張衛(wèi)民：自動化領(lǐng)域最新發(fā)展趨勢和水泥行業(yè)的應(yīng)用

　　在國家倡導(dǎo)“兩化融合”的大背景下，水泥發(fā)展必然也需要走出一條屬于自己的“生產(chǎn)-管理”智能一體化道路。中國水泥網(wǎng)將于6月15日（6月14日全天報(bào)到）在江蘇南京舉辦2013第六屆中國水泥信息化與自動化高峰論壇，會議將以“智能化管控”為主題，圍繞水泥行業(yè)電子商務(wù)拓展；多元化發(fā)展的信息化建設(shè)；自動化專家系統(tǒng)；自動化先進(jìn)控制等重點(diǎn)問題展開探討。

　　現(xiàn)將中國水泥網(wǎng)高級顧問、自動化專家張衛(wèi)民對自動化領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢及其在水泥行業(yè)的應(yīng)用的判斷和觀點(diǎn)分享給諸位。

　　我國水泥工業(yè)和其他流程工業(yè)一樣，面臨著市場和能源，清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，高效和規(guī)范，負(fù)責(zé)和協(xié)調(diào)的挑戰(zhàn)。節(jié)能、環(huán)保、安全、高效是每一水泥集團(tuán)必須要面對的課題，而自動化技術(shù)和這四大目標(biāo)又是緊密相連，本文將就當(dāng)今自動化領(lǐng)域內(nèi)和水泥行業(yè)有關(guān)的最新發(fā)展趨勢做一簡述，以便為我國水泥工業(yè)發(fā)展，搭建更為廣闊的交流和溝通的平臺。

　　一．信息技術(shù)推動自動化

　　以信息技術(shù)改造水泥行業(yè)，以信息化推進(jìn)自動化，自動化再促使節(jié)能、環(huán)保、安全、高效四大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，已成為業(yè)界的共識。

　　國內(nèi)一些大水泥集團(tuán)諸如中國建材、中國中材、海螺水泥、山水、冀東、華新、華潤、金隅、亞泰、臺泥等，在當(dāng)前競爭不斷加劇的壓力下，也緊跟這股信息化的潮流，推進(jìn)自動化的發(fā)展，這些集團(tuán)在現(xiàn)有的水泥生產(chǎn)線已經(jīng)應(yīng)用數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS/PLC)配置同時(shí)，在過程控制級（PCS）的上端，還增加了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES ）層，并正在策劃和運(yùn)作ERP，即企業(yè)資源規(guī)劃和管理層。MES是企業(yè)管控銜接的核心環(huán)節(jié)，是管理信息系統(tǒng)和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的紐帶， 制造執(zhí)行系統(tǒng)包括有生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、銷售子系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、環(huán)保檢測系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、辦公自動化管理系統(tǒng)和綜合管理子系統(tǒng)等，通過這些子系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)“管控一體化”。

　　當(dāng)今在水泥市場供大于求，產(chǎn)能過剩，競爭激烈的形勢下，某些大水泥集團(tuán)由于初步實(shí)現(xiàn)了MES的運(yùn)營，其集團(tuán)化管理的控制力和執(zhí)行力明顯提高，精細(xì)化運(yùn)行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，實(shí)現(xiàn)了綜合效益的大幅增長。筆者認(rèn)為水泥生產(chǎn)是連續(xù)性很強(qiáng)的流程工業(yè)，其生產(chǎn)實(shí)時(shí)性，季節(jié)性強(qiáng)，品種又較單一，生產(chǎn)中干擾因素多，它基本不以訂單來計(jì)劃生產(chǎn)，故一些專業(yè)軟件公司開發(fā)的MES軟件往往不能完全適應(yīng)水泥行業(yè)，水泥集團(tuán)大多是自己在開發(fā)MES，集團(tuán)之間信息透明度還不夠，正在運(yùn)營的MES，應(yīng)該還是初期的，同時(shí)要把生產(chǎn)調(diào)度和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的決策統(tǒng)一成為真正的企業(yè)管理級（ERP）還需要進(jìn)一步開發(fā)，主要問題是企業(yè)對工業(yè)控制系統(tǒng)、部分管理系統(tǒng)如財(cái)務(wù)、銷售等較為重視，通常對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理信息化重視不夠，未能實(shí)現(xiàn)綜合的業(yè)績指標(biāo)。

　　國外一些大的建材企業(yè)研究應(yīng)用MES已取得了一定的成效，如海德堡集團(tuán)，該公司通過采集生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)以及有關(guān)原材料，資源和半成品和成品等相關(guān)數(shù)據(jù)，追蹤流程績效、成本結(jié)構(gòu)以及對環(huán)境的影響，再確定關(guān)鍵的績效指標(biāo)，又返回來通過過程自動化來指導(dǎo)生產(chǎn)，而一些自動化公司則推出了MES的執(zhí)行方案，將流程行業(yè)企業(yè)的目標(biāo)更加高效地在生產(chǎn)層中得到執(zhí)行，如Honeywell公司在石化、電力領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的Business FLEX，PKS 等。

　　二．自動化技術(shù)的互補(bǔ)與滲透

　　DCS、PLC、IPC是自動控制領(lǐng)域的三大支柱，它們之間競爭激烈，但又取長補(bǔ)短和相互滲透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，某咨詢集團(tuán)把其稱之為PAC。水泥行業(yè)作為較典型的流程工業(yè)決定了其開關(guān)量邏輯控制的主導(dǎo)地位，同時(shí)模擬量的處理多為簡單的顯示和給定，控制回路基本上為并不復(fù)雜的單回路調(diào)節(jié)，這些特點(diǎn)適合于HCS的應(yīng)用。目前市場以PLC為主導(dǎo)地位的ABB、Siemens、Schneider、Rockwell等公司紛紛推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，如Siemens的PCS7，ABB的800xA、800F，800M，Schneider的Modicon Quantum，Rockwell的ControlLogix等，已作為主導(dǎo)產(chǎn)品在水泥行業(yè)推廣，并已取得不俗的業(yè)績。

　　混合系統(tǒng)HCS的主要特點(diǎn)是：構(gòu)建一個(gè)公共的、集成的開發(fā)環(huán)境，提供通用開發(fā)平臺、共用標(biāo)簽和單一數(shù)據(jù)庫，以滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的需要；

　　同時(shí)它采用了可自由組合的模塊化的硬件架構(gòu)，減少系統(tǒng)升級帶來的開銷。它支持IEC61158等現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)高度分散的自動化環(huán)境，也支持事實(shí)上的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可方便地和上一級的ERP、MIS、MES集成。 水泥行業(yè)用得較多的ABB的800xA、800F系統(tǒng)，能與與ERP連接，ABB還針對水泥，礦產(chǎn)部推出了KM系統(tǒng)(knowledge manage)，它主要是生產(chǎn)報(bào)表系統(tǒng)再加上化驗(yàn)室系統(tǒng)，據(jù)悉華新集團(tuán)正在應(yīng)用KM系統(tǒng)，ABB與國外經(jīng)典ERP廠商SAP有合作關(guān)系，但由于SAP價(jià)格過于昂貴，目前國內(nèi)沒有應(yīng)用，國內(nèi)各大水泥集團(tuán)，如能進(jìn)一步改善開發(fā)環(huán)境，不斷積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)專家系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)集團(tuán)的MIS和MES更完整的集成，最終達(dá)到以“管控一體化”為目標(biāo)的ERP。[Page]

　　三. 自動化系統(tǒng)更注重功能和信息安全

　　安全生產(chǎn)越來越引起人們的關(guān)注，人的生命高于一切，已成為衡量現(xiàn)代工業(yè)的重要指標(biāo)，對于安全事故多發(fā)的我國，意義更為重要。自動化控制系統(tǒng)主要考慮的安全有：電氣安全、防爆安全、信息安全和功能安全。信息安全是指由于信息泄密、黑客入侵等系統(tǒng)的安全性；功能安全是指控制系統(tǒng)所執(zhí)行的安全功能失效引起的可能危險(xiǎn)。目前已相繼出臺的國際標(biāo)準(zhǔn)有IEC61508-電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，IEC61511-關(guān)于過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，一般以整體安全等級SIL來評估風(fēng)險(xiǎn)程度，共有4級，安全等級SIL越高，風(fēng)險(xiǎn)就越低。

　　水泥行業(yè)已大多采用新型水泥干法工藝，它是連續(xù)性很強(qiáng)的工藝過程，并已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的順序和連鎖控制，筆者認(rèn)為新型干法工藝其安全等級是較高的。要進(jìn)一步提高整體安全等級必須增強(qiáng)故障診斷環(huán)節(jié)；人機(jī)操作界面要便于故障的監(jiān)測；對生產(chǎn)規(guī)模越大的生產(chǎn)線，如日產(chǎn)萬噸熟料的生產(chǎn)線系統(tǒng)配置要提高冗余度，另外信息安全也必須高度關(guān)注，要特別增強(qiáng)煤磨車間的防爆安全等級，對于設(shè)置低溫余熱發(fā)電的企業(yè)，整體安全等級SIL要高于一般企業(yè)。

　　在自動化領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)今紛紛出臺了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如Siemens的故障安全容錯S7F/FH系統(tǒng)，Rockwell的Gruard  PLC等，有的公司則配置專用的安全模塊和相應(yīng)的組態(tài)軟件，并由被動的維護(hù)、診斷發(fā)展到預(yù)防性安全措施，與此相適應(yīng)還出臺了許多安全協(xié)議，如PROFIsafe、CIPsafety等。

　　四. 控制系統(tǒng)由集中向分散化發(fā)展

　　智能化分布式I/O是將某一部分I/O組成一個(gè)有自治能力的節(jié)點(diǎn)，其本身帶有處理器，獨(dú)立完成某一部分的控制。由于組合在一個(gè)框架內(nèi)，它可直接安裝在現(xiàn)場，甚至空間十分有限的地方，但它同時(shí)又可鏈接到中央計(jì)算機(jī)，從而將控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)簡化為二層結(jié)構(gòu)。許多有名的PLC廠商大都推出了分布式I/O，如Siemens的ET200系列，Rockwell的Flex ArmorI/O， Wago的WAGO-SPEED WAY 767等高速智能I/O。

　　智能化分布式I/O將使水泥生產(chǎn)線的系統(tǒng)配置可更趨扁平化，原設(shè)置的遠(yuǎn)程I/O場合，如礦山、預(yù)配料站等可用智能化分布式I/O替代，以節(jié)省I/O安裝電纜和控制系統(tǒng)整體的開銷。

　　五. 無線通訊技術(shù)進(jìn)一步滲透控制領(lǐng)域和無線變送器的應(yīng)用

　　無線通訊技術(shù)作為有線控制系統(tǒng)的補(bǔ)充，正方興未艾地用于工業(yè)自動化系統(tǒng)中，也是工業(yè)自動化產(chǎn)品一個(gè)新增長點(diǎn)，運(yùn)行于2.4GHz 1SM波段的跳頻擴(kuò)頻（FHSS）無線傳輸技術(shù)具有優(yōu)良的抗干擾性和高可靠性，無線局域網(wǎng)和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了無線傳輸?shù)母采w范圍。無線通訊的數(shù)據(jù)安全性是人們所關(guān)心的，但可以通過加安全密碼和加密密碼等一系列措施來確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。目前如霍尼威爾，艾默生，ABB等有許多無線變送器和相應(yīng)無線控制系統(tǒng)配套產(chǎn)品，無線控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)也正在制定和統(tǒng)一，如無線溫度壓力變送器，無線雷達(dá)液位計(jì)等，無線標(biāo)準(zhǔn)有HART基金會推出的HART無線通訊新協(xié)議ISA100和WIA-PA等。

　　無線通訊技術(shù)現(xiàn)在汽車、石化、水處理等行業(yè)有較多應(yīng)用，在水泥行業(yè)，有的大集團(tuán)局部輔助流程也采用了無線技術(shù)，如冀東水泥集團(tuán)在循環(huán)水泵站已采用了無線控制，浙江有些水泥廠采用無線控制裝卸散裝水泥船等，考慮到有些水泥廠占有的物理空間很大，有些工藝測量的位置難于安裝，而有些工藝測量點(diǎn)環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)的硬連線安裝器件成本又過高，如果改用無線變送器能夠節(jié)約能源，減少配線和維護(hù)費(fèi)用。

　　六. 人機(jī)界面更趨人性化

　　人機(jī)界面已全系列化，包括手持式、面板式、臺式和PC機(jī)式。今后的人機(jī)界面已不僅僅局限于SCADA以及編程、監(jiān)控和診斷等，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，人機(jī)界面可以為操作和管理人員提供越來越多的信息，功能強(qiáng)大的模塊化軟件和多客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，使人機(jī)界面成為企業(yè)實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息以及商務(wù)垂直集成的統(tǒng)一的軟件平臺，它也是連通到外部世界的媒介。通過驅(qū)動器或OPC來驅(qū)動各種I/O模塊，總之人機(jī)界面已演變?yōu)橐粋€(gè)完整的系統(tǒng)。國內(nèi)某水泥集團(tuán)MES的運(yùn)營，集團(tuán)化管理的控制主要依靠是多種人機(jī)界面，通過OPC實(shí)現(xiàn)了集團(tuán)內(nèi)各個(gè)水泥生產(chǎn)線之間的信息交換，也實(shí)現(xiàn)了主控系統(tǒng)和各子控制系統(tǒng)的互連，如生料質(zhì)量控制系統(tǒng)等。[Page]

　　七．中子式活化分析儀

　　由于X射線熒光分析儀組成的生料質(zhì)量控制系統(tǒng)并不能做到真正的“在線”實(shí)時(shí)分析，為進(jìn)一步穩(wěn)定生料質(zhì)量，減少或取消原料中間儲存的環(huán)節(jié)，簡化流程，國內(nèi)一些水泥廠采用了前饋控制用于質(zhì)量控制，即用γ射線分析儀對運(yùn)行中的皮帶機(jī)上的物料進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行各種計(jì)算，最終在線給出各種原料配比，控制各種原料的喂料量，以保證實(shí)際控制的各項(xiàng)質(zhì)量參數(shù)跟蹤設(shè)定值。美國熱電公司開發(fā)的跨帶式CBX的中子式活化分析儀，可以在線調(diào)節(jié)配料，減少了原料的成分波動， 使得工藝的波動降到最低.，同時(shí)對原料的分析以及控制是實(shí)時(shí)的高頻的工藝過程控制，使得原料的配料均化效果達(dá)到最佳結(jié)果. 用它可以降低或省去預(yù)均化堆場的投資，下圖是云浮天山項(xiàng)目的一個(gè)具體案例。它還可將分析結(jié)果反饋到礦山開采運(yùn)輸上，實(shí)施開采的質(zhì)量控制，做到合理開采，有效保護(hù)礦山的資源。

　　八. 變頻器性能更加擴(kuò)展

　　變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域已從常規(guī)的風(fēng)機(jī)、泵類等拓展到輸送、喂料機(jī)械等，在行業(yè)應(yīng)用面上也越來越廣，因而其功能也進(jìn)一步提升并多樣化，一方面是全數(shù)字化、功能齊全、能夠補(bǔ)償負(fù)荷變化的自適應(yīng)、調(diào)諧技術(shù)，特別是分布式具有通信、聯(lián)網(wǎng)功能和集成PLC的高端變頻器。另一方面是簡易或?qū)Ｓ玫淖冾l器以及機(jī)電一體化的變頻器。就開展控制技術(shù)而言，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制、無傳感器矢量控制是發(fā)展方向，目前速度響應(yīng)約為2ms，電流響應(yīng)能達(dá)到 0.1到0.5ms。速度調(diào)節(jié)的發(fā)展趨勢是提高速度的控制精度，一般在閉環(huán)時(shí)，對應(yīng)于全范圍，調(diào)速比為1:100或更高時(shí)，速度控制精度高達(dá)0.05%。另外變頻器性能在低速時(shí)的過載能力，穩(wěn)定的、四象限運(yùn)行能力以及一機(jī)驅(qū)動多臺電機(jī)的負(fù)荷平衡等方面也有所增強(qiáng)。

　　在水泥行業(yè)為實(shí)施節(jié)能降耗，在風(fēng)機(jī)、泵類、輸送設(shè)備、喂料機(jī)械等已廣泛應(yīng)用，如何在低速時(shí)經(jīng)受較大的過載轉(zhuǎn)矩，降低對電力系統(tǒng)的干擾，提高中壓變頻器的性價(jià)比是對制造商提出的課題。現(xiàn)在各大水泥集團(tuán)大多采用國產(chǎn)中壓變頻器作為中壓變頻器的首選方案，由于性價(jià)比較高，目前已在對國外的EPC項(xiàng)目中普遍采用。

　　九.看火工業(yè)電視和窯內(nèi)紅外測溫系統(tǒng)合二為一新型的自動化裝置

　　由于比色測溫效果并不理想，現(xiàn)在市場有引進(jìn)的測燒成帶溫度的紅外高溫計(jì)和看火工業(yè)電視合二為一新型的自動化裝置問世，看火工業(yè)電視顯示包括燒成帶溫度在內(nèi)的各點(diǎn)溫度，節(jié)省了為比色高溫計(jì)設(shè)置的冷卻和清掃裝置，同時(shí)監(jiān)控更為直觀，主要用于不間斷地實(shí)時(shí)檢測水泥窯內(nèi)煅燒情況，并和DCS系統(tǒng)通信。它不是最新技術(shù)，但隨著通訊技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)時(shí)檢測更有效，對窯系統(tǒng)的優(yōu)化控制起到積極作用美國的SYN-FAB公司在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)已廣泛應(yīng)用，在水泥行業(yè)也開始采用。

　　十．電能管理系統(tǒng)

　　電能管理系統(tǒng)應(yīng)該是MES一子系統(tǒng)，水泥企業(yè)是能源大戶，以噸水泥電耗90千瓦時(shí)測算，電力成本占成品比例高達(dá)20%，降低電費(fèi)成本對于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和節(jié)能減排都具有重要意義，本文單列為一節(jié)。目前大部分水泥廠均已經(jīng)建立了能源管理機(jī)制，但電能的計(jì)量還是以人工抄表為主，對于現(xiàn)代化的企業(yè)管理已經(jīng)相對十分滯后。

　　采用電能管理系統(tǒng)，準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)的獲得用電回路的各類數(shù)據(jù)是進(jìn)行用電分析、負(fù)荷管理、表計(jì)運(yùn)行狀況監(jiān)測、電費(fèi)自動結(jié)算的基礎(chǔ)。同時(shí)也是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。

　　十一．結(jié)論

　　隨著國家宏觀經(jīng)濟(jì)方針的戰(zhàn)略性改革調(diào)整，水泥產(chǎn)能過剩，水泥工業(yè)發(fā)展將不如過去，但I(xiàn)T，通訊技術(shù)，傳感器技術(shù)將會以更快速度發(fā)展，也一定會推動中國水泥工業(yè)自動化水平更進(jìn)一步發(fā)展和提高，以盡快實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效這四大目標(biāo)，同時(shí)由于EPC項(xiàng)目將在未來幾年中占據(jù)主導(dǎo)地位，我們將推動世界水泥工業(yè)自動化的發(fā)展和提高。