可編程系統(tǒng)、集散系統(tǒng)及現(xiàn)場總線系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用
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在水泥生產(chǎn)中，過程控制系統(tǒng)完成生產(chǎn)工藝參數(shù)的檢測、顯示、記錄、調(diào)節(jié)、控制、報(bào)警等功能，它對提高水泥生產(chǎn)線的作業(yè)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量及縮短新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)周期起著極其重要的作用。其特點(diǎn)是對生產(chǎn)實(shí)時(shí)過程進(jìn)行控制，控制過程復(fù)雜，工藝滯后，監(jiān)控參數(shù)多且數(shù)據(jù)變化快，數(shù)據(jù)處理及貯存量大。根據(jù)過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及不同生產(chǎn)工藝過程控制要求，應(yīng)用不同的控制系統(tǒng)才可以既安全可靠又經(jīng)濟(jì)高效地完成生產(chǎn)任務(wù)。目前，國內(nèi)先進(jìn)的大、中型過程控制系統(tǒng)基本上以采用PLC 和DCS 為主。早期水泥行業(yè)的生產(chǎn)控制主要是采用常規(guī)儀表加繼電保護(hù)聯(lián)鎖控制，在現(xiàn)場設(shè)置電氣柜、儀表柜及操作臺?？刂剖覂?nèi)集中控制結(jié)合機(jī)旁單機(jī)控制。使得硬件數(shù)量和投資大量增加，安裝與維護(hù)不便，影響了生產(chǎn)效率。上世紀(jì)80年代，由于可編程控制器(PLC)的應(yīng)用，使水泥工業(yè)的自動化程度得到提高，每個(gè)車間單獨(dú)用PLC進(jìn)行控制，直至90年代初，可編程控制器與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的集散控制系統(tǒng)(DCS)開始應(yīng)用，這在一定程度上提高了水泥工業(yè)的自動化生產(chǎn)水平，改善了生產(chǎn)管理，而且，在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，各企業(yè)仍然會采用DCS系統(tǒng)。但是，隨著計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，水泥工業(yè)的自動控制系統(tǒng)正向著智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向邁進(jìn)，傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分層控制方式也開始向智能終端與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Confrol System）方向發(fā)展[1]。
下面簡要分析一下PLC、DCS 及FCS 在水泥生產(chǎn)過程控制中的不同應(yīng)用特點(diǎn)及選擇原則。同時(shí),解決好傳統(tǒng)儀表與現(xiàn)場總線的兼容問題。
2 各種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
2.1 PLC 系統(tǒng)
PLC 系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：工作可靠，運(yùn)行速度快；積木式結(jié)構(gòu)，組合靈活；良好的兼容性；程序編制及生成簡單、豐富；網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)。PLC 系統(tǒng)能很好地完成工業(yè)實(shí)時(shí)順序控制、條件控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)控制等功能；能夠完成模/數(shù)（A/D）、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。
2.2 DCS 系統(tǒng)
DCS 是目前工業(yè)過程控制領(lǐng)域里應(yīng)用很成熟的一類控制系統(tǒng), 與常規(guī)控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)相比, 它具有很好的適應(yīng)性和擴(kuò)張性, 控制功能主要由軟件實(shí)現(xiàn), 具有很高的靈活性和完善的控制能力, 由于系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)和各種冗余技術(shù), 系統(tǒng)的可靠性高, 加上完善的在線故障診斷技術(shù), 系統(tǒng)的可維修性好, 因此DCS 在工業(yè)過程控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展, 而且也取得了很好的控制效果。然而, 隨著控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 仍有一些問題有待解決。一是系統(tǒng)的開放性的問題。目前, DCS 通常都是由一個(gè)供應(yīng)商提供整個(gè)系統(tǒng)的所有部件, 包括軟硬件, 各廠家都有自己的通信協(xié)議, 產(chǎn)品之間不能兼容, 這實(shí)際上造成了系統(tǒng)的封閉, 也在一定程度上制約了DCS 的發(fā)展。另一個(gè)重要的問題是系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表的通信問題。目前, 現(xiàn)場測量儀表、執(zhí)行器與DCS 之間仍然是采用一對一的DC4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號。這種傳統(tǒng)的檢測、傳送和輸出方式存在以下缺點(diǎn)。
①每路信號必須使用一對信號線, 這一結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是信號線數(shù)目隨著測點(diǎn)的增多而增多, 給系統(tǒng)的擴(kuò)充和維修帶來一點(diǎn)困難, 且信號線的長度受到限制。②每路模擬信號之間必須有良好的隔離, 保護(hù)措施, 以防止互相干擾。③現(xiàn)場儀表本身沒有自檢功能, 無法向計(jì)算機(jī)報(bào)告儀表的狀態(tài), 由于接線不良所引起的誤差無法自動檢測。④各個(gè)現(xiàn)場檢測儀表的標(biāo)識與定位是通過接線確定的, 這是一種隱式的定義, 很容易發(fā)生錯(cuò)誤,而且查找困難。⑤儀表的輸出信號一般不能直接共享, 而必須在進(jìn)入計(jì)算機(jī)并成為數(shù)字信號后才能共享。在這樣的背景下, 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生, 它很好地解決了DCS 中開放性的問題以及系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表的通信問題[2]。
2.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
現(xiàn)場總線技術(shù)是20 世紀(jì)80 年代后期出現(xiàn)的,現(xiàn)場總線是指制造、生產(chǎn)過程中從控制室到現(xiàn)場儀表裝置之間的數(shù)據(jù)總線, 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表與計(jì)算機(jī)控制之間的全數(shù)字化、高性能、兩線制、多支路的通信網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場智能儀表使得控制系統(tǒng)的接線變得簡單,由于每個(gè)現(xiàn)場儀表就是一個(gè)控制站, 測量和控制在現(xiàn)場由現(xiàn)場儀表來完成, 而不依賴于系統(tǒng)的操作,與上位監(jiān)控系統(tǒng)相對獨(dú)立, 這樣, 現(xiàn)場儀表與系統(tǒng)的接線就簡化了, 從控制現(xiàn)場到控制中心只需要標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)線連接, 而且可以多臺儀表共用一對電纜, 這樣大大節(jié)約了電纜, 以及相應(yīng)的接線盒等硬件資源, 同時(shí)也為系統(tǒng)的硬件維護(hù)提供了方便, 減少了出現(xiàn)問題的可能性。
①系統(tǒng)具有很好的開放性。開放性是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性。一個(gè)開放的系統(tǒng), 是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備和系統(tǒng)連接, 通信協(xié)議一致公開, 各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線就是這樣的一個(gè)工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。
②互可操作性與互用性?；タ刹僮餍允侵富ミB的設(shè)備或系統(tǒng)之間可以互傳信息, 互用性即可替換性, 即不同廠家的同性能的產(chǎn)品可以互相替換。
③現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性?，F(xiàn)場智能儀表自身就可以完成計(jì)算與自動控制等基本功能,只有一些高級的控制任務(wù)才交給上位機(jī)來完成。同時(shí), 它還可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散。在DCS 控制系統(tǒng)中,分散與集中相結(jié)合, 雖然利用基本控制單元把控制任務(wù)分散, 但是仍然有很多的控制功能的實(shí)現(xiàn)依賴高層計(jì)算裝置, 而現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)了控制功能的徹底分散, 簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 提高了可靠性。
⑤對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性?，F(xiàn)場總線是一種廣泛應(yīng)用于工廠低層的網(wǎng)絡(luò), 是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計(jì)的, 可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等, 具有較強(qiáng)的抗干擾能力, 能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信, 并可以滿足本質(zhì)安全防爆等要求[3]。
3 傳統(tǒng)儀表與現(xiàn)場總線的兼容
在工業(yè)自動化領(lǐng)域, 現(xiàn)場總線已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用, 而且隨著大家對它的認(rèn)識的增多,對它的認(rèn)可程度也大大提高, 現(xiàn)場總線將有著廣闊的前景。但是, 由于現(xiàn)場總線的出現(xiàn)時(shí)間比較短,特別是在產(chǎn)品開發(fā)上面, 還沒有形成一個(gè)豐富的完善的產(chǎn)品市場, 而且由于目前協(xié)議的眾多, 更加分散了產(chǎn)品開發(fā)的力量, 使得現(xiàn)有的產(chǎn)品還不能完全滿足用戶的需要。對于用戶來說, 盡管現(xiàn)場總線系統(tǒng)有著這么多的優(yōu)點(diǎn), 但工程費(fèi)用也是他們是否采納該產(chǎn)品的考慮因素之一。目前智能儀表的價(jià)格都比較高, 用戶要全部采用這些新產(chǎn)品, 工程費(fèi)用會很大。對此,一個(gè)很好的解決的辦法是把傳統(tǒng)儀表“掛接”到總線上來, 這樣, 利用了總線的控制和通信技術(shù), 同時(shí)又節(jié)省了硬件開支, 特別是對于系統(tǒng)改造的用戶來說, 很好的利用了他們的已有設(shè)備。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀表與現(xiàn)場總線兼容的設(shè)備就是標(biāo)準(zhǔn)信號―現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場總線標(biāo)--準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換器。標(biāo)準(zhǔn)信號―現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器的主要功能是把由傳感器采集來的DC4～20mA 的模擬信號轉(zhuǎn)換為符合總線協(xié)議的數(shù)字信號, 完成計(jì)算、控制等基本控制任務(wù), 還對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)的在線診斷?？梢? 路或是4 路多路輸入, 減少每一路的成本。現(xiàn)場總線―標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換器的功能主要是將符合總線協(xié)議的信號轉(zhuǎn)換位CPU能夠識別的信號, 再進(jìn)行計(jì)算處理, 最后轉(zhuǎn)換為DC4～20mA 的模擬信號, 輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)[4]。
4 控制系統(tǒng)的選擇
由于現(xiàn)場總線FCS 系統(tǒng)仍處于發(fā)展階段，標(biāo)準(zhǔn)未統(tǒng)一，各設(shè)備生產(chǎn)廠家處于觀望狀態(tài)，現(xiàn)有總線標(biāo)準(zhǔn)的智能設(shè)備價(jià)格明顯偏高（如變送器2 萬元）。水泥行業(yè)具有調(diào)節(jié)回路較少、監(jiān)視參數(shù)多的特點(diǎn)，現(xiàn)場總線FCS 控制系統(tǒng)應(yīng)用較少，部分應(yīng)用也是作為PLC系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端，一般采用Profibus 總線。這里主要介紹DCS 與PLC 控制系統(tǒng)的選擇。隨著微電子技術(shù)尤其是個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC 和DCS 的性能都有了極大的改進(jìn)。PLC大大提高了數(shù)據(jù)處理功能和通訊與監(jiān)控功能，DCS 系統(tǒng)向開放性發(fā)展，操作站采用工控機(jī)，操作系統(tǒng)采用通用的Windows NT 操作平臺，PC 機(jī)豐富的軟件資源得以利用，因而大大降低了系統(tǒng)繁瑣程度和價(jià)格，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。PLC 和DCS 在搶占市場的過程中，兩者相互借鑒、滲透、融合，極大地增加了用戶在設(shè)計(jì)和使用中的選擇性。同時(shí)，由于各種控制系統(tǒng)生產(chǎn)制造廠家較多，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，也給系統(tǒng)選擇帶來一定困難?，F(xiàn)依據(jù)PLC 系統(tǒng)和DCS 的不同特點(diǎn)，在水泥建設(shè)和改造項(xiàng)目中，對過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型和應(yīng)用歸納總結(jié)以下原則進(jìn)行選擇。
4.1 按過程控制系統(tǒng)的控制規(guī)模及復(fù)雜程度
不同的水泥生產(chǎn)過程，過程控制系統(tǒng)控制規(guī)模與復(fù)雜程度不同，通常在過程控制系統(tǒng)規(guī)模較大、復(fù)雜程度較高時(shí)優(yōu)先選擇DCS。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是根據(jù)過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)發(fā)展而來的，它對大量的模擬量數(shù)據(jù)信息能較好地進(jìn)行處理、分析、運(yùn)算，能完成各種復(fù)雜、繁瑣的調(diào)節(jié)控制計(jì)算，因此能夠完成規(guī)模大、復(fù)雜程度高的過程控制系統(tǒng)的工作。2002 年在貴陽水泥廠二期工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)此項(xiàng)原則過程控制系統(tǒng)采用了日本橫河?XL DCS 取得了較好的效果，系統(tǒng)配置如圖1 所示。
4.2 按投資規(guī)模和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效率合理選擇
在一些中小型改造項(xiàng)目中，投資較少，規(guī)模較小的儀控系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇價(jià)格相對低廉、性價(jià)比較好的PLC 系統(tǒng)。如在2003年，重慶水泥廠技改工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)此項(xiàng)原則在過程控制系統(tǒng)中選用了美國德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的TI-545 系列PLC 系統(tǒng)，也取得了很好的效果。該系統(tǒng)配置如圖2 所示。BA 機(jī)架 RBC 遠(yuǎn)程控制器 PS 電源模塊 CPU 處理器 AI 模擬量輸入模塊 AO 模擬量輸出模塊 DI 開關(guān)量輸入模塊 DO 開關(guān)量輸出模塊 NIM 網(wǎng)絡(luò)連接模塊。
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