PLC在水泥生產(chǎn)線上的應(yīng)用

1　現(xiàn)狀  

　　近十幾年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的功能和結(jié)構(gòu)不斷改進，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，深受廣大用戶好評，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，相互競爭，已成為當(dāng)今工業(yè)控制系統(tǒng)的生力軍。 
　　
全國現(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，成本相對較低。對于整個控制過程中以開關(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250萬元，而采用PLC控制系統(tǒng)只需190萬元，節(jié)約投資約24%。表1列出了江西珠山水泥廠PLC計算機控制系統(tǒng)I/O點數(shù)分布情況，該廠PLC計算機控制系統(tǒng)開關(guān)量輸入、輸出占79.6%，投資為180萬元。  

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

2　施工圖設(shè)計 

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

2.1.1　控制方式選擇 
　　水泥廠的電動機控制方式有兩種，集中優(yōu)先控制方式和機旁優(yōu)先控制方式。 
　　選擇集中控制方式時，計算機根據(jù)工藝流程圖及保護要求，將按預(yù)先安裝好的程序，由操作員對需要的分組進行起?？刂?。 
　　選擇機旁控制方式時，人工在機旁單獨開、停機，以利于單機試車。 
　　選擇零位控制方式時，集中和機旁均不能開車，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，機旁可以立刻停車；同樣，中控室可以進行一個子系統(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、運行可靠、指標(biāo)先進、經(jīng)濟合理的原則，又充分考慮到國內(nèi)電氣設(shè)備的制造水平及現(xiàn)狀，主要電氣設(shè)備及元器件采用進口產(chǎn)品或引進技術(shù)生產(chǎn)制造的產(chǎn)品。對要求調(diào)速的場合，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)容量大且對起動力矩要求較高的地方，如窯主傳動、冷卻機等可采用直流調(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)，提供給計算機遠方控制方式接口，以盡量減少主控系統(tǒng)的開銷，并可就地試車。 

2.1.3　自動化設(shè)備選型 
　　
壓力變送器盡量選用測量范圍大的產(chǎn)品，減少型號種類，以方便日常維護或備件準(zhǔn)備。一般場合的溫度測點選用熱電阻、熱電偶監(jiān)測元件，大型機械設(shè)備或大型電動機的保護熱電阻溫度信號，如回轉(zhuǎn)窯托輪、主電動機繞組溫度等熱電阻信號，全部進入計算機由中控室集中監(jiān)視。窯筒體測溫裝置、窯尾預(yù)熱器一級筒出口處氣體分析儀、生料質(zhì)量控制系統(tǒng)、窯頭和篦冷機用監(jiān)控工業(yè)電視系統(tǒng)通常為獨立完整的監(jiān)控系統(tǒng)，其部分必要的信號應(yīng)進入計算機。 

2.2　計算機控制系統(tǒng) 
　　
計算機系統(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)中一些實際應(yīng)用情況，這些廠現(xiàn)均已正式投產(chǎn)，計算機控制系統(tǒng)運行狀況良好。 
由于各廠的系統(tǒng)構(gòu)成很相似，下面以某700t/d水泥廠為例作簡要介紹。 
　　
系統(tǒng)采用美國Modicon公司的Quantum系列可編程控制器組成集散控制系統(tǒng)，對主要工藝流程生產(chǎn)線的設(shè)備進行控制。結(jié)合本廠工藝流程及生產(chǎn)特點，全廠共設(shè)四個現(xiàn)場站和4個操作站(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)場站及中控室均配有UPS備用電源。 

2.2.1　計算機運行環(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 
　　運行軟件:Monitor Pro運行版 
　　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) 
　　下位機軟件:Concept Version2.1 XL 

2.2.2　控制管理級 
　　控制管理級是由1個中央控制室和1個局部控制室的多臺操作站、工程師站等組成。 
　　中央控制室:設(shè)置3臺操作站，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，且工藝上獨立性較強，因此單獨設(shè)置一臺操作站，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 
　　過程控制級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，實現(xiàn)對所轄設(shè)備的過程控制和順序控制。 

2.2.4　通訊網(wǎng)絡(luò) 
　　計算機網(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 

　　計算機系統(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)電動機和成套電控裝置的順序起動、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)具有動態(tài)參數(shù)和動態(tài)符號的工藝流程圖畫面的顯示； 
　　6)實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線畫面的顯示； 
　　7)異常工況的報警窗口顯示及報警報告打?。?nbsp;
　　8)工廠日、月、季、年及隨機報告打印。 
　　
計算機系統(tǒng)的需要安裝的軟件通常分為兩部分:上位機組態(tài)監(jiān)控運行軟件和下位機運行軟件，一般由計算機制造商負(fù)責(zé)提供。軟件的編制設(shè)計也就相應(yīng)分為上位機和下位機兩部分進行。1)～3)項通過下位機軟件編制實現(xiàn)，4)～8)項由上位機軟件設(shè)計完成，這兩部分應(yīng)充分銜接。 
　　
該計算機控制系統(tǒng)的軟件功能及特點如下:操作員通過操作站上顯示的工藝流程及控制畫面，可隨時監(jiān)視全廠的電氣設(shè)備運行情況，在起動畫面內(nèi)對各車間的電氣設(shè)備分組進行集中起停控制，必要時可由工程師站在線監(jiān)控、強制電氣設(shè)備運行和修改有關(guān)設(shè)定參數(shù)；對全廠的熱工參數(shù)和電氣設(shè)備的運行狀況進行監(jiān)視、控制，并可以通過打印機輸出各種生產(chǎn)報表和報警信息。 

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每一個過程參數(shù)進行實時監(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)備具有動態(tài)顯示效果，操作員可在操作站上對全廠生產(chǎn)過程進行監(jiān)控。畫面的切換方式是通過用鼠標(biāo)點按相應(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；儲庫與料倉剖面圖形中的填充色顯示料位的變化，并設(shè)有料位報警；參數(shù)的位號及量程范圍實時顯示；閥門操作面板可顯示現(xiàn)場測量值和開度設(shè)定，并具有超時報警和復(fù)位功能；轉(zhuǎn)速操作面板可顯示測量值和速度設(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、顯示運行狀態(tài)、瞬時流量、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?，可實現(xiàn)對各車間的設(shè)備進行分組起動和停止，并通過電動機上的指示燈來顯示各設(shè)備電動機的運行狀態(tài)。按工藝要求的不同每個操作站分為若干組進行起停操作，并且開停機均設(shè)有必要的時間間隔。 

3.4　電氣聯(lián)鎖 
　　設(shè)備控制方式分為機旁單機控制和集中聯(lián)鎖控制兩種。正常生產(chǎn)時，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、起動及運行中設(shè)備過程聯(lián)鎖控制等。參加聯(lián)鎖控制的某臺電氣設(shè)備在起動或停機出現(xiàn)誤操作時，該組設(shè)備均不能起動或停機。 

3.5　緊急停機 
　　可按車間實現(xiàn)緊急停機，先彈出一個確認(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　報警窗口 
　　
報警窗口位于各流程畫面的底部，顯示當(dāng)前報警信息。報警窗口包括報警顯示、報警信息確認(rèn)鍵及報警綜合畫面切換鍵。 

3.7　報警一覽畫面 
　　包括報警設(shè)備名稱、工藝編號、電氣編號及日期時間，分為報警信息顯示區(qū)、報警信息篩選區(qū)和信息確認(rèn)區(qū)?？蓪崿F(xiàn)對報警信息選擇、確認(rèn)、滾動查找，按故障類型或區(qū)域篩選和排序。對新到、已確認(rèn)、已消失的報警信息條采用不同的顏色顯示。 

3.8　實時趨勢和歷史趨勢曲線 
　　可觀測到相應(yīng)測點的實時趨勢曲線。在相應(yīng)車間的歷史趨勢模式下，可對以前15d的測量數(shù)據(jù)按日期和時間進行查詢，可實現(xiàn)曲線平移、曲線放縮、用顯示網(wǎng)格方式觀察曲線上某點的測量值大小。 

3.9　分解室喂煤量自動調(diào)節(jié)回路 
　　該調(diào)節(jié)回路通過對窯尾分解室、混合室及五級預(yù)熱器出口溫度的監(jiān)測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)回路還通過對煤粉倉煤粉密度的給定來計算給煤量，顯示有關(guān)參數(shù)的趨勢曲線圖，并設(shè)有手動方式。 

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)運行指令、數(shù)據(jù)保留、計時器、解釋性程序、報警登錄、報表打印、EDI(外部設(shè)備接口)、計數(shù)器、數(shù)據(jù)庫和打印機等；用戶任務(wù)包括:用戶任務(wù)運行指令、圖形運行、數(shù)據(jù)保留、報警一覽、解釋性程序、計數(shù)器、趨勢記錄和數(shù)據(jù)庫等。 
　　此外還有屏幕打印和報表打印功能。 

4　軟、硬件安裝調(diào)試步驟 

　　1)按設(shè)計選型及配置要求檢查到貨硬件； 
　　2)按規(guī)范和計算機自身要求處理系統(tǒng)接地和屏蔽接地，以避免對系統(tǒng)干擾； 
　　3)按規(guī)范和計算機自身要求完成接線工作并核對接線的正確性； 
　　4)對計算機系統(tǒng)硬件進行通電測試檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理； 
　　5)安裝系統(tǒng)軟件，進行網(wǎng)絡(luò)通訊調(diào)試； 
　　6)安裝已編制好的工控應(yīng)用軟件，并進行組態(tài)和下裝； 
　　7)采用在線監(jiān)控和強制方式進行開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)采集回路的測試，發(fā)現(xiàn)問題及時查找原因和處理； 
　　8)如條件允許可全部或部分進行模擬控制運行試驗； 
　　9)系統(tǒng)投入運行，進行聯(lián)動試車，并對其技術(shù)性能進一步補充和完善； 
　　10)系統(tǒng)驗收交接，由廠方操作人員獨立進行日常操作和維護。 
　　在現(xiàn)場實際施工過程中，電氣設(shè)備單機試車與計算機系統(tǒng)的安裝調(diào)試大多同步進行，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)場調(diào)試過程中的修改和完善工作。 

5　結(jié)束語 

　　對于國內(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)，對生產(chǎn)線上的主要車間進行集中管理、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)品在市場上的競爭能力。另外，隨著PLC技術(shù)水平的提高，其計算能力、響應(yīng)速度、聯(lián)網(wǎng)能力、靈活性和可維護性已經(jīng)達到或超過了傳統(tǒng)的DCS，性能價格比有了更大的提高，從而進一步推動了PLC控制系統(tǒng)在中小型水泥廠的應(yīng)用。