新型DCS系統(tǒng)在水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用
1 水泥生產(chǎn)工藝簡介
年產(chǎn)30萬噸帶窯外分解爐的干法水泥生產(chǎn)線主要工藝流程圖如圖1所示。
回轉(zhuǎn)窯水泥生產(chǎn)線的主要組成部分有：①生料庫；②生料預(yù)均化倉；③窯尾五級(jí)旋風(fēng)；④窯外預(yù)分解爐；⑤窯體；⑥窯頭蓖式冷卻機(jī)、熟料入庫；⑦煤磨及選煤輸送裝備；⑧窯尾廢氣處理、增濕塔、電收塵；⑨水泥磨；⑩水泥貯存和包裝。
圖1 年產(chǎn)30萬噸五級(jí)旋風(fēng)預(yù)分解窯系統(tǒng)工藝流程圖
整個(gè)工藝流程主要有生料粉末預(yù)均化，五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱，預(yù)分解，窯內(nèi)煅燒，蓖冷機(jī)冷卻及熟料粉碎等工序組成。
2 水泥生產(chǎn)自動(dòng)化對(duì)DCS系統(tǒng)的要求
我們選用的Honeywell PlantScape中小型集散控制系統(tǒng)是Honeywell公司推出的最新系列產(chǎn)品，這也是在我國國內(nèi)應(yīng)用的第一套。
對(duì)于年產(chǎn)30萬噸水泥生產(chǎn)線，按工藝及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制對(duì)DCS系統(tǒng)有如下要求：
(1)根據(jù)廠方的具體技術(shù)要求，目前DCS主要監(jiān)控生產(chǎn)線的四大部分：窯頭、窯中、窯尾和煤粉制備。共設(shè)置560個(gè)I/O點(diǎn)，其中模擬量輸入72點(diǎn)，模擬量輸出25點(diǎn)，數(shù)字量輸入267點(diǎn)，數(shù)字量輸出139點(diǎn)，熱電偶及熱電阻分別為22點(diǎn)和35點(diǎn)。具體各部分的分配如表1。
表1 I/O各點(diǎn)分布
窯頭、窯中(點(diǎn)) 窯尾(點(diǎn)) 煤粉制備(點(diǎn))
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)根據(jù)該水泥廠實(shí)際情況和生產(chǎn)工藝，整個(gè)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)共設(shè)置12個(gè)控制回路，其它各設(shè)備則采用直接控制和順序控制方式。12個(gè)控制回路中，壓力控制回路6個(gè)，流量控制回路3個(gè)，料位控制回路1個(gè)，溫度控制回路2個(gè)。
(3)為減輕人工操作強(qiáng)度，提高自動(dòng)化程度和系統(tǒng)可靠性，由DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)功能。同時(shí)為了操作方便和直觀，在工作站界面中，將工藝流程及各種運(yùn)行設(shè)備工況按比例設(shè)計(jì)操作界面，并隨時(shí)對(duì)各部位進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。測量值如溫度、壓力、流量、料位等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，閥位開度以百分比表示，料位用彩色棒圖動(dòng)態(tài)模擬。不同物料管道用不同顏色來區(qū)別，其物料流向用箭頭表示。
(4)為了對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行有效監(jiān)控，以便優(yōu)化工藝條件如故障查找，對(duì)32個(gè)重要參數(shù)用歷史趨勢(shì)曲線進(jìn)行匯總。如回轉(zhuǎn)窯各段的窯溫，五級(jí)旋風(fēng)及窯尾分解爐等處的溫度、壓力等，以及各控制回路的測量值等。
3 系統(tǒng)總體方案
根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)設(shè)立兩個(gè)監(jiān)控工作站，其中一個(gè)工作站兼當(dāng) PlantScape服務(wù)器，設(shè)在窯頭中央控制室，既承擔(dān)總體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)器功能，又作為工作站管理和控制窯頭、窯中和煤粉制備部分的各主要設(shè)備，另一個(gè)工作站(窯尾數(shù)據(jù)采集站)主要負(fù)責(zé)窯尾及廢氣處理等設(shè)備的監(jiān)控。工作站采用兩臺(tái)Dell 6200/OP GXPRO 200計(jì)算機(jī)，用以太網(wǎng)聯(lián)接，為主從關(guān)系，系統(tǒng)軟件除具備編程、組態(tài)、系統(tǒng)生成功能外，還具備了操作站的所有操作及顯示功能。該系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的Window NT Client/Server通訊模式，窯頭工程師站作為系統(tǒng)服務(wù)器(兼工作站)，處理整個(gè)系統(tǒng)的通訊、數(shù)據(jù)庫管理和控制；窯尾數(shù)據(jù)采集站，同時(shí)作為操作員工作站，主要用作監(jiān)控處理數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。工作站下層的現(xiàn)場控制級(jí)由Honeywell控制器模塊、通訊模塊及I/O模塊等組成。具有數(shù)據(jù)采集和控制功能。圖2為DCS系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 采用PlantScape的DCS系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
Honeywell PlantScape DCS系統(tǒng)采用Client/Server結(jié)構(gòu)(至少包括一個(gè)Server服務(wù)器)，其Server服務(wù)器又可兼作工作站(Station)使用，最多可帶10個(gè)工作站和6個(gè)控制器。PlantScape的控制器具有384點(diǎn)I/O能力，考慮到每臺(tái)PlantScape控制器最大模擬量I/O為192點(diǎn)，故本系統(tǒng)選用了兩臺(tái)PlantScape控制器。
考慮到系統(tǒng)安全與可靠運(yùn)行，系統(tǒng)對(duì)所控設(shè)備分別設(shè)置了計(jì)算機(jī)控制和現(xiàn)場控制兩種操作功能，各主要設(shè)備在現(xiàn)場都配有手操和急停開關(guān)等。由于水泥廠生產(chǎn)線現(xiàn)場設(shè)備多，故系統(tǒng)內(nèi)部在軟件上對(duì)各設(shè)備的聯(lián)鎖、順序啟停以及故障停車順序等都編制相應(yīng)程序，避免事故發(fā)生。整個(gè)供電系統(tǒng)有兩套，相互熱備。同時(shí)計(jì)算機(jī)用電與設(shè)備用電作了很好的隔離。
4 增濕塔控制回路
在水泥生產(chǎn)過程中，隨著窯尾排出煙氣量及煙氣溫度的變化，以及余熱利用系統(tǒng)(生料烘干兼粉磨)的開停，增濕塔的噴水量也需作相應(yīng)的調(diào)節(jié)。通常可在增濕塔出口處安裝一個(gè)測溫裝置，根據(jù)溫度的高低來調(diào)節(jié)噴水量。目前，大多數(shù)工廠都采用人工調(diào)節(jié)水量。中、大型增濕塔人工調(diào)節(jié)很不理想，不但很難使增濕塔處于最理想的工作狀態(tài)，而且容易造成濕底故障。
由于本水泥生產(chǎn)線采用了新型干法生產(chǎn)技術(shù)，窯尾的煙氣溫度高(一般為220～350℃)，煙氣含塵量高，水分低，粉塵電阻率又高，因此在電收塵前先經(jīng)過增濕塔，可大大提高收塵率。增濕塔控制回路主要控制其出口廢氣溫度，大量研究和實(shí)際情況表明，把增濕塔出口和電收塵入口溫度降到150～170℃之間，既保護(hù)了電收塵設(shè)備的安全運(yùn)行，又可提高其收塵率，同時(shí)可大大降低粉塵排放濃度。具體措施是控制增濕塔噴水量，一般所用調(diào)節(jié)方法為：
為了更加有效地控制溫度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)噴水量的目的，同時(shí)避免打開噴水頭過多或過少所造成的增濕塔溫度過低或過高(高達(dá)200～220℃)等現(xiàn)象，我們采用了通過變頻器控制電泵來調(diào)節(jié)增濕塔噴水量的控制方案，如圖3所示，這樣有效地解決了煙氣調(diào)質(zhì)問題。
圖3 增濕塔控制回路方案圖
5 系統(tǒng)軟件開發(fā)
PlantScape集散控制系統(tǒng)具有其鮮明的特色。在軟件方面，PlantScape可應(yīng)用于Windows NT(NT 3.51，NT4.0)，Windows 95等操作環(huán)境?？紤]到今后軟件的發(fā)展，我們選用Windows NT4.0系統(tǒng)平臺(tái)，并用Rich WIN97 for NT4.0漢化，有利于工人操作和生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用。PlantScape的基本功能有：
.實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控一體化；
.緊急事件報(bào)警；
.記錄(Logging)由設(shè)備或操作員觸發(fā)的事件；
.用戶界面開發(fā)；
.可根據(jù)需要，定期或由事件觸發(fā)來生成記錄報(bào)表或報(bào)告；
.記錄并采用映象、圖形、總計(jì)和平均等方式顯示定期采樣的歷史數(shù)據(jù)；
.系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)API(Application Programming Interface)均支持服務(wù)器鏡像。
PlantScape的特征有：
.定時(shí)控制，隔離的控制器，預(yù)建的下部結(jié)構(gòu)——包括為立即查看的過程信息而預(yù)先形成的顯示和報(bào)告；
.可實(shí)施本地或遠(yuǎn)程通訊；
.可限制在線通道、控制器和點(diǎn)的結(jié)構(gòu)；
.在線用戶化的報(bào)表和趨勢(shì)顯示，操作員注冊(cè)權(quán)限和控制級(jí)別設(shè)置。
軟件系統(tǒng)的框架主要有系統(tǒng)軟件(包括數(shù)據(jù)庫)(Controller Interface，Application Interface Library和Network Server)、客戶軟件(Station，Quick Buider和Display Builder)和網(wǎng)絡(luò)軟件(Network API和Microsoft Excel Data Exchange)，還備有用戶可自行開發(fā)應(yīng)用軟件的C++函數(shù)庫和Fortran函數(shù)庫及API。此外，我們利用系統(tǒng)軟件所提供的API接口，采用Visual C++ 4.0自行開發(fā)了新的控制策略軟件(如模糊、預(yù)測控制策略)。
DCS系統(tǒng)軟件主要包括控制組態(tài)軟件(Control Building)和監(jiān)控組態(tài)軟件(Station，Quick Builder，Display Builder)。
工作站界面主要有：系統(tǒng)總圖，DCS工作站主頁面圖，窯頭工作站控制頁面圖，氣力提升泵工作站控制頁面圖(又稱窯尾喂料)，窯頭控制站總圖等。圖4為監(jiān)控組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)工藝要求及設(shè)備控制需要編制的水泥生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)控制應(yīng)用軟件，主要有：
(1)有關(guān)順序控制及聯(lián)鎖系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)的組合軟件。
圖4 監(jiān)控組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)框圖
(2)利用PlantScape提供的API應(yīng)用編程接口，用Visual C++編寫模糊控制等應(yīng)用軟件。
(3)根據(jù)操作的要求，編制工藝流程圖，順序控制圖，控制回路圖，歷史趨勢(shì)圖和報(bào)警系統(tǒng)圖，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示。
(4)編制動(dòng)態(tài)參數(shù)報(bào)表，以便掌握第一手資料和規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)工藝和控制參數(shù)的優(yōu)化提供參考。
6 結(jié)論
該系統(tǒng)自1998-05正式一次投運(yùn)成功以來，控制效果良好，無濕底和溫度過高現(xiàn)象。DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)采集、處理，操作直觀方便。且人機(jī)界面友好，可提供的信息量豐富，對(duì)今后優(yōu)化工藝和改進(jìn)控制策略有直接的指導(dǎo)意義，并初見明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
編輯：
監(jiān)督：0571-85871667
投稿：news@ccement.com
