1 、項目簡介

樅陽海螺水泥有限公司10000t／d干法水泥熟料生產(chǎn)線項目，是我國建設的第一條日產(chǎn)10000噸的干法水泥熟料生產(chǎn)線。整套項目主機設備引進世界先進水泥設備供應商設備和技術，項目配套引進的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)是面向工廠自動化的新一代開放式DCS系統(tǒng)，全面支持現(xiàn)場總線技術，系統(tǒng)采用全局數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)全局一體化編程。系統(tǒng)通信為標準以太網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強伸縮能力，系統(tǒng)編程采用國際化標準IEC61131—3。現(xiàn)場控制站采用ABB S800智能l／O 卡件，通過Profibus DP和Profibus PA協(xié)議與現(xiàn)場總線儀表設備進行數(shù)據(jù)通信。

2、 控制系統(tǒng)總體方案設計

根據(jù)樅陽萬噸線項目的實際情況，系統(tǒng)硬件規(guī)劃采用的是ABB Industrial IT系統(tǒng)，實現(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、熟料輸送至碼頭這一段工藝流程的過程自動化控制。

該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)按照功能自上而下分為現(xiàn)場層和控制管理層。

2．1 現(xiàn)場控制層

現(xiàn)場控制層的作用是對現(xiàn)場的l／O信號進行采集、運算和邏輯順控處理，通過現(xiàn)場控制層網(wǎng)絡將相關數(shù)據(jù)送入控制處理機，實現(xiàn)過程控制和順序、邏輯控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和實際操作的需要，本生產(chǎn)線共設置9個過程控制站，過程控制站采用ABB公司最新的AC8OOM過程控制器，系統(tǒng)執(zhí)行方式采用多進程周期運行方式，任務運行周期及優(yōu)先級可以自由組態(tài)，系統(tǒng)CPU引導程序存儲到閃存中，可以實現(xiàn)CPU軟件自由升級，系統(tǒng)支持在線組態(tài)、在線下載，給日常的運行維護帶來了極大的方便。現(xiàn)場過程站采用標準以太網(wǎng)線與操作員站及其它設備進行通信，通信網(wǎng)絡為光纖星形冗余拓撲結(jié)構(gòu)。由于該控制器運用了故障診斷的新技術，各過程控制站模件具備實時檢測及遠程診測功能，考慮到萬噸水泥熟料生產(chǎn)線對控制系統(tǒng)的特殊性能要求，在設計的過程中均對關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，實現(xiàn)控制方案，生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用戶畫面和報表等，從而在用戶與系統(tǒng)功能之間提供了一個接口，使操作員能夠觀察過程回路參數(shù)狀態(tài)，實時趨勢、歷史趨勢和報警情況，實現(xiàn)設備起停，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)畫面進行操作方案組態(tài)，過程流程圖組態(tài)、趨勢畫面及各種報表組態(tài)等。

系統(tǒng)控制管理層中央控制室，根據(jù)實際需要，設置1臺工程師站，6臺操作站，1臺信息管理站、1臺QC×管理站、3臺AS服務器、2臺CS服務器。

2.2．1 操作站（OS）

硬件平臺為工業(yè)控制機，軟件平臺為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)與過程站及其它設備進行通信，由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為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， 運行在Windows2000 Professional SP3系統(tǒng)上。工程師站在不進行組態(tài)時可兼作操作員站使用。工程師站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設備進行通信，可以實現(xiàn)DCS系統(tǒng)硬件編輯、現(xiàn)場過程站編程、現(xiàn)場總線智能儀表組態(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DELL服務器， 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）進入工廠信息網(wǎng)，以供管理和決策。

2．3 系統(tǒng)網(wǎng)絡

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡由中央監(jiān)控網(wǎng)絡和現(xiàn)場網(wǎng)絡兩部分組成，計算機網(wǎng)絡將分散布局的控制站和遠程站等相連接，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，具有實時反應、速度快、較高的可靠性和適應惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的特點。

2.3.1 中央監(jiān)控網(wǎng)絡

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)絡為1：2冗余配置的星形網(wǎng)絡拓撲結(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)絡較長，并且是雙冗余配置，故采用30套導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， 當出現(xiàn)故障可以在30ms內(nèi)自動切換到另外一條備用線路上，同時可以診測到故障發(fā)生位置，通信電纜采用光纜，具有較長的通訊距離和較強的抗干擾能力。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，工廠信息網(wǎng)與熒光分析儀等設備采用OPC方式與DCS進行數(shù)據(jù)交換。

2.3.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡是連接控制器與I／0卡件、DP／PA耦合器等設備的實時控制網(wǎng)絡。S800 智能l／0采用Module Bus通信標準與AC800M控制器進行通信?？刂葡到y(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡采用Profibus—DP／V1現(xiàn)場總線標準，且總線通訊模塊均配置冗余。為提高自動化控制水平，樅陽海螺10000t／d生產(chǎn)線上主線電機控制單元， 大部分采用現(xiàn)場總線智能控制單元， 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)場設備的信息，可以監(jiān)視到每臺智能單元控制電機的電流。

2.3.3 現(xiàn)場設備網(wǎng)絡

現(xiàn)場設備網(wǎng)絡主要連接現(xiàn)場儀表設備，該項目中采用Profibus—PA通信總線標準，并可以為現(xiàn)場總線儀表提供電源，與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡之間通過Profibus—DP／PA耦合器連接，通信速率為93．75KB／s，具有FISCO（防爆區(qū)認證）功能，可下掛127臺現(xiàn)場總線設備，本項目中現(xiàn)場設備網(wǎng)絡主要分布在窯尾預熱器和窯頭篦冷機處，共計5條現(xiàn)場總線設備網(wǎng)絡，網(wǎng)上掛接現(xiàn)場總線式壓力變送器。

3、 控制系統(tǒng)軟件設計

該控制系統(tǒng)的軟件設計分為下位機（現(xiàn)場控制站）軟件設計和上位機軟件（組態(tài)軟件）設計。而整個系統(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（又稱為實時數(shù)據(jù)庫），連續(xù)控制調(diào)節(jié)，順序控制，歷史數(shù)據(jù)的存儲，過程畫面顯示和管理，報警信息的管理，生產(chǎn)記錄報表的管理和打印，參數(shù)列表顯示，人機接口控制，實時數(shù)據(jù)處理功能。其中具有報警檢測的過程數(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)場控制站實現(xiàn)的。過程畫面的顯示和報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（組態(tài)軟件）軟件設計

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，根據(jù)工藝控制要求進行組態(tài)畫面設計，該項目設計了22幅工藝流程監(jiān)控圖和相應的設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)、預熱器系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、篦冷機系統(tǒng)、熟料輸送及儲存、煤磨系統(tǒng)等監(jiān)控畫面，以及趨勢圖、模擬量棒圖、控制回路圖、設備連鎖圖、參數(shù)報表、報警總圖等監(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)線上主線電機控制單元，大部分采用現(xiàn)場總線智能控制單元，在組態(tài)畫面時把各電機的詳信息均加入相應電機的控制面板中，操作員可方面的監(jiān)控全場各個設備的動態(tài)信息（電流、電壓、轉(zhuǎn)速等），也可隨時查閱設備的歷史數(shù)據(jù)（過流、欠壓等故障報警信息）。為了貫徹“安全第一”的方針，以確保設備和人身安全，在中控自動／手動啟停設備前有電鈴警告；重要參數(shù)異常時給出信息提示和聲光報警；嚴格區(qū)分各操作員站和工程師站之間的操作權限，手動啟停窯磨等大型設備時均有二次確認，以免造成誤操作。在監(jiān)控畫面中，為了擴大系統(tǒng)的信息量，使操作員更加方便快捷的查閱工藝狀況和設備信息，在開發(fā)過程中加入并豐富了鼠標右鍵功能，報警、趨勢、報表等信息均可通過右鍵方便地獲得。［page］

3.2 下位機（現(xiàn)場控制站）軟件設計

該系統(tǒng)控制器編程軟件為Control Builder M軟件，該編程軟件是一個基于Windows環(huán)境的編程軟件套件，為整個控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一個統(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標準的編程語言， 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），他們可在同一個應用程序中混合使用。具有離線和在線迅速切換功能，可在運行態(tài)更改數(shù)據(jù)和指令，保存動態(tài)表格，插入斷點等。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。

該項目在現(xiàn)場控制站程序的開發(fā)過程中采用基于C語法的sT語言和FBD相結(jié)合地形式進行聯(lián)合編程。現(xiàn)場控制站程序主要完成設備的邏輯控制以及各種熱工參數(shù)的采集。因此現(xiàn)場控制軟件由I／0模塊的初始化程序、系統(tǒng)的邏輯控制程序、模擬量處理程序、回路控制程序和各控制站之間及控制站與遠程I／0 站之間的通訊程序組成。

邏輯控制部分主要完成設備的啟停以及相關的故障處理。

生產(chǎn)線上所有設備的運行方式可分為本地控制和集中控制兩種方式。本地控制是為現(xiàn)場設備安裝、調(diào)試和維修方便而設計。集中控制又分為連鎖控制和單機控制。在正常生產(chǎn)過程中。設備處在集中控制的連鎖模式下，電機和各種閥按程序進行啟?？刂?。當出現(xiàn)緊急事故時可以全線停車，以保證人身和設備的安全。單機控制方式是指非連鎖方式下，各設備可以單獨啟動和停止。不需要嚴格的啟停順序。這種方式適用于DCS系統(tǒng)對設備的單機試車、設備安裝和調(diào)試。

模擬量處理程序主要是對現(xiàn)場采集過來的模擬信號進行工程值轉(zhuǎn)換、報警處理和趨勢記錄等。

在本系統(tǒng)中回路控制較多。主要有原料配料控制、窯尾喂料量控制、窯頭喂煤量控制、分解爐溫度控制、增濕塔回水控制、篦冷機風機閥門控制等。其中原料配料采取基于模糊PID的前饋控制，原料配料系統(tǒng)由四臺定量給料機（石灰石、硫酸渣、砂巖和粉砂巖）及相應的板式給料機組成，單個控制回路的控制框圖如圖1所示。

其中總喂料量和各原料的配比來自質(zhì)量控制系統(tǒng)（QCX），根據(jù)工藝要求，在設計配料程序時，通過總喂料量和配比先計算出石灰石的給定值，為了減少擾動對控制系統(tǒng)的影響，將石灰石的實時反饋值乘以其余各原料的比例系數(shù)，從而得出其余三種原料的給定值。

在運行過程中，程序根據(jù)模糊推理機對給定的分析結(jié)果，及時的調(diào)整控制對象（定量給料機或板式給料機），實時的調(diào)整相應的PlD參數(shù)。當給定較大時，為了加快響應，選用板式給料機為控制對象，定量給料機全速，此時為控制料層厚度的前饋控制；當給定較小時，為了減少波動，選用定量給料機為控制對象，板式給料機低速；當給料量居中時，采取同時對定量給料機和板式給料機進行PID控制的策略，從而大大提高了配料系統(tǒng)的相應時間、控制精度和穩(wěn)定性。

該項目采用德國CP公司的篦冷機系統(tǒng)，根據(jù)外方專家的要求和現(xiàn)場的實際情況將窯頭篦床速度的過程控制設計如下：在自動狀態(tài)，設定值W 正常情況下為來自料層控制器的輸出，當料位傳感器出現(xiàn)故障或信號出現(xiàn)干擾的情況下，利用模式切換器將控制信號切換為壓力控制器的輸出，W 經(jīng)設定值計算器乘以相應的比例系數(shù)后送給各段篦床的速度控制器，從而控制整個篦床的速度。其中壓力控制器、料層控制器和速度控制器均為帶閾值判斷的PID控制器。

4、 結(jié)束語

本系統(tǒng)投入運行以來，結(jié)果令人滿意，各項指標均滿足技術要求。系統(tǒng)功能強大，友好的人機界面，在線組態(tài)，形象直觀，易于操作，保證了現(xiàn)場運行的安全可靠性。

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