基于現場總線技術的DCS在水泥熟料生產線中的應用

　　文章針對10000t／d水泥熟料的新型干法生產線，采用以基于現場總線技術的DCS控制系統(tǒng)，設計面向全廠生產過程的全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現生產過程監(jiān)控管理一體化。
1 項目簡介
　　樅陽海螺水泥有限公司10000t／d干法水泥熟料生產線項目，是我國建設的第一條日產10000噸的干法水泥熟料生產線。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)，全面支持現場總線技術，系統(tǒng)采用全局數據庫技術，實現全局一體化編程。系統(tǒng)通信為標準以太網，系統(tǒng)結構具有較強伸縮能力，系統(tǒng)編程采用國際化標準IEC61131—3?，F場控制站采用ABB S800智能l／O 卡件，通過Profibus DP和Profibus PA協議與現場總線儀表設備進行數據通信。
2 控制系統(tǒng)總體方案設計
　　根據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)，實現石灰石礦山、原料調配、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)的硬件結構按照功能自上而下分為現場層和控制管理層。
2．1 現場控制層
　　現場控制層的作用是對現場的l／O信號進行采集、運算和邏輯順控處理，通過現場控制層網絡將相關數據送入控制處理機，實現過程控制和順序、邏輯控制。根據生產工藝流程和實際操作的需要，本生產線共設置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?，F場過程站采用標準以太網線與操作員站及其它設備進行通信，通信網絡為光纖星形冗余拓撲結構。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集中操作和統(tǒng)一管理，通過監(jiān)控系統(tǒng)和生產過程，實現控制方案，生成系統(tǒng)數據庫，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狀態(tài)，實時趨勢、歷史趨勢和報警情況，實現設備起停，過程回路操作和參數調整等，過程工程師可以通過操作站調出過程組態(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與過程站及其它設備進行通信，由于系統(tǒng)數據庫為OPC方式，所以操作員站之間數據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與過程站及其它設備進行通信，可以實現DCS系統(tǒng)硬件編輯、現場過程站編程、現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，使生產信息（DCS、PLC、窯胴體掃描儀等）進入工廠信息網，以供管理和決策。
2．3 系統(tǒng)網絡
　　控制系統(tǒng)網絡由中央監(jiān)控網絡和現場網絡兩部分組成，計算機網絡將分散布局的控制站和遠程站等相連接，構成一體化結構，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)現場環(huán)境的特點。
2.3.1 中央監(jiān)控網絡
　　中央監(jiān)控網通信采用TCP／IP協議以太網，傳輸介質為多模光纜， 其網絡為1：2冗余配置的星形網絡拓撲結構，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構，通信模件內置冗余管理功能， 當出現故障可以在30ms內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)控網和工廠信息網之間的網關，工廠信息網與熒光分析儀等設備采用OPC方式與DCS進行數據交換。
2.3.2 現場總線網絡
　　現場總線網絡是連接控制器與I／0卡件、DP／PA耦合器等設備的實時控制網絡。S800 智能l／0采用Module Bus通信標準與AC800M控制器進行通信。控制系統(tǒng)現場總線網絡采用Profibus—DP／V1現場總線標準，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生產線上主線電機控制單元， 大部分采用現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 現場設備網絡
　　現場設備網絡主要連接現場儀表設備，該項目中采用Profibus—PA通信總線標準，并可以為現場總線儀表提供電源，與現場總線網絡之間通過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臺現場總線設備，本項目中現場設備網絡主要分布在窯尾預熱器和窯頭篦冷機處，共計5條現場總線設備網絡，網上掛接現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：過程數據輸入輸出，數據表示（又稱為實時數據庫），連續(xù)控制調節(jié)，順序控制，歷史數據的存儲，過程畫面顯示和管理，報警信息的管理，生產記錄報表的管理和打印，參數列表顯示，人機接口控制，實時數據處理功能。其中具有報警檢測的過程數據的輸入輸出、連續(xù)控制調節(jié)、順序控制是在過程控制層的現場控制站實現的。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監(jiān)控畫面。包括水泥熟料生產過程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生產線上主線電機控制單元，大部分采用現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、轉速等），也可隨時查閱設備的歷史數據（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。
3.2 下位機（現場控制站）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。該軟件包采用了結構化的程序結構，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）、結構化文本（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)更改數據和指令，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。