PLC在水泥生產(chǎn)線上的應(yīng)用

1　現(xiàn)狀  

　　近十幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的功能和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，應(yīng)用范圍從原來的邏輯控制發(fā)展到連續(xù)和分批量過程控制，以高可靠、低成本的特點(diǎn)，深受廣大用戶好評(píng)，特別是以PLC為基礎(chǔ)的DCS發(fā)展更快，目前PLC與DCS相互滲透，相互融合，相互競(jìng)爭(zhēng)，已成為當(dāng)今工業(yè)控制系統(tǒng)的生力軍。 
　　
全國(guó)現(xiàn)有的大部分水泥企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備落后，能源消耗高，污染較嚴(yán)重，自動(dòng)化控制水平低，仍然采用常規(guī)的繼電器、接觸器加模擬儀表控制方式，影響了產(chǎn)品質(zhì)量的提高。 
　　
目前由于純DCS控制系統(tǒng)側(cè)重于多種PID算法、比值控制、串級(jí)調(diào)節(jié)等功能，成本較高，而基于PLC的DCS控制系統(tǒng)(下稱PLC控制系統(tǒng))側(cè)重于順序控制等功能，成本相對(duì)較低。對(duì)于整個(gè)控制過程中以開關(guān)量輸入、輸出約占80%的中小型水泥廠來講，從節(jié)省投資的角度來考慮，選擇PLC控制系統(tǒng)是比較合理的。例如:目前700t/d的水泥廠控制系統(tǒng)采用DCS的投資大約需要250萬(wàn)元，而采用PLC控制系統(tǒng)只需190萬(wàn)元，節(jié)約投資約24%。表1列出了江西珠山水泥廠PLC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)分布情況，該廠PLC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開關(guān)量輸入、輸出占79.6%，投資為180萬(wàn)元。  

水泥廠從項(xiàng)目立項(xiàng)開始到建成投產(chǎn)，通常要經(jīng)過可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、工程施工、單機(jī)試車、軟件調(diào)試、聯(lián)動(dòng)試車、試生產(chǎn)等各階段工作，其中施工圖設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)階段對(duì)整體控制水平起著決定性作用，軟件調(diào)試階段是通過對(duì)設(shè)計(jì)的修正和完善，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。同樣，若采用PLC控制系統(tǒng)，也必須做好這些工作，才能實(shí)現(xiàn)水泥廠各階段的過程銜接，使工程項(xiàng)目有條不紊地進(jìn)行下去，從而保證順利建成投產(chǎn)。下面我們結(jié)合實(shí)例，重點(diǎn)從施工圖設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、軟硬件安裝調(diào)試方面進(jìn)行分析和探討。 

2　施工圖設(shè)計(jì) 

　　 
2.1　控制方式及設(shè)備選型 
　　
水泥廠生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制包括順序控制和過程控制兩方面。順序控制主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠進(jìn)入PLC的電動(dòng)機(jī)、電控設(shè)備進(jìn)行成組起動(dòng)、停車以及設(shè)備運(yùn)行時(shí)的相互聯(lián)鎖等；過程控制主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠進(jìn)入PLC的溫度、壓力、速度、流量、料位等工藝參數(shù)進(jìn)行采集，并通過對(duì)諸如閥門開度、速度給定等對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。 

2.1.1　控制方式選擇 
　　水泥廠的電動(dòng)機(jī)控制方式有兩種，集中優(yōu)先控制方式和機(jī)旁優(yōu)先控制方式。 
　　選擇集中控制方式時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝流程圖及保護(hù)要求，將按預(yù)先安裝好的程序，由操作員對(duì)需要的分組進(jìn)行起?？刂?。 
　　選擇機(jī)旁控制方式時(shí)，人工在機(jī)旁單獨(dú)開、停機(jī)，以利于單機(jī)試車。 
　　選擇零位控制方式時(shí)，集中和機(jī)旁均不能開車，以確保檢修人員的安全。 
　　設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重異?；騻κ鹿蕰r(shí)，機(jī)旁可以立刻停車；同樣，中控室可以進(jìn)行一個(gè)子系統(tǒng)范圍內(nèi)的緊急停車。 
2.1.2　電氣設(shè)備選型 
　　
本著技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠、指標(biāo)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，又充分考慮到國(guó)內(nèi)電氣設(shè)備的制造水平及現(xiàn)狀，主要電氣設(shè)備及元器件采用進(jìn)口產(chǎn)品或引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)制造的產(chǎn)品。對(duì)要求調(diào)速的場(chǎng)合，目前較多采用交流變頻調(diào)速裝置，滑差電磁調(diào)速裝置已逐步趨于淘汰。少數(shù)容量大且對(duì)起動(dòng)力矩要求較高的地方，如窯主傳動(dòng)、冷卻機(jī)等可采用直流調(diào)速裝置。 
　　
為了提高可靠性，隨設(shè)備配帶的控制箱、控制柜，如稀油站、除塵器、水電阻柜以及高壓開關(guān)柜等均采用小PLC或常規(guī)的繼電器完成其自身必要的順序控制和過程控制，并安裝控制方式選擇開關(guān)，提供給計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)方控制方式接口，以盡量減少主控系統(tǒng)的開銷，并可就地試車。 

2.1.3　自動(dòng)化設(shè)備選型 
　　
壓力變送器盡量選用測(cè)量范圍大的產(chǎn)品，減少型號(hào)種類，以方便日常維護(hù)或備件準(zhǔn)備。一般場(chǎng)合的溫度測(cè)點(diǎn)選用熱電阻、熱電偶監(jiān)測(cè)元件，大型機(jī)械設(shè)備或大型電動(dòng)機(jī)的保護(hù)熱電阻溫度信號(hào)，如回轉(zhuǎn)窯托輪、主電動(dòng)機(jī)繞組溫度等熱電阻信號(hào)，全部進(jìn)入計(jì)算機(jī)由中控室集中監(jiān)視。窯筒體測(cè)溫裝置、窯尾預(yù)熱器一級(jí)筒出口處氣體分析儀、生料質(zhì)量控制系統(tǒng)、窯頭和篦冷機(jī)用監(jiān)控工業(yè)電視系統(tǒng)通常為獨(dú)立完整的監(jiān)控系統(tǒng)，其部分必要的信號(hào)應(yīng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)。 

2.2　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 
　　
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)選用開放性集散型控制系統(tǒng)。目前PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)集散控制的功能。 
　　
表2例舉了PLC集散控制系統(tǒng)在水泥工業(yè)中一些實(shí)際應(yīng)用情況，這些廠現(xiàn)均已正式投產(chǎn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。 
由于各廠的系統(tǒng)構(gòu)成很相似，下面以某700t/d水泥廠為例作簡(jiǎn)要介紹。 
　　
系統(tǒng)采用美國(guó)Modicon公司的Quantum系列可編程控制器組成集散控制系統(tǒng)，對(duì)主要工藝流程生產(chǎn)線的設(shè)備進(jìn)行控制。結(jié)合本廠工藝流程及生產(chǎn)特點(diǎn)，全廠共設(shè)四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站和4個(gè)操作站(含工程師站)，控制范圍從工藝生產(chǎn)線的原料調(diào)配站、生料制備、燒成系統(tǒng)、煤粉制備至水泥制成車間，各現(xiàn)場(chǎng)站及中控室均配有UPS備用電源。 

2.2.1　計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境及系統(tǒng)配置 
　　操作系統(tǒng):Microsoft WindowsNT中文版 
　　組態(tài)軟件:Monitor Pro開發(fā)版 
　　運(yùn)行軟件:Monitor Pro運(yùn)行版 
　　系統(tǒng)配置:Pentium-II400，64M內(nèi)存，4.3G硬盤，3.5″軟驅(qū)，32速光驅(qū)， 
　　Philips 21″彩色顯示器 
　　通訊網(wǎng)絡(luò):Modbus+(Modbus Plus) 
　　下位機(jī)軟件:Concept Version2.1 XL 

2.2.2　控制管理級(jí) 
　　控制管理級(jí)是由1個(gè)中央控制室和1個(gè)局部控制室的多臺(tái)操作站、工程師站等組成。 
　　中央控制室:設(shè)置3臺(tái)操作站，分別作為生料粉磨、燒成窯尾及燒成窯頭工藝過程的監(jiān)視、控制用，操作站間互為備用。其中1臺(tái)操作站兼作工程師站，可用于軟件開發(fā)和調(diào)試之用。 
　　
局部控制室:由于水泥粉磨車間位置距離中央控制室較遠(yuǎn)，且工藝上獨(dú)立性較強(qiáng)，因此單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)操作站，作為水泥粉磨工藝過程的監(jiān)視、控制用操作站，該操作站僅限于本車間操作之用，中央控制室的工程師站作為備用，經(jīng)授權(quán)能夠?qū)崿F(xiàn)該操作站的操作、軟件開發(fā)和調(diào)試任務(wù)。 

2.2.3　過程控制級(jí) 
　　過程控制級(jí)包括生料粉磨控制站、燒成窯尾控制站、燒成窯頭控制站和水泥粉磨控制站，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄設(shè)備的過程控制和順序控制。 

2.2.4　通訊網(wǎng)絡(luò) 
　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將過程控制站、操作站以及工程師站相連，達(dá)到集散控制系統(tǒng)的分散控制、集中監(jiān)視和操作管理的目的。 

3　軟件設(shè)計(jì) 

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件應(yīng)具有以下功能: 
　　1)開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)的采集和處理； 
　　2)電動(dòng)機(jī)和成套電控裝置的順序起動(dòng)、順序停車、故障復(fù)位以及設(shè)備聯(lián)鎖等； 
　　3)PID回路的控制及參數(shù)修改； 
　　4)閥門控制及各種給定操作回路的控制； 
　　5)具有動(dòng)態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)符號(hào)的工藝流程圖畫面的顯示； 
　　6)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線畫面的顯示； 
　　7)異常工況的報(bào)警窗口顯示及報(bào)警報(bào)告打印； 
　　8)工廠日、月、季、年及隨機(jī)報(bào)告打印。 
　　
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的需要安裝的軟件通常分為兩部分:上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控運(yùn)行軟件和下位機(jī)運(yùn)行軟件，一般由計(jì)算機(jī)制造商負(fù)責(zé)提供。軟件的編制設(shè)計(jì)也就相應(yīng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分進(jìn)行。1)～3)項(xiàng)通過下位機(jī)軟件編制實(shí)現(xiàn)，4)～8)項(xiàng)由上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)完成，這兩部分應(yīng)充分銜接。 
　　
該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件功能及特點(diǎn)如下:操作員通過操作站上顯示的工藝流程及控制畫面，可隨時(shí)監(jiān)視全廠的電氣設(shè)備運(yùn)行情況，在起動(dòng)畫面內(nèi)對(duì)各車間的電氣設(shè)備分組進(jìn)行集中起?？刂?，必要時(shí)可由工程師站在線監(jiān)控、強(qiáng)制電氣設(shè)備運(yùn)行和修改有關(guān)設(shè)定參數(shù)；對(duì)全廠的熱工參數(shù)和電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視、控制，并可以通過打印機(jī)輸出各種生產(chǎn)報(bào)表和報(bào)警信息。 

3.1　流程畫面 
　　流程畫面是操作的主要界面，操作員可在流程畫面上對(duì)每一個(gè)過程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并作出相應(yīng)操作以保證正常生產(chǎn)。畫面上部分設(shè)備具有動(dòng)態(tài)顯示效果，操作員可在操作站上對(duì)全廠生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。畫面的切換方式是通過用鼠標(biāo)點(diǎn)按相應(yīng)的流程畫面切換按鈕，或利用功能鍵來快速切換。 
　　
以不同顏色的箭頭線表示氣流、料流的方向；儲(chǔ)庫(kù)與料倉(cāng)剖面圖形中的填充色顯示料位的變化，并設(shè)有料位報(bào)警；參數(shù)的位號(hào)及量程范圍實(shí)時(shí)顯示；閥門操作面板可顯示現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值和開度設(shè)定，并具有超時(shí)報(bào)警和復(fù)位功能；轉(zhuǎn)速操作面板可顯示測(cè)量值和速度設(shè)定值。 

3.2　配料控制 
　　
生料和熟料配料系統(tǒng)均可完成系統(tǒng)起停、選秤、顯示運(yùn)行狀態(tài)、瞬時(shí)流量、設(shè)定流量等功能。 

3.3　設(shè)備起停 
　　
通過工藝流程畫面，打開相應(yīng)的“設(shè)備起?！笨刂泼姘?，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各車間的設(shè)備進(jìn)行分組起動(dòng)和停止，并通過電動(dòng)機(jī)上的指示燈來顯示各設(shè)備電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。按工藝要求的不同每個(gè)操作站分為若干組進(jìn)行起停操作，并且開停機(jī)均設(shè)有必要的時(shí)間間隔。 

3.4　電氣聯(lián)鎖 
　　設(shè)備控制方式分為機(jī)旁單機(jī)控制和集中聯(lián)鎖控制兩種。正常生產(chǎn)時(shí)，每組電氣設(shè)備均須切換至集中聯(lián)鎖控制方式，程序中設(shè)有設(shè)備狀態(tài)檢查、設(shè)備組狀態(tài)檢查、起動(dòng)及運(yùn)行中設(shè)備過程聯(lián)鎖控制等。參加聯(lián)鎖控制的某臺(tái)電氣設(shè)備在起動(dòng)或停機(jī)出現(xiàn)誤操作時(shí)，該組設(shè)備均不能起動(dòng)或停機(jī)。 

3.5　緊急停機(jī) 
　　可按車間實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)，先彈出一個(gè)確認(rèn)子窗口，按確認(rèn)鍵使操作生效，或按取消鍵取消該操作。 

3.6　報(bào)警窗口 
　　
報(bào)警窗口位于各流程畫面的底部，顯示當(dāng)前報(bào)警信息。報(bào)警窗口包括報(bào)警顯示、報(bào)警信息確認(rèn)鍵及報(bào)警綜合畫面切換鍵。 

3.7　報(bào)警一覽畫面 
　　包括報(bào)警設(shè)備名稱、工藝編號(hào)、電氣編號(hào)及日期時(shí)間，分為報(bào)警信息顯示區(qū)、報(bào)警信息篩選區(qū)和信息確認(rèn)區(qū)。可實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警信息選擇、確認(rèn)、滾動(dòng)查找，按故障類型或區(qū)域篩選和排序。對(duì)新到、已確認(rèn)、已消失的報(bào)警信息條采用不同的顏色顯示。 

3.8　實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)曲線 
　　可觀測(cè)到相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。在相應(yīng)車間的歷史趨勢(shì)模式下，可對(duì)以前15d的測(cè)量數(shù)據(jù)按日期和時(shí)間進(jìn)行查詢，可實(shí)現(xiàn)曲線平移、曲線放縮、用顯示網(wǎng)格方式觀察曲線上某點(diǎn)的測(cè)量值大小。 

3.9　分解室喂煤量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路 
　　該調(diào)節(jié)回路通過對(duì)窯尾分解室、混合室及五級(jí)預(yù)熱器出口溫度的監(jiān)測(cè)來控制分解室喂煤量，從而使窯系統(tǒng)工作于正常溫度范圍內(nèi)，節(jié)省用煤量，提高熱效率，穩(wěn)定熟料質(zhì)量。該調(diào)節(jié)回路還通過對(duì)煤粉倉(cāng)煤粉密度的給定來計(jì)算給煤量，顯示有關(guān)參數(shù)的趨勢(shì)曲線圖，并設(shè)有手動(dòng)方式。 

3.10　系統(tǒng)功能畫面 
　　系統(tǒng)任務(wù)分為共享和用戶兩種。共享任務(wù)包括:共享任務(wù)運(yùn)行指令、數(shù)據(jù)保留、計(jì)時(shí)器、解釋性程序、報(bào)警登錄、報(bào)表打印、EDI(外部設(shè)備接口)、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)和打印機(jī)等；用戶任務(wù)包括:用戶任務(wù)運(yùn)行指令、圖形運(yùn)行、數(shù)據(jù)保留、報(bào)警一覽、解釋性程序、計(jì)數(shù)器、趨勢(shì)記錄和數(shù)據(jù)庫(kù)等。 
　　此外還有屏幕打印和報(bào)表打印功能。 

4　軟、硬件安裝調(diào)試步驟 

　　1)按設(shè)計(jì)選型及配置要求檢查到貨硬件； 
　　2)按規(guī)范和計(jì)算機(jī)自身要求處理系統(tǒng)接地和屏蔽接地，以避免對(duì)系統(tǒng)干擾； 
　　3)按規(guī)范和計(jì)算機(jī)自身要求完成接線工作并核對(duì)接線的正確性； 
　　4)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件進(jìn)行通電測(cè)試檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理； 
　　5)安裝系統(tǒng)軟件，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊調(diào)試； 
　　6)安裝已編制好的工控應(yīng)用軟件，并進(jìn)行組態(tài)和下裝； 
　　7)采用在線監(jiān)控和強(qiáng)制方式進(jìn)行開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)采集回路的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)查找原因和處理； 
　　8)如條件允許可全部或部分進(jìn)行模擬控制運(yùn)行試驗(yàn)； 
　　9)系統(tǒng)投入運(yùn)行，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試車，并對(duì)其技術(shù)性能進(jìn)一步補(bǔ)充和完善； 
　　10)系統(tǒng)驗(yàn)收交接，由廠方操作人員獨(dú)立進(jìn)行日常操作和維護(hù)。 
　　在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程中，電氣設(shè)備單機(jī)試車與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安裝調(diào)試大多同步進(jìn)行，要求在軟件編制過程中，熟練掌握好軟件編制的方法，以便迅速完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中的修改和完善工作。 

5　結(jié)束語(yǔ) 

　　對(duì)于國(guó)內(nèi)許多新建或準(zhǔn)備改造的中小型水泥廠，采用基于PLC的DCS控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)線上的主要車間進(jìn)行集中管理、分散控制，可降低一次性投資，減少管理環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)線運(yùn)行的可靠性，降低企業(yè)產(chǎn)品綜合成本，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。另外，隨著PLC技術(shù)水平的提高，其計(jì)算能力、響應(yīng)速度、聯(lián)網(wǎng)能力、靈活性和可維護(hù)性已經(jīng)達(dá)到或超過了傳統(tǒng)的DCS，性能價(jià)格比有了更大的提高，從而進(jìn)一步推動(dòng)了PLC控制系統(tǒng)在中小型水泥廠的應(yīng)用。