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一 、系統概述
工程范圍：為日產2500噸新型干法水泥生產線提供完整的集散控制系統（DCS），滿足水泥生產需要，為生產高品質水泥提供穩定性保障。
控制系統設計的總體目標
•為生產高品質水泥提供可靠的運行環境；
•提高整個水泥生產線的自動化水平；
•實現機組高品質運行，提高運行經濟性；
•提高運行人員工作效率，滿足機組運行全能值班要求；
•提高效益，降低能耗。
二、系統設計及應用時的設計思想
1、 功能設計：體現DCS建成后的自動化程度、處理事故能力（報警、分析、指導、處理等）及先進的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗為設計思想。具體如下：
對象控制
•按工藝流程的自動化過程由DCS系統協調完成，達到能量平衡。
•保障機組安全、可靠、高效運行和啟停。
提高機組運行的技術經濟效益
•機組在額定參數的上限運行，使機組處于最佳運行工況。
•實現高自動化投入率，提高可靠性，減少誤操作，降低事故率。
完善的操作指導和事故分析手段
•機組的運行工況可由很多監測參數反映出來，當運行工況出現異常時，一方面進行超馳功能及過程制約機制的實行，一方面提供相關參數、趨勢、圖表等高效方式通知運行人員及時處理。
•操作記錄打印、報警打印、事故追憶打印、周期性報表等功能，有助于機組的日常管理和事故分析。
•高效、便捷的系統在線維護。
2、 系統設計：體現DCS的高可靠性、先進性、易維護、易組態等為設計思想。具體如下：
可靠性設計
•所有部件標準化、通用化、模塊化。
•控制系統按分層、分散、自治的原則。
•所有I/O模件均為智能化設計，采用隔離措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有軟件數字濾波和消除偶發干擾的措施。
維護性設計
•系統自診斷至通道級。
•選用模塊化的功能組態軟件，提高軟件透明度。
擴展性設計
•采用工業以太網網絡結構，通訊速率100mpbs，主干網采用冗余環網，各子站通過雙絞電纜掛接在主干網絡上，有極強的通訊擴展能力。
•提供與其它系統的通訊接口，如工業以太網、PROFIBUS DP或MODBUS。
開放性設計
•支持國際標準數據接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。
•支持SIS系統，實現對DCS數據的監控。
三、系統配置與功能實現
根據水泥生產的特點和實際I/O點的設計分布情況，進行以下設計方案，設計的基本功能包括：原料配料系統、生料磨系統、生料均化系統、燒成系統、窯頭系統、煤磨系統、電力系統、報警系統以及趨勢圖等，系統按工藝流程分別介紹如下：
1、原料配料系統
控制系統主要對水泥生產所需原料鐵粉、砂巖和石灰石的料位計進行自動化控制，實現各原料間的合理、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質、高產、低消耗地生產水泥熟料。其原則是：配制的生料易磨易燒，生產的熟料優質，生產過程易于操作控制和管理，并簡化工藝流程。
2、生料磨系統
粉磨是將小塊狀（粒狀）物料碎裂成細粉的過程。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、選粉機以及粉塵回收功能等。合理的生料磨系統對保證生料質量和產量，提高熟料的質量和產量，降低單位產品電耗等有重要意義。
3、生料均化系統
生料均化是采用空氣攪拌及重力作用下產生的“漏斗效應”，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，使沿庫內平行料面發生大小不同的流化膨脹作用，有的區域卸料，有的區域流化，從而使庫內料面產生徑向傾斜，進行徑向混合均化。
4、燒成系統
燒成系統是將生料轉變為熟料的過程，直接決定水泥的產量和質量、燃料和襯料的消耗以及回轉窯的安全運轉。其關鍵技術是懸浮預熱技術、分解爐和回轉窯，分別承擔水泥熟料煅燒過程的預熱、分解以及燒成。
5、窯頭系統
窯頭系統的篦式冷卻機作用在于高效、快速地實現熟料與冷卻空氣之間的氣固換熱。在對熟料驟冷的同時，還有對入窯二次風及入爐三次風得到加熱升溫任務。
6、水泥粉磨及包裝為后期工程，暫未開工。
7、電力系統
主要是對生料電力室高壓柜和燒成電力實高壓柜實現實時監控。
8、網絡配置
水泥生產的各個控制站極為分散，此時系統的安全很大程度上取決于控制網絡的穩定性。冗余光纖環網技術的設計與采用使得我們的過程控制網絡極為可靠，大大提高了整個系統的安全系數。本控制系統硬件結構如下圖所示：
系統從硬件結構上可分為：
（1）操作員站(OS站)和工程師站(ES站)
DCS系統配置4套獨立的操作員站（OS站），其中遠程配料、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商用計算機。
OS站為操作員提供圖形、列表、操作、歷史數據再現等，可在打印機上輸出。運行Windows XP多任務網絡操作系統下的WINCC6.2應用軟件。所有OS站均為全能值班配置，圖像、操作、數據一致，實現現場啟停、監控、數據存儲的運行操作。
系統配置1套工程師站（ES站），采用成熟、可靠的DELL商用電腦。
ES站主要完成實時數據庫、控制塊、圖形、趨勢、報表等系統數據的生成和下裝，完成對系統的詳細自診斷和系統數據的列表和后備。運行Windows XP多任務網絡操作系統下的STEP7v5.4、WINCC6.2應用軟件。
可由電氣專業人員通過工程師站對系統進行組態、維護。專業工程師在授權的情況下，可以在現場對系統進行在線或離線修改。同時，所有運行情況和控制邏輯均可在工程師站上查看，增加了用戶對系統掌握的程度，以及系統軟件、硬件的透明度。當不需組態時，可運行與操作員站完全相同的軟件。
整個系統配置2臺網絡打印機，用于記錄打印和CRT圖象拷貝。打印機選用HP網絡打印機。
（2）遠程I/O站
系統由西門子CPU和億維UNIMAT的遠程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，既節省了成本，又降低了能耗。
（3）冗余的通訊網絡
CP443-1作為標準的工業以太網連接裝置，在物理層上采用高防護等級的通訊線纜，工業以太網的卡件上帶有CPU可以獨立處理通訊信號。高速工業以太網是在工業以太網的通訊協議的基礎上，將通訊速率提高到了100M/s。SIMATIC NET 中的高速以太網采用了全雙工并行(FDX)通訊模式，這種模式允許站點同時發送和接收數據，通訊速率可提高一倍。SIMATIC NET 在高速以太網上還采用了交換技術，利用交換機模塊將整個網段分成若干子網，每個子網都可以獨立地形成一個數據通訊網段，可以大大地提高通訊效率。普通以太網上由于網段上數據通訊阻塞的存在，使得網絡上實際通訊技術只有40%，采用了全雙工并行通訊技術和交換技術后，使得網絡的通訊能力得以充分地利用。
DCS統計匯總表（I/O）
序號 設備名稱 DI DO AI AO 合計 備注
1 LCS01-DR1 配料遠程站 81 29 12 6 128
2 LCS01-DR2 窯尾遠程站 41 26 58 7 132
3 LCS01 原料系統現場站 248 69 73 11 401
4 LCS02 燒成系統現場站 303 98 131 30 562
合 計 673 222 274 54 1223
四、水泥生產的控制要點及策略
水泥生產工藝設備單機容量大、生產連續性強、對快速性和協調性要求高。為了提高企業的生產效率與競爭力，自動控制的實施至關重要。采用西門子的CPU和億維UNIMAT的遠程I/O站配合組成，能夠很好的滿足水泥行業以開關量為主、模擬量為輔且伴有少量調節回路的控制要求。
1、 石灰石破碎及輸送系統
石灰石破碎及輸送系統設備存在工藝聯鎖關系，采用“逆流程啟動,順流程停車”原則對設備進行順序控制。
石灰石破碎及輸送系統的控制難點在于石灰石破碎機喂料量的自動控制，以破碎機功率的變化來自動調節板喂機的速度，使其速度保持在要求的范圍內運行，不致于由于板喂機速度過高而使石灰石料倉的料卸空，來料直接落在板喂機上，對設備起到一定的保護作用。
圖2 原料配料系統圖（參考《原料配料系統1.bmp》）
2、 生料制備系統
圖3 生料粉磨流程圖（參考《生料磨1.bmp》）
生料制備系統的工藝流程范圍：始自原料調配站的庫底，止于生料均化庫的庫頂，包括原料調配及輸送，包括原料粉磨、生料輸送入庫。控制要點與策略如下：
■ 生料質量控制（QCS）系統
QCS系統（質量控制系統）在水泥生產中被廣泛應用。生料質量控制（QCS）系統由在線鈣鐵熒光分析儀、計算機、調速電子皮帶秤等組成。智能在線鈣鐵熒光分析儀可進行自動取樣、制樣，并進行連續測定，由QCS系統進行配料計算，并通過DCS對電子調速皮帶秤下料量進行比例調節和成分控制，使生料三率值保持在目標值附近波動，從而大幅度提高生料成分合格率和質量穩定性。
■ 生料粉磨負荷控制系統
生料粉磨控制系統的控制難點在于磨機的負荷控制。當入料水分、硬度發生變化時，系統通過調節入磨物料量來保證磨機處于負荷穩定的最佳粉磨狀態，避免堵磨或者空磨發生。對負荷自控系統通常采用的調節方法有：一是設置一個入磨量常數，穩態下的選粉機回粉入磨量加新喂料量與之相等；二是以提升機功率或者磨機電耳信號分別作為主控或監控信號適時調節；三是以選粉機回粉、提升功能、電耳等信號進行數學模型分析控制或極值控制。
立磨大多采用常數控制，球磨則多采用電耳或者提升機功率信號調節。
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1.bmp》）
■ 生料預均化系統
生料預均化是通過控制均化庫底卸料電振機來實現的。生料預均化庫通常為長條形庫，庫底卸料電振機共26臺分為兩組，每組13臺，每臺均能單獨實現時間程序控制，兩組電振機由一臺可編程控制器（PLC）按一定時間程序進行卸料控制，從而達到不同時間進的料按一定比例預均化后進磨。
■ 生料均化系統
生料均化是靠具有一定壓力的空氣對生料進行吹射均化。通常在庫底設置了充氣裝置，采用時間順序控制策略，依據時序開停庫底充氣電磁閥，使物料流態化并翻騰攪拌，生料混和達到均化目的。
■ 計量倉料量的自動控制系統
利用計量倉的倉重信號自動調節生料庫側電動流量閥的開度，使稱重倉的料量保持穩定，從而保證計量倉下料量的穩定。
■ 生料均化庫下料控制
在生產過程中，燒成帶溫度一般要求控制在一個合適的范圍，因為它對熟料的質量至關重要。將生料量、風機風量與燒成帶溫度結合起來設定生料下料量的設定值，該系統通過自動調節，利用固體流量計的反饋值自動調節計量倉下電動流量閥的開度，使生料穩定在設定值上，從而使得入窯的生料保持穩定，最終保障窯系統的穩定運行。
4、 煤粉制備系統
圖5 煤粉制備流程圖（參考《煤磨系統1.bmp》）
■ 出磨氣體溫度的自動控制
出磨氣體溫度直接關系到出磨成品水分和系統安全運轉問題。為了確保生產出合格的煤粉，同時還要保證系統溫度不能過高，控制系統中設置了磨機出口氣體溫度自動控制回路，通過改變磨機進口冷風閥門開度控制磨機出口氣體溫度穩定。
■ 磨機負荷自動控制
煤粉倉內煤粉量變化過大會影響煤粉喂料部分計量精度，在正常生產中煤粉倉中煤粉量應盡量恒定；同時也要保證磨機的正常安全運轉，防止“滿磨”。采用了由磨機電耳信號自動調節磨頭定量給料機喂料量的自動控制回路。
5、 燒成系統
圖6 燒成窯尾流程圖（參考《燒成系統1.bmp》）
■ 分解爐喂煤量的計量與自動調節
分解爐的溫度是保證回轉窯正常運行的一個重要控制參數。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行計量，以便實現優化控制，通過自動增減煤量對分解爐的溫度進行調節，使其控制在所需要的設定值上。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致生料粘結，影響窯系統的正常運行。
■ 預熱器出口壓力調節
預熱器出口壓力是反應系統風量平衡的一個主要指標，主要通過調節高溫風機閥門開度來實現預熱器出口壓力的控制。
■ 預熱器自動吹掃裝置
由計算機按一定的時間順序規律定時接通相應的各級預熱器上的電磁閥，輪流打開壓縮空氣管路，對預熱器進行逐級吹掃，以防結皮堵塞影響預熱器系統的正常運行，吹掃時間人工設定，一般為5s～20s。
圖7 燒成窯頭流程圖（參考《窯頭系統1.bmp》）
■ 窯頭負壓自動控制
窯頭負壓表征窯內通風及冷卻機入窯二次風之間的平衡。根據窯頭負壓自動調節電收塵器排風機進口閥門開度，以控制窯頭二次風量、窯尾三次風量、窯頭廢氣量三者的平衡，從而取得穩定煅燒和冷卻熟料之間的平衡。
■ 回轉窯的轉速控制
采用的策略是在穩定生料量、燃料量的前提下，通過對回轉窯轉速進行適當調整以維持整個窯系統的均衡穩定生產。
■ 篦冷機一、二室風量自動調節
二次空氣對于窯內燃燒的好壞、工作的穩定性和煅燒過程中的燃料消耗都有很大的影響。該系統控制目的就是通過穩定一、二室風量，從而穩定入窯新鮮空氣量，為窯的穩定運行提供條件，采取一室風量調一室風機閥門開度，二室風量調二室風機閥門開度的控制策略。
■ 篦冷機料層厚度自動調節
控制篦冷機料層厚度，一則穩定二次風溫，以穩定窯的正常運行，二則可使熟料達到最佳冷卻。因篦冷機料層厚度難以檢測，故在控制策略中采用篦下壓力調篦速，以穩定篦冷機料層厚度。對于二段式篦冷機而言，還涉及到一、二段篦速比例調節。
6、 廢氣處理系統
廢氣處理系統的關鍵在于對增濕塔的噴水量的控制，控制策略根據增濕塔出口溫度控制噴嘴個數，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
■ 喂料量控制
喂料量要求均勻、穩定，以磨音信號和出磨提升機的功率來調節入磨喂料量
■ 出磨氣體溫度的自動控制
通過對磨機通風量的調節來控制出磨氣體溫度
■ 選粉機的調節與控制
■ 熟料的存儲與輸送
輸送與存儲設備之間存在工藝聯鎖關系，采用“逆流程啟動,順流程停車”原則對設備進行順序控制
8、電力系統
圖8 電力系統
五、使用效果分析
本DCS系統采用西門子CPU和億維UNIMAT的遠程I/O站配合組成，建成后投運至今，運行一直穩定可靠，控制精度完全滿足設計要求，既節省了成本，又降低了能耗，提高了效益，完全實現了預期的目標。
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