摘要：本文敘述了Schneider電氣公司的Modicon TSX Quantum所建立的集散控制系統自動化平臺在現代新型干法水泥行業的應用。特別介紹了系統的硬件配置、功能以及網絡組成等，對系統的穩定性、可靠性、經濟性、實用性進行了探討，指出了系統優化的方向，提出了DCS集散控制系統使用以及維護心得。提出很多優化系統穩定性的具體措施，倡導了現代水泥行業“鼠標+水泥”的思想，實現了人機雙控互動的控制策略。 概述：近年來，我國水泥工業正處于技術結構和產品結構調整時期，根據國家產業結構調整政策，促使國內水泥工業尤其是帶預分解窯的新型干法技術工藝得到了快速發展。 我公司是中國建材局下屬的中國聯合水泥分公司，一期工程采用日本三菱公司先進的窯外預分解技術，建設3000T/D熟料水泥新型干法生產線，先進的生產工藝對全廠電氣自動化控制有很高的要求。我公司綜合考察了國內水泥行業的普遍使用的控制系統，最終選用國際上比較先進的分散控制、集中管理的集散型控制系統（DCS）。該系統集計算機控制技術、通訊技術和圖形顯示技術為一體，通過中央控制室計算機集中控制整個生產線的各種操作，實現對全廠所有設備的工藝操作和電氣控制。 我公司在綜合考慮了各種因素后，最終確定采用性能價格比較高的法國施耐德公司的DCS系統。通過選用Quantum和Momentum之間的通訊組合，對全廠所有設備進行了安全可靠的電氣自動化控制，得到了很好的效果。本人從水泥生產線建設初期就參與了系統的設計、安裝、調試、維護以及改造等，從中積累了不少經驗和技術，就對Schneider公司的DCS系統在我廠的實際應用情況，談談自己的體會。并對DCS系統在水泥行業的展望以及提高系統的穩定性提出了自己的見解和看法。 [b]一、水泥生產工藝流程： [/b] 石灰石、砂巖、鐵粉、粉煤灰均化后按一定比例配料混合，經生料立磨粉碎研磨制成生料粉。生料粉經過均化送至預熱器，再經五級懸浮預熱器進行預熱，并投入分解爐進行窯外預分解，同時原煤經過粉磨制得的煤粉送至窯頭煅燒和分解爐進行無焰燃燒。預熱后的料粉進入回轉窯高溫煅燒，燒成熟料，高溫的熟料塊再經過蓖冷機進行冷卻和破碎，然后均化儲存水泥熟料。水泥熟料加入石膏、混合材、粉煤灰再按一定比例配料混合，經水泥磨粉磨制成不同標號的水泥成品，最后水泥成品經袋裝和散裝向外發售。完成整個生產工藝流程。 二、Quantum集散控制系統簡介： 根據新型干法水泥的生產工藝流程狀況，電氣拖動設備運行，設備按工藝布局和連鎖步驟完成從原料配料、原料粉磨、生料煅燒、煤粉制備、熟料儲存、水泥粉磨、水泥包裝等整個生產過程。該系統使設備保持在最大效率情況下運轉，電氣設備的安全和可靠對整個生產流程起到十分重要的作用。 隨著時代的發展，計算機網絡在工業控制中得到了廣泛應用。尤其Ethernet網絡更是獨領風騷，Windows 2000 Workstation和Windows 2000 Server內置的Ethernet協議運行穩定可靠，速度快。MonitorPro 的分布式數據庫結構充分發揮了網絡的優點，在Ethernet網絡上實現數據庫共享，數據交換能力強，實時性好，MonitorPro 的SQL/ODBC/OPC關系數據庫連接功能為實現工廠自動化提供了很好的解決方案，在國內外得到廣泛應用。本方案采用光纖作為介質，通訊速率達100M/s。系統計算機通過以太網通訊，將四個現場站的狀態和過程信息數據，在各控制室上位計算機上進行工藝圖形顯示，以實現整個生產工藝環節的集中監控。實現整個系統的數據共享。所有到現場站的網絡均為雙網冗余。 Modicon TSX Quantum PLC自動化系列產品是Schneider公司最新研究的成果，專門為適應過程控制需要而開發的產品。Modicon Quantum主機的邏輯是由在工業現場的輸入、輸出模塊來實現的，I/O模塊是經I/O總線鏈接到主機，形成一個完整的控制系統，Momentum模板是電氣信號轉換器，它將送至和來自現場裝置的信號如限位開關、接近開關、溫度傳感器、電磁閥、電動執行器等信號轉換成CPU能夠處理的信號和格式。所有與總線相連的I/O模板都經過光電隔離，確保模塊和通訊的安全和無故障運行。 在中央控制室內設置交換機和光電轉換設備，采用Ethernet協議可實現與現場站、生料質量控制系統、生產管理系統（MIS）及其它系統的通訊。DCS系統和配料秤、變頻器的通訊采用硬接線或者Mb+通訊方式。 該系統可以組成較復雜的本地I/O站，遠程I/O站，分布式I/O站。控制的輸入輸出信號通過各種I/O模板連接實現，各種I/O模板把現場采集的模擬量信號和數字量信號傳送到處理器的CPU內，進行信息處理和運算，通過網絡交換機把光纜信息傳輸至中央控制室供操作員操作，同時操作員把各種工藝要求命令通過光纜傳輸發送給處理器，控制現場設備的運行和參數自動調整。 該系統具有編程、組態、監控、操作控制工藝過程及要求等，配置Concept 2.5編程軟件和Monitor Pro 7.0上位機圖形監控軟件，可對各個現場控制站進行軟件編程，在線、離線調試，修改等功能。中控室通過軟硬件平臺，控制整個生產工藝過程。顯示生產工藝流程和相應的工藝動態參數的實時變化趨勢、歷史數據及記錄；顯示各種報警狀態并發出聲光閃爍，打印畫面上各種實時參數、報警記錄等；對現場控制站的各種主機、輔機設備按照所編制的程序控制順序起停等。現場控制通過軟硬件技術，利用Quantum CPU處理整個模塊所采集到的現場的各種信息，包括各種設備運行狀況和各種壓力、溫度、流量、料位、閥門開度、主機的運行電流值等信號。各種實時參數利用通訊模塊在本站和其它站之間相互通訊，傳輸到中央控制室。 [b]三、Quantum集散控制系統功能： [/b] Modicon TSX Quantum PLC采用Intel奔騰處理器，無論是邏輯控制、順序控制、時序控制、過程控制、數學運算、PID調節指令，處理速度均高達0.09ms/k。系統模板所有通道都相互隔離，所有模板都可帶電插拔，系統運行可靠性很強。 每個Quantum CPU均可與Modbus和Modbus+節口想匹配，組成QuantumCPU+Momentum模塊化系統。CPU模板內部存儲器可用于存放用戶指令，控制信號的輸入或輸出通過各種I/O模板實現。本地I/O最多支持32個模板，遠程I/O最多支持31個分站，一臺主機可帶三個分布式I/O網絡，189個節點。本地、遠程分布式背板都可電源冗余。安裝節點超過100000個。 用于工業控制的局域網絡，通訊距離電纜500米，使用中繼器2000米，光纜12000米。100/1000M高速光纜連接，支持多種網絡標準，Modibus Plus、Interbus-S、Profibus DP。使用工業標準TCP/IP協議。采用屏蔽雙絞線易于安裝和拆卸。 [b]四、Quantum集散控制系統配置： [/b] Quantum集散控制系統選用Schneider公司Quantum系列控制器，整個系統主干網采用Modibus Plus局域網，其主干網采用光纜作為介質，環形結構，具有冗余功能，當環路一個節點斷開時系統能自檢故障，并正常運行，不影響其它站之間的通訊。增強了系統的抗干擾能力，避免了高壓設備及功率變頻設備，通訊設備等可能造成的信號干擾。整個網絡系統結構簡單，可靠，硬件維護非常方便。 我公司Quantum集散控制系統分為經營管理層、生產監控層和自動化控制層，如下圖我公司DCS系統構成網絡結構圖。 本系統采取窯頭和窯尾通過光纖同時進中央控制室，一主一備，一旦任一路通訊出現問題，系統會自動切換，光纖環網的好處是在系統任何一個控制站都能通過移動工程師站來訪問其它的站點。 系統包括三個部分，即中央控制室、現場控制站和現場儀表。該DCS系統由工程師站，操作員站，通訊服務器以及光電轉換等設備組成，利用光纜把各個現場站組成環網，各個現場站之間相互備用，數據共享，大大提高了系統的可靠性和穩定性。現場采集的信號由窯尾站和窯頭站同時進入中央控制室軟件平臺，一主一備。提高了系統穩定性。中控室設置交換機和光纖轉換設備，采用Ethernet協議可實現與現場各站進行通訊，還可把生料質量控制，生產管理系統及其它系統之間進行通訊。 該系統能滿足經營管理者隨時了解生產運行情況，并打印各種報表；供生產部門統計每月產量、功耗、能耗以及成本利潤等進行核算；借助MIS工廠管理系統所建立的網絡平臺，可登陸Internet局域網瀏覽信息；供質量管理部門隨時監控各個質量參數的變化，及時調整參數的配比方案，達到優質高效地指導生產和經營；供應部了解設備損耗情況，能快速掌握易損件的備品備件情況，保障生產可靠運行；通過網絡通訊設備可供動力車間監控總降壓站（無人值守）各配電柜安全情況以及35KV兩段進線、母聯、變壓器、電容器、電動機保護監控、電量管理等情況；供中央控制室操作員根據現場設備狀況啟停設備，對DCS系統采集的各種模擬量信息經過科學地分析，及時了解相關參數趨勢，歷史數據，和報警紀錄等，匯總出各種報表，上報質量控制組，用于調整各種最佳參數方案，科學生產；工程師站可通過Concept 2.5編程軟件和Monitor Pro 7.0開發版軟件對各個組態畫面進行編程、修改、調試、監控等，維護整個系統的可靠運行，同時利用監控后臺可幫助電氣維修工進行疑難故障排除等。 本系統共設四個操作員站，均配制WIN2000 Workstation操作系統和Monitor Pro 上位圖形監控軟件，各操作站互為備用。上位機選用DELL原裝計算機（PⅢ2.2G，80G硬盤），彩色畫面，形象逼真，顯示直觀，操作方便。服務器采用SCSI服務結構，大硬盤存儲載體，負責和現場站通訊管理。另外配置一臺報警打印機各種操作利用鼠標控制生產設備，配合鍵盤修改工藝參數值。 每個現場控制站均包括CPU主機電源，I/O模塊，通訊模塊，光纖收發器，以太網通訊卡等。各現場控制站分別對各站電機、控制回路、執行機構、壓力/差壓變送器、溫度變送器、流量變送器、料位計、分析儀器等實現調節控制和監控。同時依靠先進的網絡通訊功能，來完成整個工藝生產過程。 DCS系統中央控制室、每個現場控制站均設有3VA，2小時在線UPS電源，保證整個網絡的暢通和現場一些重要設備的參數能夠傳輸至操作員，提高了DCS自動控制系統安全可靠性。 工廠內部的所有信息傳輸都通過Schneider公司創建的Quantum DCS系統運作的游刃有余。因此說，我們選擇Schneider公司的產品，就是選擇了它的系統的安全性和可靠性，就是選擇了源源不斷的效益和高額的利潤。 五、Quantum集散控制系統維護心得： 每個Quantum CPU均具有Modbus和Modbus+接口用于與上位或其它設備通訊。采用模塊化的、可擴充的結構，它特別適合于工業及生產過程的實時控制。它由CPU、I/O、智能模板、電源、背板等構成。 1.由于現代水泥行業用電設備功率大，類型雜，為了提高系統的可靠性和維護方便，全廠所有信號在進入PLC之前均轉換為統一標準信號，模擬量采用4～20mA、數字量采用220VAC電壓等級，所以整個系統PLC的I/O模塊有4種，即DI、DO、AI、AO。要充分掌握四種模塊的性能特點以及接線方式，這樣可以在系統出現問題時能快速解決問題，提高修機質量和速度，從而提高效益。 2.DCS系統要安排專人進行定期維護，發現有接觸不好的中間繼電器或者已損壞的其它電氣元件要立即更換。一般每天要巡檢各個現場控制站三次（每班一次），發現問題立即準確地解決。由于水泥行業的環境所限，一個月要清灰一次，灰塵特別大的環境要每半月清灰一次。每六個月要緊固端子接線排。每一年要停機進行系統檢查、改造等，每兩年要更換主要設備數字量和模擬量中的元器件，如中間繼電器、隔離器等。防止由于電氣元件老化引起更大的事故。 3.雖然系統處處在優化干擾的問題，但是外部的信號仍不時會相互干擾系統。由于水泥工廠設備的工作環境相對較差，電磁干擾、粉塵污染等要求控制系統設備抗干擾抗腐蝕能力要強。在數字量信號上，采取公共接地，所有零端接地并入接地網，基本上可以避免線路壓降所造成的信號衰減的問題。模擬量信號上我們采取了增加信號隔離器來使輸入輸出信號相互隔離，由于其模擬量通道近似于250歐電阻，一些特殊的干擾較大的且使用隔離器不能很好地起到隔離作用的情況下，應在隔離器輸出端并聯4.7uF電容消除干擾，會起到很好的效果。 4. 我廠多次出現AI卡件部分通道燒壞的現象，并且燒壞的通道還會使鄰近的一個或幾個通道相互干擾，造成中控的信號不穩定現象。經檢查發現我廠所用的電動機保護器變送出的信號不穩定，導致部分通道燒壞。因此建議需要去中控的電流信號，應使用標準電流互感器，再選用隔離器把0～5A信號轉變為4～20mA的信號進卡件。把強電和弱電隔離，保護模塊，提高系統的穩定性。 5.由于DI信號采取單獨空開控制，且有部分信號去現場控制放礦閥、電機轉速和保護等，我公司系統采用火線（220V）去現場，導致DI信號外部一旦短路或者接地，會使空開跳閘，使整個站點設備全部跳停。由于現場設備較多，無法準確快速地判斷故障位置，空開無法合閘，快速的方法就是把火線和零線對調，讓去現場的火線變成零線，然后送電，系統恢復正常。我們經過多次研究和探討發現，在一次設備大修期間，把DCS系統進行了改造，方法是把去現場的信號與去電氣室的信號用單獨的空開控制，一旦外部短路或接地，系統只是局部跳閘，不會導致整個站點的設備全部跳停。并且去現場信號盡量集中在一個或幾個卡件上，這樣出現問題時更換比較方便，不會引起其它的不必要的停機。還應把電動機的電流信號集中在一個卡件上，這樣即使有問題電流通道也可相互調換。 6. 開關量信號易接觸不好，建議把DCS柜內的DI、DO信號觸點和備用觸點并聯使用，既延長了中間繼電器的使用壽命，又提高了觸點的可靠性。 7.在設計系統時還應考慮有足夠的余量供增加設備或者替換有問題的元件。8.更換模塊會造成該站通訊中斷，會使所有的設備或部分運行的設備轉化為現場運行，設備失去連鎖作用，中控員無法操作設備，更無法了解設備的運行狀況，容易發生設備事故和人身事故，因此建議在不要輕易導致通訊中斷，待設備檢修和停機維護時更換。 8.我公司有時會出現服務器死機的現象，需要重啟服務器才可以正常運行，建議在設計初期應考慮增加備用服務器。一旦出現主服務器出現死機的現象，立即自動無擾動地投入備用服務器來提高系統的穩定性和可靠性。 9.針對水泥廠窯系統的特點，窯尾現場站和窯頭現場站采用雙機熱備方，案，雙機熱備采用140CHS21000熱備套件，特點是實現了在主站故障情況下可以無擾動切換到從站。 [b]六、結束語： [/b] 高配制的網絡系統以及功能完善的Quantum DCS系統，為我公司營造了快速穩定的智能控制系統。因此說，Quantum DCS系統在我公司3000T/D熟料水泥生產線的應用是成功的。由中控員統一集中控制，突出中控室的控制、指揮作用，改善了控制環境，降低了勞動強度，達到了減員增效的目的。整個系統具有良好的人機界面，完全滿足工藝需求和生產需要，操作方便，容易掌握，維護簡單，實用性強，是目前PLC控制系統在水泥行業中一個典型的應用實例。 我們成功地響應了國家、河南省關于水泥工業結構調整的號召，其先進的工藝和自動化技術，先進的管理水平以及超前的環保意識為淘汰落后的水泥生產工藝打造生態河南作出了應有的貢獻。 [b]參考文獻： [/b] [1] 李文裴，施耐德DCS系統在3000 t/d生產線控制中的應用 《水泥》 [M] 2005.N0.10 [2]施耐德電氣與水泥行業 2006