统的测量控制设备物理连接，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原来的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

　　(3)节省维护开销

　　由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构变化，连线简单而减少了维护工作量，节约了维护费用。

　　(4)用户具有高度的系统集成主动权

　　用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免了因选择某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。

　　(5)提高了系统的准确性和可靠性

　　由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精度，减少了传送误差。同时由于系统的结构简化，从设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号饿往返传输，提高了系统的工作可靠性。

　　2.3  基于PLC和现场总线技术的DCS系统

　　随着PLC技术、单片机技术和现场总线技术的发展，多种控制技术集成的DCS作为向FCS过渡的控制技术在现阶段显示出了其优异的控制性能。目前最为完善的就是基于PLC和现场总线技术的第四代DCS。

　　2．3．1系统的层次结构

　　如图l所示。整个DCS系统分为三层，最上层为操作管理级，由监督计算机、工程师站、操作员站和CRT等设备组成，第二层为控制管理级，由PLC组成两个控制站，第三层为采用现场总线技术的过程控制级组成。根据水泥生产的特点，分成了生料磨、煤磨、窑尾废气处理、窑头和水泥磨五个过程站。

图1  基于PLC和现场总线的DCS结构

　　2．3．2 系统的设计组成

　　根据水泥生产线的工艺特点，我们在窑尾预热器、窑头篦冷机等热工测控点集中的区域，原料立磨、原料调配秤等数据量较大的配套设备中局部采用现场总线方案，而在测控点较为分散的其它区域仍采用传统的DCS分布式控制。这样就可以充分发挥现场总线技术的优势和特点，减少大量隔离器、端子柜、I／O模块及大量电缆和电缆桥架，而且现场总线技术的应用还可以提高信号的测量、传输和控制精度，以及系统与设备的性能，真正形成分散在现场的完整的控制系统，增强控制系统运行的可靠性，同时也不会造成对原有DCS系统中仪表和控制设备的大量浪费，同时弥补了传统DCS系统的开放性问题、系统和现场仪表的通信问题。

　　系统网络采用以太网和现场总线混合型结构，现场层的通信采用PROFIBUS-DP主／从协议，使用屏蔽双绞线作为传输介质，不同的子网和不同介质之间可通过藕合器或接口模块连接。

　　过程监控层使用以太网协议，通过带有双网卡的PLC进行通信协议的转换，一块网卡为PROFIBUS-DP网卡，另一块为以太网卡。因此，PLC作为现场总线中的一个站，又作为以太网上的一个站点，而操作员站计算机和工程师站计算机不作为现场总线网络中的站点。只作为以太网中的节点，此网上的各站点相互之间的数据交换通过以太网进行，而现场的信息也通过以太网从PLC的寄存器中读取，控制现场的参数也由以太网送到DP主站PLC的寄存器中，再通过主／从协议传送到现场总线中的各从站。

　　生产管理层的通信采用TCP/IP协议，为了隔离用于控制生产的以太网。服务器上也带有两块网卡，一个网卡用于监控层之间的数据传输，另一块网卡与其他的局域网相连。这样局城网中的远程计算机，一方面直接访问监控层中的服务器上的动态监视界面，访问数据库中的历史信息，还可与其他的系统如工资、人事系统等连接，实现所有信息共享，形成现代化企业的MIS系统。

　　这样可以将水泥企业的经营管理、计划调度、现场控制集成起来，进行综合信息处理。同时，为了优化通信，减少信号的往返传递，尽可能将同一个控制系统中信号相关的现场设备就近安排在同一总线段上，用现场总线开放性好、可靠性高以及可以高度分散控制等优势，来弥补DCS布线复杂、开放性差的缺陷；用PLC可靠性高、价格便宜、配置灵活、适合用于工业控制现场等优势，来弥补现场总线智能现场测量、控制设备价格较高的缺陷；用DCS编程运算好、易于组态的优势，来弥补PLC不适用于复杂网络控制的不足，充分发挥三种控制技术的各自特点，达到取长补短，优势互补。

　　3  FCS在新型干法水泥生产中的应用

　　现场总线控制系统FCS(fieldbus control system)，是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的基于现场总线的新一代控制系统。

　　现场总线是指制造、生产过程中从控制室到现场仪表装置之间的数据总线，实现现场仪表与计算机控制之间的全数字化、高性能、两线制、多支路的通信网络。

　　现场智能仪表使控制系统的接线变得简单。由于每个现场仪表就是一个控制站，测量和控制在现场由现场仪表来完成，而不依赖于系统的操作，与上位监控系统相对独立，这样，现场仪表与系统的接线就简化了。从控制现场到控制中心只需要标准的网络线连接，而且可以多台仪表共用一对电缆，这样大大节约了电缆，以及相应的接线盒等硬件资源，同时也为系统的硬件维护提供了方便，减少了出现问题的可能性。

　　3．1 FCS的结构模式

　　图2  现场总线控制系统

　　如图2所示，FCS通过现场总线技术由DCS的三层控制模式改变为由上位机到生产现场的二层控制模式。系统由过程控制级、操作管理级和系统网络组成。

　　(1)  过程控制级

　　现场过程控制级以过程控制站PS(Proces sion Station)作为硬件基础，主要由完成自动控制功能的控制单元、实现各环节数据采集功能的输入输出站及智能现场总线设备三部分组成。

　　在水泥生产过程中为了便于控制，将生产过程按工艺流程划分成五个PS，即煤磨站、生料磨站、窑尾废气处理站、窑头站和水泥磨过程站，各个子系统的设备启停及工艺参数均由相应站控制，各过程站既相对独立又相互关联，组成一个有机的现场控制层，完成对水泥生产的自动化实时控制。各控制单元可以选择挂接多类现场总线协议设备的总线控制器，它是由带CPU的基本单元及各功能插件组成。整个控制站通过现场总线网采集现场智能仪表的信号，并对这些信号进行自动处理，各PS的数据构成统一的系统实时数据库，经处理后再通过现场总线网输出到现场总线设备，同时通过以太网上传到操作管理层。

　　(2)操作管理级

　　操作管理级类似于DCS系统，由监督计算机、工程师站(ES)、操作员站(OS)和通信设备组成。操作员站是用于生产控制和监视，操作时通过访问工程师站完成对现场设备的监控；工程师站主要用于设计、组态、调试、监视整个系统，正常生产时完成与操作员站和现场站的数据传输，用于设计时，根据工艺要求设计各种控制策略，并将编制的程序下载到现场站。

　　(3)系统通讯网络

　　系统通讯网络分为系统网络和现场控制网络，连接所有水泥生产的自动控制设备，使各层之间、各层内部智能设备之间既相对独立又有机联系。

　　系统网络实现OS、ES和PS间的数据通讯，一般采用TCP／IP协议以太网实现，传输介质大多采用抗干扰能力强的光纤。

　　现场控制网络主要实现PS中的控制器与相应I／O站及总线仪表之间的通讯。可采用Profibus协议的现场总线网实现，传输介质采用Profibus标准通信电缆。

　　3．2 FCS的控制过程

　　PS站的现场总线智能仪表实时采集现场过程信息，并由控制单元进行信号分析和处理，通过系统通讯网络连接操作管理级，在操作管理级通过人机交互设备控制生产过程。整个系统实现了全数字化智能控制。

　　4  结论

　　目前，由于现场总线在国际上尚没有一个统一、唯一的标准，另外总线智能仪表的价格很高，工程投资费用也是一个大问题，而且水泥行业具有调节回路较少、监视参数多的特点，所以FCS完全替代DCS还有一个过程，所以有学者提出传统仪表与现场总线的兼容，即采用标准信号——现场总线转换器把由传感器采集来的DC 4～20mA的模拟信号转换为符合总线协议的数字信号。完成计算、控制等基本控制任务，还对设备的运行状态实时地在线诊断；另外使用现场总线——标准信号转换器将符合总线协议的信号转换为CPU能够识别的信号，再进行计算处理，最后转换为DC 4～20mA的模拟信号，输出到执行机构。