新型DCS系统在水泥回转窑生产过程控制中的应用
水泥 2007-01-11
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1 水泥生产工艺简介
年产30万吨带窑外分解炉的干法水泥生产线主要工艺流程图如图1所示。
回转窑水泥生产线的主要组成部分有：①生料库；②生料预均化仓；③窑尾五级旋风；④窑外预分解炉；⑤窑体；⑥窑头蓖式冷却机、熟料入库；⑦煤磨及选煤输送装备；⑧窑尾废气处理、增湿塔、电收尘；⑨水泥磨；⑩水泥贮存和包装。
图1 年产30万吨五级旋风预分解窑系统工艺流程图
整个工艺流程主要有生料粉末预均化，五级旋风预热，预分解，窑内煅烧，蓖冷机冷却及熟料粉碎等工序组成。
2 水泥生产自动化对DCS系统的要求
我们选用的Honeywell PlantScape中小型集散控制系统是Honeywell公司推出的最新系列产品，这也是在我国国内应用的第一套。
对于年产30万吨水泥生产线，按工艺及实现生产过程控制对DCS系统有如下要求：
(1)根据厂方的具体技术要求，目前DCS主要监控生产线的四大部分：窑头、窑中、窑尾和煤粉制备。共设置560个I/O点，其中模拟量输入72点，模拟量输出25点，数字量输入267点，数字量输出139点，热电偶及热电阻分别为22点和35点。具体各部分的分配如表1。
表1 I/O各点分布
窑头、窑中(点) 窑尾(点) 煤粉制备(点)
AI 21 11 40
AO 7 6 12
DI 112 48 107
DO 64 20 55
RTD 5 16 14
T/C 3 4 15
(2)根据该水泥厂实际情况和生产工艺，整个回转窑系统共设置12个控制回路，其它各设备则采用直接控制和顺序控制方式。12个控制回路中，压力控制回路6个，流量控制回路3个，料位控制回路1个，温度控制回路2个。
(3)为减轻人工操作强度，提高自动化程度和系统可靠性，由DCS系统实现联锁保护功能。同时为了操作方便和直观，在工作站界面中，将工艺流程及各种运行设备工况按比例设计操作界面，并随时对各部位进行动态显示。测量值如温度、压力、流量、料位等数据实现动态显示，阀位开度以百分比表示，料位用彩色棒图动态模拟。不同物料管道用不同颜色来区别，其物料流向用箭头表示。
(4)为了对生产进行有效监控，以便优化工艺条件如故障查找，对32个重要参数用历史趋势曲线进行汇总。如回转窑各段的窑温，五级旋风及窑尾分解炉等处的温度、压力等，以及各控制回路的测量值等。
3 系统总体方案
根据上述要求，本系统设立两个监控工作站，其中一个工作站兼当 PlantScape服务器，设在窑头中央控制室，既承担总体网络系统的服务器功能，又作为工作站管理和控制窑头、窑中和煤粉制备部分的各主要设备，另一个工作站(窑尾数据采集站)主要负责窑尾及废气处理等设备的监控。工作站采用两台Dell 6200/OP GXPRO 200计算机，用以太网联接，为主从关系，系统软件除具备编程、组态、系统生成功能外，还具备了操作站的所有操作及显示功能。该系统采用基于以太网的Window NT Client/Server通讯模式，窑头工程师站作为系统服务器(兼工作站)，处理整个系统的通讯、数据库管理和控制；窑尾数据采集站，同时作为操作员工作站，主要用作监控处理数据采集和设备控制。工作站下层的现场控制级由Honeywell控制器模块、通讯模块及I/O模块等组成。具有数据采集和控制功能。图2为DCS系统总体结构示意图。
图2 采用PlantScape的DCS系统总体结构图
Honeywell PlantScape DCS系统采用Client/Server结构(至少包括一个Server服务器)，其Server服务器又可兼作工作站(Station)使用，最多可带10个工作站和6个控制器。PlantScape的控制器具有384点I/O能力，考虑到每台PlantScape控制器最大模拟量I/O为192点，故本系统选用了两台PlantScape控制器。
考虑到系统安全与可靠运行，系统对所控设备分别设置了计算机控制和现场控制两种操作功能，各主要设备在现场都配有手操和急停开关等。由于水泥厂生产线现场设备多，故系统内部在软件上对各设备的联锁、顺序启停以及故障停车顺序等都编制相应程序，避免事故发生。整个供电系统有两套，相互热备。同时计算机用电与设备用电作了很好的隔离。
4 增湿塔控制回路
在水泥生产过程中，随着窑尾排出烟气量及烟气温度的变化，以及余热利用系统(生料烘干兼粉磨)的开停，增湿塔的喷水量也需作相应的调节。通常可在增湿塔出口处安装一个测温装置，根据温度的高低来调节喷水量。目前，大多数工厂都采用人工调节水量。中、大型增湿塔人工调节很不理想，不但很难使增湿塔处于最理想的工作状态，而且容易造成湿底故障。
由于本水泥生产线采用了新型干法生产技术，窑尾的烟气温度高(一般为220～350℃)，烟气含尘量高，水分低，粉尘电阻率又高，因此在电收尘前先经过增湿塔，可大大提高收尘率。增湿塔控制回路主要控制其出口废气温度，大量研究和实际情况表明，把增湿塔出口和电收尘入口温度降到150～170℃之间，既保护了电收尘设备的安全运行，又可提高其收尘率，同时可大大降低粉尘排放浓度。具体措施是控制增湿塔喷水量，一般所用调节方法为：
为了更加有效地控制温度，实现连续调节喷水量的目的，同时避免打开喷水头过多或过少所造成的增湿塔温度过低或过高(高达200～220℃)等现象，我们采用了通过变频器控制电泵来调节增湿塔喷水量的控制方案，如图3所示，这样有效地解决了烟气调质问题。
图3 增湿塔控制回路方案图
5 系统软件开发
PlantScape集散控制系统具有其鲜明的特色。在软件方面，PlantScape可应用于Windows NT(NT 3.51，NT4.0)，Windows 95等操作环境。考虑到今后软件的发展，我们选用Windows NT4.0系统平台，并用Rich WIN97 for NT4.0汉化，有利于工人操作和生产实际应用。PlantScape的基本功能有：
.实现生产过程监控一体化；
.紧急事件报警；
.记录(Logging)由设备或操作员触发的事件；
.用户界面开发；
.可根据需要，定期或由事件触发来生成记录报表或报告；
.记录并采用映象、图形、总计和平均等方式显示定期采样的历史数据；
.系统及网络API(Application Programming Interface)均支持服务器镜像。
PlantScape的特征有：
.定时控制，隔离的控制器，预建的下部结构——包括为立即查看的过程信息而预先形成的显示和报告；
.可实施本地或远程通讯；
.可限制在线通道、控制器和点的结构；
.在线用户化的报表和趋势显示，操作员注册权限和控制级别设置。
软件系统的框架主要有系统软件(包括数据库)(Controller Interface，Application Interface Library和Network Server)、客户软件(Station，Quick Buider和Display Builder)和网络软件(Network API和Microsoft Excel Data Exchange)，还备有用户可自行开发应用软件的C++函数库和Fortran函数库及API。此外，我们利用系统软件所提供的API接口，采用Visual C++ 4.0自行开发了新的控制策略软件(如模糊、预测控制策略)。
DCS系统软件主要包括控制组态软件(Control Building)和监控组态软件(Station，Quick Builder，Display Builder)。
工作站界面主要有：系统总图，DCS工作站主页面图，窑头工作站控制页面图，气力提升泵工作站控制页面图(又称窑尾喂料)，窑头控制站总图等。图4为监控组态软件结构框图。根据工艺要求及设备控制需要编制的水泥生产过程实时控制应用软件，主要有：
(1)有关顺序控制及联锁系统和报警系统的组合软件。
图4 监控组态软件结构框图
(2)利用PlantScape提供的API应用编程接口，用Visual C++编写模糊控制等应用软件。
(3)根据操作的要求，编制工艺流程图，顺序控制图，控制回路图，历史趋势图和报警系统图，实现实时数据动态显示。
(4)编制动态参数报表，以便掌握第一手资料和规律，为实现工艺和控制参数的优化提供参考。
6 结论
该系统自1998-05正式一次投运成功以来，控制效果良好，无湿底和温度过高现象。DCS系统实现了对水泥生产过程的实时控制及数据采集、处理，操作直观方便。且人机界面友好，可提供的信息量丰富，对今后优化工艺和改进控制策略有直接的指导意义，并初见明显的经济效益。
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