基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS在水泥熟料生產(chǎn)線中的應用

　　文章針對10000t／d水泥熟料的新型干法生產(chǎn)線，采用以基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)，設(shè)計面向全廠生產(chǎn)過程的全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控管理一體化。
1 項目簡介
　　樅陽海螺水泥有限公司10000t／d干法水泥熟料生產(chǎn)線項目，是我國建設(shè)的第一條日產(chǎn)10000噸的干法水泥熟料生產(chǎn)線。整套項目主機設(shè)備引進世界先進水泥設(shè)備供應商設(shè)備和技術(shù)，項目配套引進的DCS控制系統(tǒng)選用的是瑞典ABB Indus—trial IT控制系統(tǒng)，控制器為AC800M過程控制器，該系統(tǒng)是面向工廠自動化的新一代開放式DCS系統(tǒng)，全面支持現(xiàn)場總線技術(shù)，系統(tǒng)采用全局數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)全局一體化編程。系統(tǒng)通信為標準以太網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強伸縮能力，系統(tǒng)編程采用國際化標準IEC61131—3?，F(xiàn)場控制站采用ABB S800智能l／O 卡件，通過Profibus DP和Profibus PA協(xié)議與現(xiàn)場總線儀表設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。
2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計
　　根據(jù)樅陽萬噸線項目的實際情況，系統(tǒng)硬件規(guī)劃采用的是ABB Industrial IT系統(tǒng)，實現(xiàn)石灰石礦山、原料調(diào)配、原料粉磨、廢氣處理、生料均化及生料入窯、熟料燒成和熟料入庫、熟料輸送至碼頭這一段工藝流程的過程自動化控制。
　　該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)按照功能自上而下分為現(xiàn)場層和控制管理層。
2．1 現(xiàn)場控制層
　　現(xiàn)場控制層的作用是對現(xiàn)場的l／O信號進行采集、運算和邏輯順控處理，通過現(xiàn)場控制層網(wǎng)絡將相關(guān)數(shù)據(jù)送入控制處理機，實現(xiàn)過程控制和順序、邏輯控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和實際操作的需要，本生產(chǎn)線共設(shè)置9個過程控制站，過程控制站采用ABB公司最新的AC8OOM過程控制器，系統(tǒng)執(zhí)行方式采用多進程周期運行方式，任務運行周期及優(yōu)先級可以自由組態(tài)，系統(tǒng)CPU引導程序存儲到閃存中，可以實現(xiàn)CPU軟件自由升級，系統(tǒng)支持在線組態(tài)、在線下載，給日常的運行維護帶來了極大的方便。現(xiàn)場過程站采用標準以太網(wǎng)線與操作員站及其它設(shè)備進行通信，通信網(wǎng)絡為光纖星形冗余拓撲結(jié)構(gòu)。由于該控制器運用了故障診斷的新技術(shù)，各過程控制站模件具備實時檢測及遠程診測功能，考慮到萬噸水泥熟料生產(chǎn)線對控制系統(tǒng)的特殊性能要求，在設(shè)計的過程中均對關(guān)鍵的通訊模塊和控制模塊做冗余配置，從而大大提高了整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
2.2 控制管理層
　　控制管理層的作用是實現(xiàn)集中操作和統(tǒng)一管理，通過監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)過程，實現(xiàn)控制方案，生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用戶畫面和報表等，從而在用戶與系統(tǒng)功能之間提供了一個接口，使操作員能夠觀察過程回路參數(shù)狀態(tài)，實時趨勢、歷史趨勢和報警情況，實現(xiàn)設(shè)備起停，過程回路操作和參數(shù)調(diào)整等，過程工程師可以通過操作站調(diào)出過程組態(tài)畫面進行操作方案組態(tài)，過程流程圖組態(tài)、趨勢畫面及各種報表組態(tài)等。
　　系統(tǒng)控制管理層中央控制室，根據(jù)實際需要，設(shè)置1臺工程師站，6臺操作站，1臺信息管理站、1臺QC×管理站、3臺AS服務器、2臺CS服務器。
2.2．1 操作站（OS）
　　硬件平臺為工業(yè)控制機，軟件平臺為Windows 2000 ProfessionalSP3、AC 800M／C Connect、OPC Server for AC800MC 3．2、Process Portal A、VB RunTjme 6．O，等軟件。OS功能和權(quán)限由工程師站決定，操作員站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進行通信，由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為OPC方式，所以操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面完全可以共享，互為冗余備份。
2.2．2 工程師站（ES）
　　安裝Control Builder M Professional 3I2（組態(tài)軟件）、Mcrosoft Visual Basic 6．0、Process Portal A， 運行在Windows2000 Professional SP3系統(tǒng)上。工程師站在不進行組態(tài)時可兼作操作員站使用。工程師站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進行通信，可以實現(xiàn)DCS系統(tǒng)硬件編輯、現(xiàn)場過程站編程、現(xiàn)場總線智能儀表組態(tài)、操作員站組態(tài)一體化等編程及調(diào)試。
2.2.3 信息管理站（MIS）
　　配置一臺DELL服務器， 裝有Windows Server 2000sP3、AC 800M／C Connect、OPC Server for AC 800MC3 2、第三方OPC 軟件，使生產(chǎn)信息（DCS、PLC、窯胴體掃描儀等）進入工廠信息網(wǎng)，以供管理和決策。
2．3 系統(tǒng)網(wǎng)絡
　　控制系統(tǒng)網(wǎng)絡由中央監(jiān)控網(wǎng)絡和現(xiàn)場網(wǎng)絡兩部分組成，計算機網(wǎng)絡將分散布局的控制站和遠程站等相連接，構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)，由于系統(tǒng)所完成的是工業(yè)控制，具有實時反應、速度快、較高的可靠性和適應惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的特點。
2.3.1 中央監(jiān)控網(wǎng)絡
　　中央監(jiān)控網(wǎng)通信采用TCP／IP協(xié)議以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為多模光纜， 其網(wǎng)絡為1：2冗余配置的星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，與AC800M 控制器通信速率為10Mbps，與操作站通信速率為100MBps，因各控制站比較分散，網(wǎng)絡較長，并且是雙冗余配置，故采用30套導軌安裝型光纖集線器通信模件，該集線器提供雙冗余供電，雙路光纖接口，可以將光纜接成冗余星形結(jié)構(gòu)，通信模件內(nèi)置冗余管理功能， 當出現(xiàn)故障可以在30ms內(nèi)自動切換到另外一條備用線路上，同時可以診測到故障發(fā)生位置，通信電纜采用光纜，具有較長的通訊距離和較強的抗干擾能力。信息管理站、QCX管理站做為DCS中央監(jiān)控網(wǎng)和工廠信息網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)，工廠信息網(wǎng)與熒光分析儀等設(shè)備采用OPC方式與DCS進行數(shù)據(jù)交換。
2.3.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡
　　現(xiàn)場總線網(wǎng)絡是連接控制器與I／0卡件、DP／PA耦合器等設(shè)備的實時控制網(wǎng)絡。S800 智能l／0采用Module Bus通信標準與AC800M控制器進行通信?？刂葡到y(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡采用Profibus—DP／V1現(xiàn)場總線標準，且總線通訊模塊均配置冗余。為提高自動化控制水平，樅陽海螺10000t／d生產(chǎn)線上主線電機控制單元， 大部分采用現(xiàn)場總線智能控制單元， 通過Profibus—DP總線與DCS連接，極大地減少了電器柜到控制系統(tǒng)的電纜，通過總線可以盡可能地獲得現(xiàn)場設(shè)備的信息，可以監(jiān)視到每臺智能單元控制電機的電流。
2.3.3 現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡
　　現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡主要連接現(xiàn)場儀表設(shè)備，該項目中采用Profibus—PA通信總線標準，并可以為現(xiàn)場總線儀表提供電源，與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡之間通過Profibus—DP／PA耦合器連接，通信速率為93．75KB／s，具有FISCO（防爆區(qū)認證）功能，可下掛127臺現(xiàn)場總線設(shè)備，本項目中現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡主要分布在窯尾預熱器和窯頭篦冷機處，共計5條現(xiàn)場總線設(shè)備網(wǎng)絡，網(wǎng)上掛接現(xiàn)場總線式壓力變送器。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為下位機（現(xiàn)場控制站）軟件設(shè)計和上位機軟件（組態(tài)軟件）設(shè)計。而整個系統(tǒng)過程控制軟件包括：過程數(shù)據(jù)輸入輸出，數(shù)據(jù)表示（又稱為實時數(shù)據(jù)庫），連續(xù)控制調(diào)節(jié)，順序控制，歷史數(shù)據(jù)的存儲，過程畫面顯示和管理，報警信息的管理，生產(chǎn)記錄報表的管理和打印，參數(shù)列表顯示，人機接口控制，實時數(shù)據(jù)處理功能。其中具有報警檢測的過程數(shù)據(jù)的輸入輸出、連續(xù)控制調(diào)節(jié)、順序控制是在過程控制層的現(xiàn)場控制站實現(xiàn)的。過程畫面的顯示和報警記錄打印等在集中操作監(jiān)視層通過組態(tài)軟件完成。
3 1上位機（組態(tài)軟件）軟件設(shè)計
　　控制管理層的軟件開發(fā)采用ABB公司的Process PortalA工控組態(tài)軟件。利用該組態(tài)軟件平臺，根據(jù)工藝控制要求進行組態(tài)畫面設(shè)計，該項目設(shè)計了22幅工藝流程監(jiān)控圖和相應的設(shè)備起停操作畫面以及參數(shù)監(jiān)控畫面。包括水泥熟料生產(chǎn)過程DCS控制系統(tǒng)礦山破碎系統(tǒng)、生料配料、生料磨系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、預熱器系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、篦冷機系統(tǒng)、熟料輸送及儲存、煤磨系統(tǒng)等監(jiān)控畫面，以及趨勢圖、模擬量棒圖、控制回路圖、設(shè)備連鎖圖、參數(shù)報表、報警總圖等監(jiān)控畫面，各畫面之間切換方便、快捷。各畫面的操作權(quán)限均可在工程師站自由組態(tài)。
　　鑒于樅陽海螺10000t／d生產(chǎn)線上主線電機控制單元，大部分采用現(xiàn)場總線智能控制單元，在組態(tài)畫面時把各電機的詳信息均加入相應電機的控制面板中，操作員可方面的監(jiān)控全場各個設(shè)備的動態(tài)信息（電流、電壓、轉(zhuǎn)速等），也可隨時查閱設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)（過流、欠壓等故障報警信息）。為了貫徹“安全第一”的方針，以確保設(shè)備和人身安全，在中控自動／手動啟停設(shè)備前有電鈴警告；重要參數(shù)異常時給出信息提示和聲光報警；嚴格區(qū)分各操作員站和工程師站之間的操作權(quán)限，手動啟停窯磨等大型設(shè)備時均有二次確認，以免造成誤操作。在監(jiān)控畫面中，為了擴大系統(tǒng)的信息量，使操作員更加方便快捷的查閱工藝狀況和設(shè)備信息，在開發(fā)過程中加入并豐富了鼠標右鍵功能，報警、趨勢、報表等信息均可通過右鍵方便地獲得。
3.2 下位機（現(xiàn)場控制站）軟件設(shè)計
　　該系統(tǒng)控制器編程軟件為Control Builder M軟件，該編程軟件是一個基于Windows環(huán)境的編程軟件套件，為整個控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一個統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境。該軟件包采用了結(jié)構(gòu)化的程序結(jié)構(gòu)，提供了5種符合IEC 1 131—3標準的編程語言， 即梯形圖（LD）、功能塊（FBD）、指令表（IL）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）和流程圖（SFC），他們可在同一個應用程序中混合使用。具有離線和在線迅速切換功能，可在運行態(tài)更改數(shù)據(jù)和指令，保存動態(tài)表格，插入斷點等。Control Builder M 支持在線下載、離線仿真和在線模擬，可通過圖形化界面得到CPU、通訊口、I／0 模塊等的診斷信息及故障信息。