1、水泥生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)謝國(guó)政摘要：本文介紹了以PLC為核心，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水 泥生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件組態(tài)。并對(duì)水泥生產(chǎn)過程 中的主要控制技術(shù)進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：DCS水泥干法生產(chǎn)1.概述二十世紀(jì)水泥工業(yè)有兩次重大的技術(shù)突破，第一次是回轉(zhuǎn)窯 在上世紀(jì)初得到全面推廣，提高了水泥的產(chǎn)量和質(zhì)量，奠定了水泥工 業(yè)作為現(xiàn)代化工業(yè)的基礎(chǔ)；第二次是五十年代懸浮預(yù)熱器和七十年代 預(yù)分解技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了水泥窯的熱效率和單機(jī)生產(chǎn)能力，促 進(jìn)了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展。由于濕法窯具有良好的均化性能，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良，且操作維護(hù) 方便，因而在20世紀(jì)上半葉一直是傳統(tǒng)窯型發(fā)展的主流。60年

2、代 初發(fā)展到頂點(diǎn)，最大的濕法窯規(guī)格為7.6X232M，產(chǎn)量3600t/d。 隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，生產(chǎn)技術(shù)和水泥設(shè)備制造技術(shù)及其有關(guān) 的材料性能的提高和自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，使生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò) 大和完善，加快了預(yù)熱器的大型化和發(fā)展，60年代預(yù)熱器窯投產(chǎn) 的數(shù)量已超過濕法窯，70年代的能源危機(jī)進(jìn)一步加速了干法生產(chǎn) 的進(jìn)程 預(yù)分解窯的出現(xiàn)，窯徑在相同的情況下，產(chǎn)量增加了一倍 以上，熱耗進(jìn)一步下降，為水泥產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)創(chuàng)造了條件，其投資 和生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于濕法窯。預(yù)分解窯的先進(jìn)技術(shù)綜合反映在以下方 面：水泥熟料熱耗一般水平為3100kJ/kg (740kcal/kg)，先進(jìn)的可達(dá) 2930kJ/kg

3、(700kcal/kg)。 水泥電耗一般水平為95100kWh/t.水泥，先進(jìn)的約8590kWh/t 水泥。窯系統(tǒng)年運(yùn)轉(zhuǎn)率一般為85%，先進(jìn)約為90%，生料磨的年運(yùn)轉(zhuǎn)率 可與窯匹配。勞動(dòng)生產(chǎn)率視生產(chǎn)線規(guī)模而定，大型生產(chǎn)線一般為800010000t 水泥/人.年，先進(jìn)的可達(dá)15000t水泥/人.年以上。有毒有害氣體排放量得到嚴(yán)格控制，粉塵排放量一般50mg/m3， 先進(jìn)的為1530mg/m3，NOx、SOx均低于控制指標(biāo)以內(nèi)。熟料質(zhì)量?jī)?yōu)良，達(dá)到國(guó)家所規(guī)定的高標(biāo)號(hào)熟料質(zhì)量要求。水泥工藝的重大變化對(duì)生產(chǎn)的自動(dòng)控制提出了更高的要求。DCS 系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)在水泥行業(yè)的推廣應(yīng)用為水泥工藝的變化提供了技術(shù)

4、 保證。目前控制系統(tǒng)硬件以國(guó)外品牌為主，控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件自行開 發(fā)。2.水泥生產(chǎn)過程DCS系統(tǒng)2. 1主要生產(chǎn)過程控制原理水泥生產(chǎn)工藝主要包括：生料制備、水泥燒成、水泥制成等 主要環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)直接影響到水泥生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)廠的經(jīng)濟(jì)效 益。水泥制成與生料制備在控制方面類似。故本文主要對(duì)生料制備、 水泥燒成進(jìn)行介紹。生料制備框圖生料制備控制原理本工段的主要控制環(huán)節(jié)是：生料質(zhì)量控制、原料粉磨機(jī)負(fù)荷控制、 原料粉磨入磨負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)。生料質(zhì)量控制生料質(zhì)量控制系統(tǒng)是通過入庫生料取樣系統(tǒng)，取出生料的平均試 樣，將試樣送到樣品制備間，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在熒光分析儀上分析生 料試樣的成份，把各種參數(shù)送入計(jì)算機(jī)，由

5、計(jì)算機(jī)計(jì)算出生料率值， 根據(jù)已設(shè)定的生料率值，然后進(jìn)行分析處理得到新的喂料比例，同時(shí) 用該信號(hào)控制原料配料庫下定量給料機(jī)的皮帶機(jī)速度，以改變各種物 料的配比，使得生料的率值符合要求的設(shè)定率值。原料粉磨機(jī)負(fù)荷控制原料粉磨機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)是通過立磨進(jìn)、出口差壓參數(shù)的檢測(cè)， 送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)分析處理，再控制配料庫底定量給料機(jī)的給料 量，以控制原料粉磨的喂料量，保證磨機(jī)運(yùn)行在最佳的工況狀態(tài)下。原料粉磨入磨負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)保持立磨內(nèi)適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速以及熱風(fēng)量與喂料量的適當(dāng)比例，對(duì)原料 系統(tǒng)熱工參數(shù)的穩(wěn)定及獲得合格的產(chǎn)品，起著至關(guān)重要的作用。其控 制方法是利用立磨入口壓力調(diào)節(jié)原料粉磨系統(tǒng)循環(huán)閥門開度來實(shí)現(xiàn)。水泥燒

6、成框圖水泥燒成控制原理本工段的主要控制煤粉制備、水泥煅燒、分解爐等環(huán)節(jié)。煤磨磨機(jī)負(fù)荷控制煤磨機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)是通過立磨進(jìn)、出口差壓參數(shù)的檢測(cè)，并送 入計(jì)算機(jī)由計(jì)算機(jī)分析處理，控制原煤倉圓盤喂料機(jī)的變頻裝置。通 過改變其圓盤喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)改變其喂料裝置的喂料量。實(shí)現(xiàn)對(duì) 煤磨磨機(jī)負(fù)荷的有效控制，以保證磨機(jī)安全運(yùn)行在最佳的工況狀態(tài) 下。煤磨出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)為確保煤磨的安全操作，保持磨內(nèi)溫度穩(wěn)定于安全限值以內(nèi)是十 分重要的。其控制方法是利用磨機(jī)出口溫度調(diào)節(jié)入磨冷風(fēng)閥閥門的開 度，確保磨內(nèi)溫度穩(wěn)定在要求的限值內(nèi)。C.五級(jí)旋風(fēng)筒出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)探求最佳運(yùn)轉(zhuǎn)操作，窯爐的熱工制度穩(wěn)定是一個(gè)重要因素。出五 級(jí)

7、旋風(fēng)筒氣體是窯尾廢氣和分解爐氣體充分混合的熱氣流，其溫度高 低，一則反映出五級(jí)旋風(fēng)筒入窯物料的分解率，二則也反映出爐內(nèi)燃 燒狀況。隨著窯尾氣體的變化及物料量的波動(dòng)，增減喂煤便可保持所 要求的穩(wěn)定溫度，減少入窯物料分解率的波動(dòng)，為窯內(nèi)熱工制度穩(wěn)定 創(chuàng)造了條件。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的手段為：五級(jí)旋風(fēng)筒出口溫度調(diào)節(jié)煤粉制備車間 喂煤秤轉(zhuǎn)速。入窯喂料量自動(dòng)控制通過計(jì)量秤計(jì)量出喂料量與給定的喂料量進(jìn)行比較，用其差值來 控制稱重倉下喂料電動(dòng)流量閥門的開度，從而來實(shí)現(xiàn)生料喂料量的穩(wěn) 定。入窯喂料量的給定值由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給出。窯尾生料稱重倉倉重自動(dòng)控制確保稱重倉下喂料電動(dòng)流量閥具有穩(wěn)定的料壓是保證沖擊流量 計(jì)精度的

8、關(guān)鍵。其控制方法是利用窯尾生料稱重倉倉重調(diào)節(jié)生料庫庫 下卸料閥的開度，保證窯尾生料稱重倉倉重維持在一恒定的水平。增濕塔出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)為了保證電收塵器的收塵效率，并保護(hù)電收塵器極板不變形，同 時(shí)兼顧本身沉集粉塵的含水量，自動(dòng)調(diào)節(jié)增濕塔噴水量是理想的方 法。而噴水量是根據(jù)增濕塔出口氣體溫度來調(diào)節(jié)噴水系統(tǒng)回水管道閥 門開度來實(shí)現(xiàn)。窯頭罩負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料充分燃燒，需要提供足夠的空氣量，然而過多的空氣量，只 加大了窯內(nèi)通風(fēng)量，增加粉塵飛揚(yáng)，降低窯內(nèi)溫度。相應(yīng)增加了熱耗。 因此控制入窯的空氣量保持穩(wěn)定是非常必要的。通過冷卻機(jī)電收塵器排風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥門的開度來調(diào)整窯頭罩負(fù)壓。 既可實(shí)現(xiàn)上述要求，又保證了窯爐用

9、熱風(fēng)與冷卻機(jī)余風(fēng)間的風(fēng)量、風(fēng) 壓平衡和合理分布。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的手段為：由窯頭罩負(fù)壓調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥門開 度。冷卻機(jī)風(fēng)機(jī)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)為使冷卻機(jī)工作狀況少受外來干擾，保持各室的恒定風(fēng)量是非常 必要的，因此對(duì)各室冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。其控制方法是通 過測(cè)量冷風(fēng)機(jī)入口流量來調(diào)節(jié)冷風(fēng)機(jī)入口閥門的開度。冷卻機(jī)蓖下壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)蓖冷機(jī)的蓖板上均勻穩(wěn)定的熟料料層厚度可以達(dá)到更好的冷卻 效果。但直接測(cè)量其厚度是比較困難的。根據(jù)流體理論，通過熟料料 層阻力與料層厚度成正比，故可以通過測(cè)量各冷卻室的壓力間接表示 熟料料層厚度，保持穩(wěn)定的壓力，便能獲得均勻穩(wěn)定的熟料料層厚度。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的手段為：通過調(diào)節(jié)蓖板速度

10、，即蓖板沖程次數(shù)來 維持蓖下壓力的恒定，從而達(dá)到維持冷卻機(jī)蓖板上均勻穩(wěn)定的熟料料 層厚度。使冷卻機(jī)工作在最佳工況。窯頭電收塵器入口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)為了保證電收塵器的收塵效率，并保護(hù)電收塵器極板不變形，同 時(shí)兼顧本身沉集粉塵的含水量，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻機(jī)噴水量是理想的方 法。而噴水量是根據(jù)窯頭電收塵器入口氣體溫度來調(diào)節(jié)噴水系統(tǒng)回水 管道閥門開度來實(shí)現(xiàn)。2控制系統(tǒng)配置該項(xiàng)目選用ABBIndustrial IT Freelance控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是面 向工廠自動(dòng)化的新一代開放式DCS系統(tǒng)，全面支持現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，系 統(tǒng)采用全局?jǐn)?shù)據(jù)庫技術(shù),實(shí)現(xiàn)全局一體化編程。系統(tǒng)通信為標(biāo)準(zhǔn)以太 網(wǎng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)擴(kuò)展能力，系統(tǒng)

11、編程采用國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)控制 站采用符合技術(shù)要求的遠(yuǎn)程I/O ABB S800并通過Profibus總線與 控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。水泥生產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)配置圖如附圖所示。DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概述根據(jù)用戶要求系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2層：第一層為現(xiàn)場(chǎng)控制層， 主要包括：PLC設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)分布式1/0、智能傳感元件、智能在線檢 測(cè)設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備等。主要完成系統(tǒng)設(shè)備的智能化、數(shù)字化控制及數(shù) 據(jù)采集功能。實(shí)現(xiàn)各控制器與I/O模件及智能儀表的通信；采用 ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用DP電纜，石灰石礦山由 于距離較遠(yuǎn)通訊采用光纜；第二層為集中監(jiān)控層，包括：操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī) 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，以

12、及監(jiān)控組態(tài)軟件、網(wǎng)絡(luò)通訊軟件等。該層為控制系 統(tǒng)人機(jī)接口，通過操作員站、工程師站實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的組合操作、狀 態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、工藝指標(biāo)顯示記錄、配料參數(shù)設(shè)定和報(bào) 警顯示、記錄功能。實(shí)現(xiàn)各控制器之間及與操作員站、工程師站的通 信：系統(tǒng)通信采用TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為光纜，通信速率為10MB/S；現(xiàn)場(chǎng)層ABB S800 I/O采用ProfiBus DP通信標(biāo)準(zhǔn)與AC 800F控 制器進(jìn)行通信；集中監(jiān)控層采用OPC數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)與公司MIS管理系統(tǒng)接口。DCS過程控制站概述過程控制站采用ABB AC 800F現(xiàn)場(chǎng)總線控制器，有：生料磨控制站；原料調(diào)配遠(yuǎn)程站；窯尾控制站；窯頭控制站；操

13、作員站概述 操作員站硬件選用適用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的DELL PC機(jī)，配置為：Intel Pentium 4 主頻 1.8GHz，RAM256MB， 48 倍光驅(qū)，硬盤 40GB, 軟盤 3.5 1.44MB，21 彩色 CRT。該系統(tǒng)設(shè)置5臺(tái)操作員站,操作員站安裝DigiVis 6.2軟件，操 作界面及菜單為中文。操作員站軟件運(yùn)行在Windows 2000操作系統(tǒng)上。操作員站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進(jìn)行通信，由于系統(tǒng)數(shù) 據(jù)庫為全局，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。顯示功能：支持一系列標(biāo)準(zhǔn)預(yù)定義顯示:如總貌顯示、回路及各過 程位號(hào)面板顯示（面板也可以根據(jù)用戶特殊要求實(shí)現(xiàn)自定義

14、）、控 制組顯示、趨勢(shì)顯示、報(bào)警顯示、過程信號(hào)記錄與操作記錄列表（實(shí) 現(xiàn)各種操作的實(shí)時(shí)記錄和實(shí)時(shí)打印）顯示等，用戶自定義流程圖顯 示即支持傳統(tǒng)DCS流程圖，又支持三維立體圖形畫面，軟件具有 強(qiáng)大的三維圖形庫可以調(diào)用，該庫可以由用戶自行擴(kuò)充，同時(shí)畫 面支持位圖功能，使作圖更加簡(jiǎn)單，畫面更加直觀。位號(hào)動(dòng)態(tài)顯 示不僅支持傳統(tǒng)數(shù)字表示，而且支持各種動(dòng)畫表示，同時(shí)還支持 彈出對(duì)應(yīng)操作面板、畫面切換、變量賦值等事件操作。圖形數(shù)量 無軟件限制，畫面數(shù)據(jù)更新時(shí)間為小于1秒，可以由編程軟件定 義。系統(tǒng)診測(cè)顯示：分為系統(tǒng)總體顯示、系統(tǒng)過程站顯示、系統(tǒng)模件 顯示三部分，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，診斷狀態(tài)信息在診測(cè)畫面

15、上以圖形方式顯示及文字詳細(xì)提示，故障提示信息為中文。趨勢(shì)顯示：系統(tǒng)支持2520個(gè)變量進(jìn)行趨勢(shì)組態(tài)，畫面可以進(jìn)行靈 活操作，同時(shí)支持FTP協(xié)議數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。實(shí)時(shí)操作記錄及打印。操作功能：用戶操作界面為圖形界面，所有操作風(fēng)格為“所見即 所得”操作風(fēng)格，操作方式為鼠標(biāo)操作，同時(shí)也支持鍵盤快捷鍵 操作方式；由于系統(tǒng)采用全局?jǐn)?shù)據(jù)庫方式，操作員站的所有標(biāo)簽數(shù)據(jù)直接與 過程站進(jìn)行存取，所以數(shù)據(jù)更新速率較快，所有軟手操也可以快 速被過程站響應(yīng)；在操作員站裝有一套OPC/DDE軟件，有以下用途：A.與工廠信息管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使DCS與MIS聯(lián)網(wǎng)并實(shí) 現(xiàn)不同操作平臺(tái)下的數(shù)據(jù)共享。B.生料質(zhì)量控制系統(tǒng)將X熒光

16、分析儀的分析數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算以 后傳給Freelance系統(tǒng)，再通過Industril IT對(duì)所控制的喂料設(shè)備 進(jìn)行配比自動(dòng)控制。Industril IT系統(tǒng)提供外部接口通訊裝置及通 信協(xié)議，協(xié)助生料質(zhì)量控制系統(tǒng)供應(yīng)商所提供的設(shè)備與DCS系統(tǒng)聯(lián) 網(wǎng)。工程師站概述該系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)工程師站，安裝CBF版本軟件，運(yùn)行在 Windows2000 系統(tǒng)上.工程師站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn) 硬件編輯、現(xiàn)場(chǎng)過程站編程、現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表組態(tài)、操作員站組態(tài) 一體化編程及調(diào)試。 CBF軟件支持現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取與編程功能。編程語言與圖形化編程語言標(biāo)準(zhǔn)IEC 1131-3完全兼容，根據(jù) 實(shí)際控制要求可任意選用FBD、LD、IL、SFC等方式。系統(tǒng)具備大量標(biāo)準(zhǔn)功能塊及功能子程序，如調(diào)節(jié)塊具備標(biāo)準(zhǔn)、 比率、步進(jìn)等功能塊供用戶根據(jù)實(shí)際情況選用，功能塊編程采用參數(shù) 表形式，語言面向儀表工程師語言。同時(shí)系統(tǒng)也提供用戶自定義接口 根據(jù)用戶要求開發(fā)專用功能塊。編程結(jié)構(gòu)采用項(xiàng)目樹結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)任務(wù)采用多任