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UniMAT PLC在某水泥厂DCS控制系统中的应用

水泥 2012-11-27

本文介绍了采用西门子CPU和亿维UNIMAT的远程I/O站配合组成的某水泥厂DCS系统设计、设计思想、系统配置与功能实现，并阐述了水泥生产的控制要点、策略及控制效果。

　　一、系统概述

　　工程范围：为日产2500吨新型干法水泥生产线提供完整的集散控制系统（DCS），满足水泥生产需要，为生产高品质水泥提供稳定性保障。

　　控制系统设计的总体目标：

　　（1）为生产高品质水泥提供可靠的运行环境；

　　（2）提高整个水泥生产线的自动化水平；

　　（3）实现机组高品质运行，提高运行经济性；

　　（4）提高运行人员工作效率，满足机组运行全能值班要求；

　　（5）提高效益，降低能耗。

　　二、系统设计及应用时的设计思想

　　1、功能设计：体现DCS建成后的自动化程度、处理事故能力（报警、分析、指导、处理等）及先进的控制策略等，以最大限度提高效益，降低能耗为设计思想。具体如下：

　 1.1对象控制

　　（1）按工艺流程的自动化过程由DCS系统协调完成，达到能量平衡。

　　（2）保障机组安全、可靠、高效运行和启停。

　　1.2提高机组运行的技术经济效益

　　（1）机组在额定参数的上限运行，使机组处于最佳运行工况。

　　（2）实现高自动化投入率，提高可靠性，减少误操作，降低事故率。

　　1.3完善的操作指导和事故分析手段

　　（1）机组的运行工况可由很多监测参数反映出来，当运行工况出现异常时，一方面进行超驰功能及过程制约机制的实行，一方面提供相关参数、趋势、图表等高效方式通知运行人员及时处理。

　　（2）操作记录打印、报警打印、事故追忆打印、周期性报表等功能，有助于机组的日常管理和事故分析。

　　（3）高效、便捷的系统在线维护。

　　2、系统设计：体现DCS的高可靠性、先进性、易维护、易组态等为设计思想。具体如下：

　　2.1可靠性设计

　　（1）所有部件标准化、通用化、模块化。

　　（2）控制系统按分层、分散、自治的原则。

　　（3）所有I/O模件均为智能化设计，采用隔离措施，具有高共模抑制比和差模抑制比。并具有软件数字滤波和消除偶发干扰的措施。

　　2.2维护性设计

　　（1）系统自诊断至通道级。

　　（2）选用模块化的功能组态软件，提高软件透明度。

　　2.3扩展性设计

　　（1）采用工业以太网网络结构，通讯速率100mpbs，主干网采用冗余环网，各子站通过双绞电缆挂接在主干网络上，有极强的通讯扩展能力。

　　（2）提供与其它系统的通讯接口，如工业以太网、PROFIBUS DP或MODBUS。

　　2.4开放性设计

　　(1)支持国际标准数据接口，如OPC、ODBC、OLE、DDE、SQL等。

　（2）支持SIS系统，实现对DCS数据的监控。

　　三、系统配置与功能实现

　　根据水泥生产的特点和实际I/O点的设计分布情况，进行以下设计方案，设计的基本功能包括：原料配料系统、生料磨系统、生料均化系统、烧成系统、窑头系统、煤磨系统、电力系统、报警系统以及趋势图等，系统按工艺流程分别介绍如下：

　　1、原料配料系统

　　控制系统主要对水泥生产所需原料铁粉、砂岩和石灰石的料位计进行自动化控制，实现各原料间的合理、高效配比。配料的目的是为了确定各种原料、燃料的消耗比例和优质、高产、低消耗地生产水泥熟料。其原则是：配制的生料易磨易烧，生产的熟料优质，生产过程易于操作控制和管理，并简化工艺流程。

　　2、生料磨系统

　　粉磨是将小块状（粒状）物料碎裂成细粉的过程。生料磨是将原料配合后粉磨成生料的工艺。主要包括生料磨、选粉机以及粉尘回收功能等。合理的生料磨系统对保证生料质量和产量，提高熟料的质量和产量，降低单位产品电耗等有重要意义。

　　3、生料均化系统

　　生料均化是采用空气搅拌及重力作用下产生的“漏斗效应”，使生料粉向下降落时切割尽量多层料面予以混合。同时，在不同流化空气的作用下，使沿库内平行料面发生大小不同的流化膨胀作用，有的区域卸料，有的区域流化，从而使库内料面产生径向倾斜，进行径向混合均化。

　　4、烧成系统

　　烧成系统是将生料转变为熟料的过程，直接决定水泥的产量和质量、燃料和衬料的消耗以及回转窑的安全运转。其关键技术是悬浮预热技术、分解炉和回转窑，分别承担水泥熟料煅烧过程的预热、分解以及烧成。

　　5、窑头系统

　　窑头系统的篦式冷却机作用在于高效、快速地实现熟料与冷却空气之间的气固换热。在对熟料骤冷的同时，还有对入窑二次风及入炉三次风得到加热升温任务。

　　6、水泥粉磨及包装为后期工程，暂未开工。

　　7、电力系统

　　主要是对生料电力室高压柜和烧成电力实高压柜实现实时监控。

　　8、网络配置

　　水泥生产的各个控制站极为分散，此时系统的安全很大程度上取决于控制网络的稳定性。冗余光纤环网技术的设计与采用使得我们的过程控制网络极为可靠，大大提高了整个系统的安全系数。本控制系统硬件结构如下图所示：

图1 控制系统硬件结构示意图

[Page]

　　系统从硬件结构上可分为：

　　（1）操作员站(OS站)和工程师站(ES站)

　　DCS系统配置4套独立的操作员站（OS站），其中远程配料、生料磨粉、烧成窑尾窑中、窑头及煤磨一个OS站，即4个操作员站（每个操作站带24寸液晶显示器），在中央控制室还配有一个ES站。每套OS均采用成熟、可靠的DELL商用计算机。

　　OS站为操作员提供图形、列表、操作、历史数据再现等，可在打印机上输出。运行Windows XP多任务网络操作系统下的WINCC6.2应用软件。所有OS站均为全能值班配置，图像、操作、数据一致，实现现场启停、监控、数据存储的运行操作。

　　系统配置1套工程师站（ES站），采用成熟、可靠的DELL商用电脑。

　　ES站主要完成实时数据库、控制块、图形、趋势、报表等系统数据的生成和下装，完成对系统的详细自诊断和系统数据的列表和后备。运行Windows XP多任务网络操作系统下的STEP7v5.4、WINCC6.2应用软件。

　　可由电气专业人员通过工程师站对系统进行组态、维护。专业工程师在授权的情况下，可以在现场对系统进行在线或离线修改。同时，所有运行情况和控制逻辑均可在工程师站上查看，增加了用户对系统掌握的程度，以及系统软件、硬件的透明度。当不需组态时，可运行与操作员站完全相同的软件。

　　整个系统配置2台网络打印机，用于记录打印和CRT图象拷贝。打印机选用HP网络打印机。

　　（2）远程I/O站

　　系统由西门子CPU和亿维UNIMAT的远程I/O站配合组成，每个分布式I/O站都采用亿维的UNIMAT的UN 300系列模块，通过153接口模块和S7-400中央控制站进行PROFIBUS-DP通信。其中有UN 300系列的UN 321-1BL00-0AA(32DI)，UN 322-1BL00-0AA0(32DO)，UN 331-1KF01-0AB0(8AI)，UN 331-7KF02-0AB0(8TC)，UN 332-5HD01-0AB0(4AO)等，既节省了成本，又降低了能耗。

　　（3）冗余的通讯网络

　　CP443-1作为标准的工业以太网连接装置，在物理层上采用高防护等级的通讯线缆，工业以太网的卡件上带有CPU可以独立处理通讯信号。高速工业以太网是在工业以太网的通讯协议的基础上，将通讯速率提高到了100M/s。SIMATIC NET 中的高速以太网采用了全双工并行(FDX)通讯模式，这种模式允许站点同时发送和接收数据，通讯速率可提高一倍。SIMATIC NET 在高速以太网上还采用了交换技术，利用交换机模块将整个网段分成若干子网，每个子网都可以独立地形成一个数据通讯网段，可以大大地提高通讯效率。普通以太网上由于网段上数据通讯阻塞的存在，使得网络上实际通讯技术只有40%，采用了全双工并行通讯技术和交换技术后，使得网络的通讯能力得以充分地利用。

　　DCS统计汇总表（I/O）

　　序号设备名称 DI DO AI AO 合计备注

　　1 LCS01-DR1 配料远程站 81 29 12 6 128

　　2 LCS01-DR2 窑尾远程站 41 26 58 7 132

　　3 LCS01 原料系统现场站 248 69 73 11 401

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编辑：易洪兴

监督：0571-85871513

投稿：news@ccement.com

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