可編程系統(tǒng)、集散系統(tǒng)及現(xiàn)場總線系統(tǒng)在水泥生產中的應用
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在水泥生產中，過程控制系統(tǒng)完成生產工藝參數(shù)的檢測、顯示、記錄、調節(jié)、控制、報警等功能，它對提高水泥生產線的作業(yè)率，改善產品質量及縮短新產品、新工藝的開發(fā)周期起著極其重要的作用。其特點是對生產實時過程進行控制，控制過程復雜，工藝滯后，監(jiān)控參數(shù)多且數(shù)據(jù)變化快，數(shù)據(jù)處理及貯存量大。根據(jù)過程控制系統(tǒng)的特點及不同生產工藝過程控制要求，應用不同的控制系統(tǒng)才可以既安全可靠又經濟高效地完成生產任務。目前，國內先進的大、中型過程控制系統(tǒng)基本上以采用PLC 和DCS 為主。早期水泥行業(yè)的生產控制主要是采用常規(guī)儀表加繼電保護聯(lián)鎖控制，在現(xiàn)場設置電氣柜、儀表柜及操作臺。控制室內集中控制結合機旁單機控制。使得硬件數(shù)量和投資大量增加，安裝與維護不便，影響了生產效率。上世紀80年代，由于可編程控制器(PLC)的應用，使水泥工業(yè)的自動化程度得到提高，每個車間單獨用PLC進行控制，直至90年代初，可編程控制器與計算機構成的集散控制系統(tǒng)(DCS)開始應用，這在一定程度上提高了水泥工業(yè)的自動化生產水平，改善了生產管理，而且，在相當長的時期內，各企業(yè)仍然會采用DCS系統(tǒng)。但是，隨著計算機、通信網絡等信息技術的飛速發(fā)展，水泥工業(yè)的自動控制系統(tǒng)正向著智能化、數(shù)字化和網絡化方向邁進，傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)和計算機分層控制方式也開始向智能終端與網絡結合的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Confrol System）方向發(fā)展[1]。
下面簡要分析一下PLC、DCS 及FCS 在水泥生產過程控制中的不同應用特點及選擇原則。同時,解決好傳統(tǒng)儀表與現(xiàn)場總線的兼容問題。
2 各種控制系統(tǒng)的特點
2.1 PLC 系統(tǒng)
PLC 系統(tǒng)主要特點是：工作可靠，運行速度快；積木式結構，組合靈活；良好的兼容性；程序編制及生成簡單、豐富；網絡功能強。PLC 系統(tǒng)能很好地完成工業(yè)實時順序控制、條件控制、計數(shù)控制、步進控制等功能；能夠完成模/數(shù)（A/D）、數(shù)/模（D/A）轉換、數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網、實時監(jiān)控等功能。
2.2 DCS 系統(tǒng)
DCS 是目前工業(yè)過程控制領域里應用很成熟的一類控制系統(tǒng), 與常規(guī)控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)相比, 它具有很好的適應性和擴張性, 控制功能主要由軟件實現(xiàn), 具有很高的靈活性和完善的控制能力, 由于系統(tǒng)采用模塊化結構和各種冗余技術, 系統(tǒng)的可靠性高, 加上完善的在線故障診斷技術, 系統(tǒng)的可維修性好, 因此DCS 在工業(yè)過程控制領域得到了廣泛的應用和發(fā)展, 而且也取得了很好的控制效果。然而, 隨著控制技術和計算機技術的發(fā)展, 仍有一些問題有待解決。一是系統(tǒng)的開放性的問題。目前, DCS 通常都是由一個供應商提供整個系統(tǒng)的所有部件, 包括軟硬件, 各廠家都有自己的通信協(xié)議, 產品之間不能兼容, 這實際上造成了系統(tǒng)的封閉, 也在一定程度上制約了DCS 的發(fā)展。另一個重要的問題是系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表的通信問題。目前, 現(xiàn)場測量儀表、執(zhí)行器與DCS 之間仍然是采用一對一的DC4～20mA 的標準模擬信號。這種傳統(tǒng)的檢測、傳送和輸出方式存在以下缺點。
①每路信號必須使用一對信號線, 這一結構的特點是信號線數(shù)目隨著測點的增多而增多, 給系統(tǒng)的擴充和維修帶來一點困難, 且信號線的長度受到限制。②每路模擬信號之間必須有良好的隔離, 保護措施, 以防止互相干擾。③現(xiàn)場儀表本身沒有自檢功能, 無法向計算機報告儀表的狀態(tài), 由于接線不良所引起的誤差無法自動檢測。④各個現(xiàn)場檢測儀表的標識與定位是通過接線確定的, 這是一種隱式的定義, 很容易發(fā)生錯誤,而且查找困難。⑤儀表的輸出信號一般不能直接共享, 而必須在進入計算機并成為數(shù)字信號后才能共享。在這樣的背景下, 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應運而生, 它很好地解決了DCS 中開放性的問題以及系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表的通信問題[2]。
2.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
現(xiàn)場總線技術是20 世紀80 年代后期出現(xiàn)的,現(xiàn)場總線是指制造、生產過程中從控制室到現(xiàn)場儀表裝置之間的數(shù)據(jù)總線, 實現(xiàn)現(xiàn)場儀表與計算機控制之間的全數(shù)字化、高性能、兩線制、多支路的通信網絡。
現(xiàn)場智能儀表使得控制系統(tǒng)的接線變得簡單,由于每個現(xiàn)場儀表就是一個控制站, 測量和控制在現(xiàn)場由現(xiàn)場儀表來完成, 而不依賴于系統(tǒng)的操作,與上位監(jiān)控系統(tǒng)相對獨立, 這樣, 現(xiàn)場儀表與系統(tǒng)的接線就簡化了, 從控制現(xiàn)場到控制中心只需要標準的網絡線連接, 而且可以多臺儀表共用一對電纜, 這樣大大節(jié)約了電纜, 以及相應的接線盒等硬件資源, 同時也為系統(tǒng)的硬件維護提供了方便, 減少了出現(xiàn)問題的可能性。
①系統(tǒng)具有很好的開放性。開放性是指對相關標準的一致性、公開性。一個開放的系統(tǒng), 是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設備和系統(tǒng)連接, 通信協(xié)議一致公開, 各不同廠家的設備之間可實現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線就是這樣的一個工廠底層網絡的開放系統(tǒng)。
②互可操作性與互用性?；タ刹僮餍允侵富ミB的設備或系統(tǒng)之間可以互傳信息, 互用性即可替換性, 即不同廠家的同性能的產品可以互相替換。
③現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性?，F(xiàn)場智能儀表自身就可以完成計算與自動控制等基本功能,只有一些高級的控制任務才交給上位機來完成。同時, 它還可以隨時診斷設備的運行狀態(tài)。
④系統(tǒng)結構的高度分散。在DCS 控制系統(tǒng)中,分散與集中相結合, 雖然利用基本控制單元把控制任務分散, 但是仍然有很多的控制功能的實現(xiàn)依賴高層計算裝置, 而現(xiàn)場總線實現(xiàn)了控制功能的徹底分散, 簡化了系統(tǒng)結構, 提高了可靠性。
⑤對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。現(xiàn)場總線是一種廣泛應用于工廠低層的網絡, 是專為現(xiàn)場環(huán)境而設計的, 可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等, 具有較強的抗干擾能力, 能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信, 并可以滿足本質安全防爆等要求[3]。
3 傳統(tǒng)儀表與現(xiàn)場總線的兼容
在工業(yè)自動化領域, 現(xiàn)場總線已經得到了越來越廣泛的應用, 而且隨著大家對它的認識的增多,對它的認可程度也大大提高, 現(xiàn)場總線將有著廣闊的前景。但是, 由于現(xiàn)場總線的出現(xiàn)時間比較短,特別是在產品開發(fā)上面, 還沒有形成一個豐富的完善的產品市場, 而且由于目前協(xié)議的眾多, 更加分散了產品開發(fā)的力量, 使得現(xiàn)有的產品還不能完全滿足用戶的需要。對于用戶來說, 盡管現(xiàn)場總線系統(tǒng)有著這么多的優(yōu)點, 但工程費用也是他們是否采納該產品的考慮因素之一。目前智能儀表的價格都比較高, 用戶要全部采用這些新產品, 工程費用會很大。對此,一個很好的解決的辦法是把傳統(tǒng)儀表“掛接”到總線上來, 這樣, 利用了總線的控制和通信技術, 同時又節(jié)省了硬件開支, 特別是對于系統(tǒng)改造的用戶來說, 很好的利用了他們的已有設備。實現(xiàn)傳統(tǒng)儀表與現(xiàn)場總線兼容的設備就是標準信號―現(xiàn)場總線轉換器和現(xiàn)場總線標--準信號轉換器。標準信號―現(xiàn)場總線轉換器的主要功能是把由傳感器采集來的DC4～20mA 的模擬信號轉換為符合總線協(xié)議的數(shù)字信號, 完成計算、控制等基本控制任務, 還對設備的運行狀態(tài)實時的在線診斷?？梢? 路或是4 路多路輸入, 減少每一路的成本。現(xiàn)場總線―標準信號轉換器的功能主要是將符合總線協(xié)議的信號轉換位CPU能夠識別的信號, 再進行計算處理, 最后轉換為DC4～20mA 的模擬信號, 輸出到執(zhí)行機構[4]。
4 控制系統(tǒng)的選擇
由于現(xiàn)場總線FCS 系統(tǒng)仍處于發(fā)展階段，標準未統(tǒng)一，各設備生產廠家處于觀望狀態(tài)，現(xiàn)有總線標準的智能設備價格明顯偏高（如變送器2 萬元）。水泥行業(yè)具有調節(jié)回路較少、監(jiān)視參數(shù)多的特點，現(xiàn)場總線FCS 控制系統(tǒng)應用較少，部分應用也是作為PLC系統(tǒng)的遠程終端，一般采用Profibus 總線。這里主要介紹DCS 與PLC 控制系統(tǒng)的選擇。隨著微電子技術尤其是個人計算機技術的飛速發(fā)展，PLC 和DCS 的性能都有了極大的改進。PLC大大提高了數(shù)據(jù)處理功能和通訊與監(jiān)控功能，DCS 系統(tǒng)向開放性發(fā)展，操作站采用工控機，操作系統(tǒng)采用通用的Windows NT 操作平臺，PC 機豐富的軟件資源得以利用，因而大大降低了系統(tǒng)繁瑣程度和價格，提高了系統(tǒng)的性價比。PLC 和DCS 在搶占市場的過程中，兩者相互借鑒、滲透、融合，極大地增加了用戶在設計和使用中的選擇性。同時，由于各種控制系統(tǒng)生產制造廠家較多，產品更新?lián)Q代快，也給系統(tǒng)選擇帶來一定困難。現(xiàn)依據(jù)PLC 系統(tǒng)和DCS 的不同特點，在水泥建設和改造項目中，對過程控制系統(tǒng)的設計選型和應用歸納總結以下原則進行選擇。
4.1 按過程控制系統(tǒng)的控制規(guī)模及復雜程度
不同的水泥生產過程，過程控制系統(tǒng)控制規(guī)模與復雜程度不同，通常在過程控制系統(tǒng)規(guī)模較大、復雜程度較高時優(yōu)先選擇DCS。因為該系統(tǒng)是根據(jù)過程控制系統(tǒng)的特點發(fā)展而來的，它對大量的模擬量數(shù)據(jù)信息能較好地進行處理、分析、運算，能完成各種復雜、繁瑣的調節(jié)控制計算，因此能夠完成規(guī)模大、復雜程度高的過程控制系統(tǒng)的工作。2002 年在貴陽水泥廠二期工程設計中，根據(jù)此項原則過程控制系統(tǒng)采用了日本橫河?XL DCS 取得了較好的效果，系統(tǒng)配置如圖1 所示。
4.2 按投資規(guī)模和項目經濟效率合理選擇
在一些中小型改造項目中，投資較少，規(guī)模較小的儀控系統(tǒng)應優(yōu)先選擇價格相對低廉、性價比較好的PLC 系統(tǒng)。如在2003年，重慶水泥廠技改工程設計中，根據(jù)此項原則在過程控制系統(tǒng)中選用了美國德州儀器（TI）公司生產的TI-545 系列PLC 系統(tǒng)，也取得了很好的效果。該系統(tǒng)配置如圖2 所示。BA 機架 RBC 遠程控制器 PS 電源模塊 CPU 處理器 AI 模擬量輸入模塊 AO 模擬量輸出模塊 DI 開關量輸入模塊 DO 開關量輸出模塊 NIM 網絡連接模塊。
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