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一 、系統(tǒng)概述
工程范圍：為日產(chǎn)2500噸新型干法水泥生產(chǎn)線提供完整的集散控制系統(tǒng)（DCS），滿足水泥生產(chǎn)需要，為生產(chǎn)高品質(zhì)水泥提供穩(wěn)定性保障。
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)
•為生產(chǎn)高品質(zhì)水泥提供可靠的運(yùn)行環(huán)境；
•提高整個水泥生產(chǎn)線的自動化水平；
•實(shí)現(xiàn)機(jī)組高品質(zhì)運(yùn)行，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；
•提高運(yùn)行人員工作效率，滿足機(jī)組運(yùn)行全能值班要求；
•提高效益，降低能耗。
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用時的設(shè)計(jì)思想
1、 功能設(shè)計(jì)：體現(xiàn)DCS建成后的自動化程度、處理事故能力（報警、分析、指導(dǎo)、處理等）及先進(jìn)的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗為設(shè)計(jì)思想。具體如下：
對象控制
•按工藝流程的自動化過程由DCS系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成，達(dá)到能量平衡。
•保障機(jī)組安全、可靠、高效運(yùn)行和啟停。
提高機(jī)組運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益
•機(jī)組在額定參數(shù)的上限運(yùn)行，使機(jī)組處于最佳運(yùn)行工況。
•實(shí)現(xiàn)高自動化投入率，提高可靠性，減少誤操作，降低事故率。
完善的操作指導(dǎo)和事故分析手段
•機(jī)組的運(yùn)行工況可由很多監(jiān)測參數(shù)反映出來，當(dāng)運(yùn)行工況出現(xiàn)異常時，一方面進(jìn)行超馳功能及過程制約機(jī)制的實(shí)行，一方面提供相關(guān)參數(shù)、趨勢、圖表等高效方式通知運(yùn)行人員及時處理。
•操作記錄打印、報警打印、事故追憶打印、周期性報表等功能，有助于機(jī)組的日常管理和事故分析。
•高效、便捷的系統(tǒng)在線維護(hù)。
2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：體現(xiàn)DCS的高可靠性、先進(jìn)性、易維護(hù)、易組態(tài)等為設(shè)計(jì)思想。具體如下：
可靠性設(shè)計(jì)
•所有部件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化。
•控制系統(tǒng)按分層、分散、自治的原則。
•所有I/O模件均為智能化設(shè)計(jì)，采用隔離措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有軟件數(shù)字濾波和消除偶發(fā)干擾的措施。
維護(hù)性設(shè)計(jì)
•系統(tǒng)自診斷至通道級。
•選用模塊化的功能組態(tài)軟件，提高軟件透明度。
擴(kuò)展性設(shè)計(jì)
•采用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通訊速率100mpbs，主干網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)，各子站通過雙絞電纜掛接在主干網(wǎng)絡(luò)上，有極強(qiáng)的通訊擴(kuò)展能力。
•提供與其它系統(tǒng)的通訊接口，如工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS DP或MODBUS。
開放性設(shè)計(jì)
•支持國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。
•支持SIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對DCS數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
三、系統(tǒng)配置與功能實(shí)現(xiàn)
根據(jù)水泥生產(chǎn)的特點(diǎn)和實(shí)際I/O點(diǎn)的設(shè)計(jì)分布情況，進(jìn)行以下設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)的基本功能包括：原料配料系統(tǒng)、生料磨系統(tǒng)、生料均化系統(tǒng)、燒成系統(tǒng)、窯頭系統(tǒng)、煤磨系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、報警系統(tǒng)以及趨勢圖等，系統(tǒng)按工藝流程分別介紹如下：
1、原料配料系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要對水泥生產(chǎn)所需原料鐵粉、砂巖和石灰石的料位計(jì)進(jìn)行自動化控制，實(shí)現(xiàn)各原料間的合理、高效配比。配料的目的是為了確定各種原料、燃料的消耗比例和優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗地生產(chǎn)水泥熟料。其原則是：配制的生料易磨易燒，生產(chǎn)的熟料優(yōu)質(zhì)，生產(chǎn)過程易于操作控制和管理，并簡化工藝流程。
2、生料磨系統(tǒng)
粉磨是將小塊狀（粒狀）物料碎裂成細(xì)粉的過程。生料磨是將原料配合后粉磨成生料的工藝。主要包括生料磨、選粉機(jī)以及粉塵回收功能等。合理的生料磨系統(tǒng)對保證生料質(zhì)量和產(chǎn)量，提高熟料的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低單位產(chǎn)品電耗等有重要意義。
3、生料均化系統(tǒng)
生料均化是采用空氣攪拌及重力作用下產(chǎn)生的“漏斗效應(yīng)”，使生料粉向下降落時切割盡量多層料面予以混合。同時，在不同流化空氣的作用下，使沿庫內(nèi)平行料面發(fā)生大小不同的流化膨脹作用，有的區(qū)域卸料，有的區(qū)域流化，從而使庫內(nèi)料面產(chǎn)生徑向傾斜，進(jìn)行徑向混合均化。
4、燒成系統(tǒng)
燒成系統(tǒng)是將生料轉(zhuǎn)變?yōu)槭炝系倪^程，直接決定水泥的產(chǎn)量和質(zhì)量、燃料和襯料的消耗以及回轉(zhuǎn)窯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)是懸浮預(yù)熱技術(shù)、分解爐和回轉(zhuǎn)窯，分別承擔(dān)水泥熟料煅燒過程的預(yù)熱、分解以及燒成。
5、窯頭系統(tǒng)
窯頭系統(tǒng)的篦式冷卻機(jī)作用在于高效、快速地實(shí)現(xiàn)熟料與冷卻空氣之間的氣固換熱。在對熟料驟冷的同時，還有對入窯二次風(fēng)及入爐三次風(fēng)得到加熱升溫任務(wù)。
6、水泥粉磨及包裝為后期工程，暫未開工。
7、電力系統(tǒng)
主要是對生料電力室高壓柜和燒成電力實(shí)高壓柜實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。
8、網(wǎng)絡(luò)配置
水泥生產(chǎn)的各個控制站極為分散，此時系統(tǒng)的安全很大程度上取決于控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。冗余光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計(jì)與采用使得我們的過程控制網(wǎng)絡(luò)極為可靠，大大提高了整個系統(tǒng)的安全系數(shù)。本控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：
系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)上可分為：
（1）操作員站(OS站)和工程師站(ES站)
DCS系統(tǒng)配置4套獨(dú)立的操作員站（OS站），其中遠(yuǎn)程配料、生料磨粉、燒成窯尾窯中、窯頭及煤磨一個OS站，即4個操作員站（每個操作站帶24吋液晶顯示器），在中央控制室還配有一個ES站。每套OS均采用成熟、可靠的DELL商用計(jì)算機(jī)。
OS站為操作員提供圖形、列表、操作、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)等，可在打印機(jī)上輸出。運(yùn)行Windows XP多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下的WINCC6.2應(yīng)用軟件。所有OS站均為全能值班配置，圖像、操作、數(shù)據(jù)一致，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場啟停、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲的運(yùn)行操作。
系統(tǒng)配置1套工程師站（ES站），采用成熟、可靠的DELL商用電腦。
ES站主要完成實(shí)時數(shù)據(jù)庫、控制塊、圖形、趨勢、報表等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的生成和下裝，完成對系統(tǒng)的詳細(xì)自診斷和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的列表和后備。運(yùn)行Windows XP多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下的STEP7v5.4、WINCC6.2應(yīng)用軟件。
可由電氣專業(yè)人員通過工程師站對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、維護(hù)。專業(yè)工程師在授權(quán)的情況下，可以在現(xiàn)場對系統(tǒng)進(jìn)行在線或離線修改。同時，所有運(yùn)行情況和控制邏輯均可在工程師站上查看，增加了用戶對系統(tǒng)掌握的程度，以及系統(tǒng)軟件、硬件的透明度。當(dāng)不需組態(tài)時，可運(yùn)行與操作員站完全相同的軟件。
整個系統(tǒng)配置2臺網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，用于記錄打印和CRT圖象拷貝。打印機(jī)選用HP網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。
（2）遠(yuǎn)程I/O站
系統(tǒng)由西門子CPU和億維UNIMAT的遠(yuǎn)程I/O站配合組成，每個分布式I/O站都采用億維的UNIMAT的UN 300系列模塊，通過153接口模塊和S7-400中央控制站進(jìn)行PROFIBUS-DP通信。其中有UN 300系列的UN 321-1BL00-0AA(32DI)，UN 322-1BL00-0AA0(32DO)，UN 331-1KF01-0AB0(8AI)，UN 331-7KF02-0AB0(8TC)，UN 332-5HD01-0AB0(4AO)等，既節(jié)省了成本，又降低了能耗。
（3）冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)
CP443-1作為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)連接裝置，在物理層上采用高防護(hù)等級的通訊線纜，工業(yè)以太網(wǎng)的卡件上帶有CPU可以獨(dú)立處理通訊信號。高速工業(yè)以太網(wǎng)是在工業(yè)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，將通訊速率提高到了100M/s。SIMATIC NET 中的高速以太網(wǎng)采用了全雙工并行(FDX)通訊模式，這種模式允許站點(diǎn)同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通訊速率可提高一倍。SIMATIC NET 在高速以太網(wǎng)上還采用了交換技術(shù)，利用交換機(jī)模塊將整個網(wǎng)段分成若干子網(wǎng)，每個子網(wǎng)都可以獨(dú)立地形成一個數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)段，可以大大地提高通訊效率。普通以太網(wǎng)上由于網(wǎng)段上數(shù)據(jù)通訊阻塞的存在，使得網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際通訊技術(shù)只有40%，采用了全雙工并行通訊技術(shù)和交換技術(shù)后，使得網(wǎng)絡(luò)的通訊能力得以充分地利用。
DCS統(tǒng)計(jì)匯總表（I/O）
序號 設(shè)備名稱 DI DO AI AO 合計(jì) 備注
1 LCS01-DR1 配料遠(yuǎn)程站 81 29 12 6 128
2 LCS01-DR2 窯尾遠(yuǎn)程站 41 26 58 7 132
3 LCS01 原料系統(tǒng)現(xiàn)場站 248 69 73 11 401
4 LCS02 燒成系統(tǒng)現(xiàn)場站 303 98 131 30 562
合 計(jì) 673 222 274 54 1223
四、水泥生產(chǎn)的控制要點(diǎn)及策略
水泥生產(chǎn)工藝設(shè)備單機(jī)容量大、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)、對快速性和協(xié)調(diào)性要求高。為了提高企業(yè)的生產(chǎn)效率與競爭力，自動控制的實(shí)施至關(guān)重要。采用西門子的CPU和億維UNIMAT的遠(yuǎn)程I/O站配合組成，能夠很好的滿足水泥行業(yè)以開關(guān)量為主、模擬量為輔且伴有少量調(diào)節(jié)回路的控制要求。
1、 石灰石破碎及輸送系統(tǒng)
石灰石破碎及輸送系統(tǒng)設(shè)備存在工藝聯(lián)鎖關(guān)系，采用“逆流程啟動,順流程停車”原則對設(shè)備進(jìn)行順序控制。
石灰石破碎及輸送系統(tǒng)的控制難點(diǎn)在于石灰石破碎機(jī)喂料量的自動控制，以破碎機(jī)功率的變化來自動調(diào)節(jié)板喂機(jī)的速度，使其速度保持在要求的范圍內(nèi)運(yùn)行，不致于由于板喂機(jī)速度過高而使石灰石料倉的料卸空，來料直接落在板喂機(jī)上，對設(shè)備起到一定的保護(hù)作用。
圖2 原料配料系統(tǒng)圖（參考《原料配料系統(tǒng)1.bmp》）
2、 生料制備系統(tǒng)
圖3 生料粉磨流程圖（參考《生料磨1.bmp》）
生料制備系統(tǒng)的工藝流程范圍：始自原料調(diào)配站的庫底，止于生料均化庫的庫頂，包括原料調(diào)配及輸送，包括原料粉磨、生料輸送入庫。控制要點(diǎn)與策略如下：
■ 生料質(zhì)量控制（QCS）系統(tǒng)
QCS系統(tǒng)（質(zhì)量控制系統(tǒng)）在水泥生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。生料質(zhì)量控制（QCS）系統(tǒng)由在線鈣鐵熒光分析儀、計(jì)算機(jī)、調(diào)速電子皮帶秤等組成。智能在線鈣鐵熒光分析儀可進(jìn)行自動取樣、制樣，并進(jìn)行連續(xù)測定，由QCS系統(tǒng)進(jìn)行配料計(jì)算，并通過DCS對電子調(diào)速皮帶秤下料量進(jìn)行比例調(diào)節(jié)和成分控制，使生料三率值保持在目標(biāo)值附近波動，從而大幅度提高生料成分合格率和質(zhì)量穩(wěn)定性。
■ 生料粉磨負(fù)荷控制系統(tǒng)
生料粉磨控制系統(tǒng)的控制難點(diǎn)在于磨機(jī)的負(fù)荷控制。當(dāng)入料水分、硬度發(fā)生變化時，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)入磨物料量來保證磨機(jī)處于負(fù)荷穩(wěn)定的最佳粉磨狀態(tài)，避免堵磨或者空磨發(fā)生。對負(fù)荷自控系統(tǒng)通常采用的調(diào)節(jié)方法有：一是設(shè)置一個入磨量常數(shù)，穩(wěn)態(tài)下的選粉機(jī)回粉入磨量加新喂料量與之相等；二是以提升機(jī)功率或者磨機(jī)電耳信號分別作為主控或監(jiān)控信號適時調(diào)節(jié)；三是以選粉機(jī)回粉、提升功能、電耳等信號進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析控制或極值控制。
立磨大多采用常數(shù)控制，球磨則多采用電耳或者提升機(jī)功率信號調(diào)節(jié)。
3、 生料均化庫控制
圖4 生料均化庫流程圖（參考《生料均化系統(tǒng)1.bmp》）
■ 生料預(yù)均化系統(tǒng)
生料預(yù)均化是通過控制均化庫底卸料電振機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。生料預(yù)均化庫通常為長條形庫，庫底卸料電振機(jī)共26臺分為兩組，每組13臺，每臺均能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)時間程序控制，兩組電振機(jī)由一臺可編程控制器（PLC）按一定時間程序進(jìn)行卸料控制，從而達(dá)到不同時間進(jìn)的料按一定比例預(yù)均化后進(jìn)磨。
■ 生料均化系統(tǒng)
生料均化是靠具有一定壓力的空氣對生料進(jìn)行吹射均化。通常在庫底設(shè)置了充氣裝置，采用時間順序控制策略，依據(jù)時序開停庫底充氣電磁閥，使物料流態(tài)化并翻騰攪拌，生料混和達(dá)到均化目的。
■ 計(jì)量倉料量的自動控制系統(tǒng)
利用計(jì)量倉的倉重信號自動調(diào)節(jié)生料庫側(cè)電動流量閥的開度，使稱重倉的料量保持穩(wěn)定，從而保證計(jì)量倉下料量的穩(wěn)定。
■ 生料均化庫下料控制
在生產(chǎn)過程中，燒成帶溫度一般要求控制在一個合適的范圍，因?yàn)樗鼘κ炝系馁|(zhì)量至關(guān)重要。將生料量、風(fēng)機(jī)風(fēng)量與燒成帶溫度結(jié)合起來設(shè)定生料下料量的設(shè)定值，該系統(tǒng)通過自動調(diào)節(jié)，利用固體流量計(jì)的反饋值自動調(diào)節(jié)計(jì)量倉下電動流量閥的開度，使生料穩(wěn)定在設(shè)定值上，從而使得入窯的生料保持穩(wěn)定，最終保障窯系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
4、 煤粉制備系統(tǒng)
圖5 煤粉制備流程圖（參考《煤磨系統(tǒng)1.bmp》）
■ 出磨氣體溫度的自動控制
出磨氣體溫度直接關(guān)系到出磨成品水分和系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)問題。為了確保生產(chǎn)出合格的煤粉，同時還要保證系統(tǒng)溫度不能過高，控制系統(tǒng)中設(shè)置了磨機(jī)出口氣體溫度自動控制回路，通過改變磨機(jī)進(jìn)口冷風(fēng)閥門開度控制磨機(jī)出口氣體溫度穩(wěn)定。
■ 磨機(jī)負(fù)荷自動控制
煤粉倉內(nèi)煤粉量變化過大會影響煤粉喂料部分計(jì)量精度，在正常生產(chǎn)中煤粉倉中煤粉量應(yīng)盡量恒定；同時也要保證磨機(jī)的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)，防止“滿磨”。采用了由磨機(jī)電耳信號自動調(diào)節(jié)磨頭定量給料機(jī)喂料量的自動控制回路。
5、 燒成系統(tǒng)
圖6 燒成窯尾流程圖（參考《燒成系統(tǒng)1.bmp》）
■ 分解爐喂煤量的計(jì)量與自動調(diào)節(jié)
分解爐的溫度是保證回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)行的一個重要控制參數(shù)。在生料量不變時，燃料和空氣的混和比例必須要正確地控制。故對分解爐的溫度進(jìn)行計(jì)量，以便實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，通過自動增減煤量對分解爐的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其控制在所需要的設(shè)定值上。既能使分解爐保持最高的分解率，又不使其因溫度過高而導(dǎo)致生料粘結(jié)，影響窯系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
■ 預(yù)熱器出口壓力調(diào)節(jié)
預(yù)熱器出口壓力是反應(yīng)系統(tǒng)風(fēng)量平衡的一個主要指標(biāo)，主要通過調(diào)節(jié)高溫風(fēng)機(jī)閥門開度來實(shí)現(xiàn)預(yù)熱器出口壓力的控制。
■ 預(yù)熱器自動吹掃裝置
由計(jì)算機(jī)按一定的時間順序規(guī)律定時接通相應(yīng)的各級預(yù)熱器上的電磁閥，輪流打開壓縮空氣管路，對預(yù)熱器進(jìn)行逐級吹掃，以防結(jié)皮堵塞影響預(yù)熱器系統(tǒng)的正常運(yùn)行，吹掃時間人工設(shè)定，一般為5s～20s。
圖7 燒成窯頭流程圖（參考《窯頭系統(tǒng)1.bmp》）
■ 窯頭負(fù)壓自動控制
窯頭負(fù)壓表征窯內(nèi)通風(fēng)及冷卻機(jī)入窯二次風(fēng)之間的平衡。根據(jù)窯頭負(fù)壓自動調(diào)節(jié)電收塵器排風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥門開度，以控制窯頭二次風(fēng)量、窯尾三次風(fēng)量、窯頭廢氣量三者的平衡，從而取得穩(wěn)定煅燒和冷卻熟料之間的平衡。
■ 回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速控制
采用的策略是在穩(wěn)定生料量、燃料量的前提下，通過對回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以維持整個窯系統(tǒng)的均衡穩(wěn)定生產(chǎn)。
■ 篦冷機(jī)一、二室風(fēng)量自動調(diào)節(jié)
二次空氣對于窯內(nèi)燃燒的好壞、工作的穩(wěn)定性和煅燒過程中的燃料消耗都有很大的影響。該系統(tǒng)控制目的就是通過穩(wěn)定一、二室風(fēng)量，從而穩(wěn)定入窯新鮮空氣量，為窯的穩(wěn)定運(yùn)行提供條件，采取一室風(fēng)量調(diào)一室風(fēng)機(jī)閥門開度，二室風(fēng)量調(diào)二室風(fēng)機(jī)閥門開度的控制策略。
■ 篦冷機(jī)料層厚度自動調(diào)節(jié)
控制篦冷機(jī)料層厚度，一則穩(wěn)定二次風(fēng)溫，以穩(wěn)定窯的正常運(yùn)行，二則可使熟料達(dá)到最佳冷卻。因篦冷機(jī)料層厚度難以檢測，故在控制策略中采用篦下壓力調(diào)篦速，以穩(wěn)定篦冷機(jī)料層厚度。對于二段式篦冷機(jī)而言，還涉及到一、二段篦速比例調(diào)節(jié)。
6、 廢氣處理系統(tǒng)
廢氣處理系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對增濕塔的噴水量的控制，控制策略根據(jù)增濕塔出口溫度控制噴嘴個數(shù)，以增濕降溫提高電收塵器的收塵效率，增濕塔出口溫度一般控制在130 度左右。
7、 水泥粉磨與輸送系統(tǒng)
■ 喂料量控制
喂料量要求均勻、穩(wěn)定，以磨音信號和出磨提升機(jī)的功率來調(diào)節(jié)入磨喂料量
■ 出磨氣體溫度的自動控制
通過對磨機(jī)通風(fēng)量的調(diào)節(jié)來控制出磨氣體溫度
■ 選粉機(jī)的調(diào)節(jié)與控制
■ 熟料的存儲與輸送
輸送與存儲設(shè)備之間存在工藝聯(lián)鎖關(guān)系，采用“逆流程啟動,順流程停車”原則對設(shè)備進(jìn)行順序控制
8、電力系統(tǒng)
圖8 電力系統(tǒng)
五、使用效果分析
本DCS系統(tǒng)采用西門子CPU和億維UNIMAT的遠(yuǎn)程I/O站配合組成，建成后投運(yùn)至今，運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠，控制精度完全滿足設(shè)計(jì)要求，既節(jié)省了成本，又降低了能耗，提高了效益，完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。
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