基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS在水泥熟料生產(chǎn)線中的應(yīng)用

　　文章針對(duì)10000t／d水泥熟料的新型干法生產(chǎn)線，采用以基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)面向全廠生產(chǎn)過程的全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控管理一體化。
1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
　　樅陽海螺水泥有限公司10000t／d干法水泥熟料生產(chǎn)線項(xiàng)目，是我國(guó)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(xiàng)目主機(jī)設(shè)備引進(jìn)世界先進(jìn)水泥設(shè)備供應(yīng)商設(shè)備和技術(shù)，項(xiàng)目配套引進(jìn)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(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(kù)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)伸縮能力，系統(tǒng)編程采用國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)IEC61131—3?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線儀表設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
　　根據(jù)樅陽萬噸線項(xiàng)目的實(shí)際情況，系統(tǒng)硬件規(guī)劃采用的是ABB Industrial IT系統(tǒng)，實(shí)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(kù)、熟料輸送至碼頭這一段工藝流程的過程自動(dòng)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(chǎng)層和控制管理層。
2．1 現(xiàn)場(chǎng)控制層
　　現(xiàn)場(chǎng)控制層的作用是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的l／O信號(hào)進(jìn)行采集、運(yùn)算和邏輯順控處理，通過現(xiàn)場(chǎng)控制層網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)送入控制處理機(jī)，實(shí)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(shí)際操作的需要，本生產(chǎn)線共設(shè)置9個(gè)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(jìn)程周期運(yùn)行方式，任務(wù)運(yùn)行周期及優(yōu)先級(jí)可以自由組態(tài)，系統(tǒng)CPU引導(dǎo)程序存儲(chǔ)到閃存中，可以實(shí)現(xiàn)CPU軟件自由升級(jí)，系統(tǒng)支持在線組態(tài)、在線下載，給日常的運(yùn)行維護(hù)帶來了極大的方便。現(xiàn)場(chǎng)過程站采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線與操作員站及其它設(shè)備進(jìn)行通信，通信網(wǎng)絡(luò)為光纖星形冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于該控制器運(yùn)用了故障診斷的新技術(shù)，各過程控制站模件具備實(shí)時(shí)檢測(cè)及遠(yuǎn)程診測(cè)功能，考慮到萬噸水泥熟料生產(chǎn)線對(duì)控制系統(tǒng)的特殊性能要求，在設(shè)計(jì)的過程中均對(duì)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)控制方案，生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶畫面和報(bào)表等，從而在用戶與系統(tǒng)功能之間提供了一個(gè)接口，使操作員能夠觀察過程回路參數(shù)狀態(tài)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)和報(bào)警情況，實(shí)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(jìn)行操作方案組態(tài)，過程流程圖組態(tài)、趨勢(shì)畫面及各種報(bào)表組態(tài)等。
　　系統(tǒng)控制管理層中央控制室，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置1臺(tái)工程師站，6臺(tái)操作站，1臺(tái)信息管理站、1臺(tái)QC×管理站、3臺(tái)AS服務(wù)器、2臺(tái)CS服務(wù)器。
2.2．1 操作站（OS）
　　硬件平臺(tái)為工業(yè)控制機(jī)，軟件平臺(tái)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(jìn)行通信，由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)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(yùn)行在Windows2000 Professional SP3系統(tǒng)上。工程師站在不進(jìn)行組態(tài)時(shí)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(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)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)一體化等編程及調(diào)試。
2.2.3 信息管理站（MIS）
　　配置一臺(tái)DELL服務(wù)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(jìn)入工廠信息網(wǎng)，以供管理和決策。
2．3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
　　控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由中央監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散布局的控制站和遠(yuǎn)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(shí)時(shí)反應(yīng)、速度快、較高的可靠性和適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的特點(diǎn)。
2.3.1 中央監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)
　　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(luò)為1：2冗余配置的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(luò)較長(zhǎng)，并且是雙冗余配置，故采用30套導(dǎo)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(dāng)出現(xiàn)故障可以在30ms內(nèi)自動(dòng)切換到另外一條備用線路上，同時(shí)可以診測(cè)到故障發(fā)生位置，通信電纜采用光纜，具有較長(zhǎng)的通訊距離和較強(qiáng)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)
　　現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是連接控制器與I／0卡件、DP／PA耦合器等設(shè)備的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。S800 智能l／0采用Module Bus通信標(biāo)準(zhǔn)與AC800M控制器進(jìn)行通信。控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)采用Profibus—DP／V1現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，且總線通訊模塊均配置冗余。為提高自動(dòng)化控制水平，樅陽海螺10000t／d生產(chǎn)線上主線電機(jī)控制單元， 大部分采用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備的信息，可以監(jiān)視到每臺(tái)智能單元控制電機(jī)的電流。
2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)
　　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)主要連接現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備，該項(xiàng)目中采用Profibus—PA通信總線標(biāo)準(zhǔn)，并可以為現(xiàn)場(chǎng)總線儀表提供電源，與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)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(rèn)證）功能，可下掛127臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，本項(xiàng)目中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)主要分布在窯尾預(yù)熱器和窯頭篦冷機(jī)處，共計(jì)5條現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上掛接現(xiàn)場(chǎng)總線式壓力變送器。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)控制站）軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件（組態(tài)軟件）設(shè)計(jì)。而整個(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)），連續(xù)控制調(diào)節(jié)，順序控制，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，過程畫面顯示和管理，報(bào)警信息的管理，生產(chǎn)記錄報(bào)表的管理和打印，參數(shù)列表顯示，人機(jī)接口控制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能。其中具有報(bào)警檢測(cè)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(chǎng)控制站實(shí)現(xiàn)的。過程畫面的顯示和報(bào)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(jī)（組態(tài)軟件）軟件設(shè)計(jì)
　　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(tái)，根據(jù)工藝控制要求進(jìn)行組態(tài)畫面設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了22幅工藝流程監(jiān)控圖和相應(yīng)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(yù)熱器系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、篦冷機(jī)系統(tǒng)、熟料輸送及儲(chǔ)存、煤磨系統(tǒng)等監(jiān)控畫面，以及趨勢(shì)圖、模擬量棒圖、控制回路圖、設(shè)備連鎖圖、參數(shù)報(bào)表、報(bào)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(jī)控制單元，大部分采用現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制單元，在組態(tài)畫面時(shí)把各電機(jī)的詳信息均加入相應(yīng)電機(jī)的控制面板中，操作員可方面的監(jiān)控全場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息（電流、電壓、轉(zhuǎn)速等），也可隨時(shí)查閱設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)（過流、欠壓等故障報(bào)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(dòng)／手動(dòng)啟停設(shè)備前有電鈴警告；重要參數(shù)異常時(shí)給出信息提示和聲光報(bào)警；嚴(yán)格區(qū)分各操作員站和工程師站之間的操作權(quán)限，手動(dòng)啟停窯磨等大型設(shè)備時(shí)均有二次確認(rèn)，以免造成誤操作。在監(jiān)控畫面中，為了擴(kuò)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(biāo)右鍵功能，報(bào)警、趨勢(shì)、報(bào)表等信息均可通過右鍵方便地獲得。
3.2 下位機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)控制站）軟件設(shè)計(jì)
　　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(gè)基于Windows環(huán)境的編程軟件套件，為整個(gè)控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)應(yīng)用程序中混合使用。具有離線和在線迅速切換功能，可在運(yùn)行態(tài)更改數(shù)據(jù)和指令，保存動(dòng)態(tài)表格，插入斷點(diǎn)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。