低成本集成計算機控制在水泥廠的應(yīng)用
趙中泉 林鐘云
1 引言
　　隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和CRT技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，創(chuàng)造了不可忽視的經(jīng)濟效益和社會效益。雖然電子產(chǎn)品的價格不斷下降，導(dǎo)致了以電子產(chǎn)品為基礎(chǔ)的計算機控制系統(tǒng)的價格亦有較大輻度的降低，但是這種價格下降仍然不能滿足工業(yè)企業(yè)尤其是中小規(guī)模工業(yè)企業(yè)的要求，如何降低工業(yè)過程計算機控制的成本，成了各行各業(yè)從事自動化控制的工程技術(shù)人員研究的新課題。本文根據(jù)我院多年從事水泥工業(yè)自動化設(shè)計的實踐、主要介紹低成本集成計算機控制在水泥工業(yè)中的應(yīng)用。
2 水泥工廠的計算機控制及其低成本考慮
　　　水泥工廠的自動化控制起始于40年代，經(jīng)歷了儀表化分車間控制、操作人員監(jiān)控生產(chǎn)過程的集中控制和生產(chǎn)過程的計算機控制等幾個階段。其中計算機控制逐步從數(shù)字直接模擬控制（DDAC或DAC）、直接數(shù)字控制（DDC）、發(fā)展到集散控制系統(tǒng)（DCS）。水泥工廠的計算機控制與其它工業(yè)系統(tǒng)的控制一樣，大多采用多層遞階控制策略，一般可由四至七層組成，這樣一個多層控制系統(tǒng)，雖然層次清楚，功能齊全，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勢必導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，為了降低投資，在不喪失系統(tǒng)功能的情況下，應(yīng)盡可能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)水泥廠的實際，一般只需二至三層即可滿足應(yīng)用要求，其控制結(jié)構(gòu)模式見圖1所示。
　　　圖1中，第一層直接控制層，可由多個相互獨立的子系統(tǒng)組成，直接與各類現(xiàn)場設(shè)備相連，主要完成各種數(shù)據(jù)采集和直接控制功能；第二層操作監(jiān)視層，綜合監(jiān)視整個工藝生產(chǎn)過程的全部信息，集中顯示操作、控制回路組態(tài)和參數(shù)修改等；第三層管理層，負責(zé)全廠的生產(chǎn)管理、信息管理和調(diào)度管理等，其中相鄰兩個層次之間可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)和信息交換。在水泥廠的控制中，第三層通常直接掛在第一、二層次的通訊網(wǎng)絡(luò)上完成全部管理功能。
　　　目前，國內(nèi)大中型水泥廠的計算機控制通常采用集散型控制系統(tǒng)（DCS）來實現(xiàn)，其實質(zhì)是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。雖然集散控制系統(tǒng)以其杰出的特點對廣大水泥企業(yè)有強大的吸引力，但其昂貴的硬件費用、軟件開發(fā)費和調(diào)度費（國外報價），令諸多水泥廠可望而不可及，即使應(yīng)用軟件由國內(nèi)自行編制，其硬件費用一般用戶也難以承受，從而限制了DCS系在水泥工業(yè)過程控制中的廣泛應(yīng)用，所以降低DCS系統(tǒng)的硬件費用，是計算機控制系統(tǒng)在水泥廠推廣應(yīng)用的前提。
3 低成本集成計算機控制實例
　　　我院作為專業(yè)水泥工業(yè)設(shè)計研究院，對水泥廠計算機控制的研究進行了積極的努力和有益的嘗試，在集成計算機控制系統(tǒng)降低成本方面取得了較成功的應(yīng)用經(jīng)驗。以下介紹3個應(yīng)用實例。
3.1 浩良河水泥廠的DCS控制系統(tǒng)
　　　浩良河水泥廠是我院設(shè)計的國產(chǎn)化2000t/d水泥生產(chǎn)線，對這樣的大型水泥企業(yè)來說，自動化控制水平如何，直接關(guān)系到達產(chǎn)達標能否順利進行。經(jīng)過詢價，如對主要生產(chǎn)車間采用DCS系統(tǒng)進行控制，僅硬件設(shè)備價格最低的國外供貨商也需60萬~70萬美元。由于該廠資金缺口比較大，全套引進DCS系統(tǒng)對整個生產(chǎn)工藝進行控制是不可能的。為了節(jié)省投資，同時又確保了該廠的自動化控制水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，我院工程技術(shù)人員大膽地將PLC引進DCS系統(tǒng)，融二者為一體，集成了浩良河水泥廠的分布式計算機控制系統(tǒng)（見圖2），既發(fā)揮了DCS系統(tǒng)處理模擬信號和回路控制的優(yōu)勢以及靈活的組態(tài)功能，又發(fā)揮了PLC強有力的處理開關(guān)信號的能力，在保證控制系統(tǒng)性能滿足要求的情況下，較大幅度地降低了系統(tǒng)投資。與國外報價相比，整個集成控制系統(tǒng)價格降低了20%~30%，為該廠節(jié)省了100多萬元人民幣。
　　　由圖可見，系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)和PLC處理器均采用了冗余配置，提高了系統(tǒng)的可靠性。
　　　該系統(tǒng)1994年底進行現(xiàn)場調(diào)試、投運、獲得了成功并順利通過考核，1997年8月通過了部級驗收。實踐證明，DCS與PLC組成的集成控制系統(tǒng)是切實可行的。完全能適應(yīng)2000t/d水泥廠的自動化控制，它不但保持了DCS系統(tǒng)的全部功能，而且降低了系統(tǒng)投資，是值得向大中型水泥廠的自動控制，它不但保持了DCS系統(tǒng)的全部功能，而且降低了系統(tǒng)投資，是值得向大中型水泥企業(yè)推薦的控制方案，這種集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已在巴基斯坦2條2000t/d水泥生產(chǎn)線上推廣應(yīng)用，并獲得成功。
3.2 微機聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)在淮海水泥廠技改工程中的應(yīng)用
　　　 淮海水泥廠3000t/d熟料水泥生產(chǎn)線是60年代從羅馬尼亞引進的，其自動化控制亦屬配套引進，采用繼電器一接觸器控制加儀表盤操作的模式，全系統(tǒng)技術(shù)裝備陳舊，可靠性差、故障多、維修不方便、功能少、控制不靈活、無法真實反映生產(chǎn)過程的變化。為使淮海水泥廠擺脫困境，在我院承擔(dān)該廠主生產(chǎn)線的技術(shù)改造項目的同時，面對技改資金嚴重不足的現(xiàn)狀，我們采用了圖3的微機兩級聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)對整個燒成系統(tǒng)的電氣自動化控制進行了全面改造。
　　　由圖3可見，微機聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)由上位機管理系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)兩部分組成。上位機系統(tǒng)由兩臺COMPAQ主機，配置鍵盤、顯示器和兩臺打印機，兩臺主機通過NETWORK聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，互為熱備，共享信息，另設(shè)置一臺調(diào)度管理計算機，通過一對調(diào)制解調(diào)器（modem）與主機相聯(lián)；下位機系統(tǒng)采用德國西門子公司的SIMATIC S5-135U可編程序控制器，配有主機架、擴展機架、CPU模塊、接口模塊、自診斷模塊、通訊處理器模塊和I/O模塊；上下位機之間通過串行通訊實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)和信息交換。該微機聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)具有DCS系統(tǒng)的優(yōu)點，但其價格僅為DCS系統(tǒng)價格的30%~50%，對資金短缺的淮海水泥廠技改工程來說，無疑是既經(jīng)濟實惠，又相對先進的控制系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)1991年9月到現(xiàn)場調(diào)試，投入使用，獲得了良好的效果，為整個技改工程的成功完全起到了積極的促進作用。微機聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)與NFC分解爐改造和篦冷機的改造共同通過了國家建材局組織的部級鑒定，并獲得部級科技進步二等獎和國家科技進步三等獎。
3.3 福建水泥股份公司水泥粉磨控制系統(tǒng)
　　　　福建水泥股份公司是一個有2臺立窯，3臺回轉(zhuǎn)窯，年產(chǎn)量100萬t以上的上市公司。近年來，公司通過技術(shù)改造和優(yōu)化操作等措施，熟料產(chǎn)量逐年提高，原有水泥粉磨系統(tǒng)的粉磨能力已不能滿足實際需要，決定新建一條水泥粉磨系統(tǒng)以提高粉磨能力，我院承擔(dān)了該系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。該公司原有生產(chǎn)車間電氣決定新建一條水泥粉磨系統(tǒng)以提高粉磨能力，我院承擔(dān)了該系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。該公司原有生產(chǎn)車間電氣自動化均采用常規(guī)儀表繼電器控制，為了提高控制水平，公司委托我院設(shè)計新增粉磨系統(tǒng)時采用計算機控制。我院對水泥粉磨計算機控制系統(tǒng)進行了研究，考慮到該控制系統(tǒng)將成為全公司的示范，將來可能擴展為全線的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和信息管理網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)，本著安全、可靠、經(jīng)濟、實用的原則，我們采用了圖4所示的由PLC、工業(yè)控制計算機和工控軟件組成的水泥粉磨集成計算機控制系統(tǒng)。
　　　　該系統(tǒng)中，2臺工控機采用研華公司的IPC610，PLV采用AB公司的PLC-5/30，工控機與PLC通過DH+通訊網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)的價格僅是某些具有同樣配置的小型DCS系統(tǒng)價格的一半，為公司節(jié)省了投資，尤其是將來系統(tǒng)擴展時更能節(jié)省大筆費用。該系統(tǒng)無疑是一種具有開放性、靈活性、擴展性的低成本集成計算機控制系統(tǒng)。
4 低成本集成計算機控制策略的幾點建議
　　　 低成本集成計算機控制對工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有很強的吸引力，將低成本集成技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐應(yīng)考慮以下幾個方面：
(1) 系統(tǒng)集成時不能片面追求低價格，必須在保證系統(tǒng)性能的前提下，追求較高的性能價格比。
(2) 水泥廠的特點是模擬信號少，開關(guān)信號多，模擬信號主要用于顯示監(jiān)視生產(chǎn)過程，控制回路少，順序控制和邏輯控制功能強，將DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)融為一體，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，是大中型水泥廠降低投資進行系統(tǒng)集成的優(yōu)選方案。
(3) 由于PLC技術(shù)發(fā)展迅速，目前也具有很強的處理模擬信號的能力，以工業(yè)控制計算機和PLC為基礎(chǔ)集成的分散型控制系統(tǒng)，配以靈活的組態(tài)軟件，在價格和功能上均具有很強的競爭優(yōu)勢，可以在中小型企業(yè)推廣應(yīng)用。
(4) 充分考慮的可靠性，根據(jù)實際情況可局部采用冗余配置，或離線備份關(guān)鍵部件，不能以犧牲可靠性來換取低成本。
(5) 低成本集成計算機控制策略是一個全面性、長期策略。系統(tǒng)集成時要有全局和發(fā)展的觀念，考慮系統(tǒng)開放性、擴展性，為將來系統(tǒng)的擴展、升級和整個企業(yè)內(nèi)部的全局聯(lián)網(wǎng)留有余地。即要有全局低成本和長遠低成本的觀念。
(6) 低成本控制策略應(yīng)該是綜合投資低，系統(tǒng)集成考慮到與電氣自動化控制相關(guān)的其它設(shè)備的投資問題，例如現(xiàn)場控制站的數(shù)量及位置要考慮到節(jié)省電纜橋架及電纜的投資等。
(7) 集成系統(tǒng)要考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能、CPU的處理能力和存儲容量，選擇合適的通信價質(zhì)和速度，要避免CPU能力及通信速度低等原因引起的控制滯后，數(shù)據(jù)和畫面刷新慢，甚至系統(tǒng)死機現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)能力下降。
(8) 系統(tǒng)操作維護方便，結(jié)構(gòu)層次和功能清晰，軟件、硬件組態(tài)靈活。
5 結(jié)束語
　　　低成本集成計算機控制已逐漸被水泥工業(yè)的用戶們所認識和接受，我院在工程設(shè)計中，也取得了比較成功的應(yīng)用經(jīng)驗。實踐證明，低成本集成計算機控制系統(tǒng)完全能滿足水泥工廠生產(chǎn)過程的自動化控制，是值得向水泥企業(yè)特別是中小水泥廠和老廠技術(shù)改造推薦的控制策略。