冀東三友3200t/d水泥熟料生產線的自動化設計
唐山冀東三友水泥有限公司3200t/d水泥熟料生產線于2001年3月破土動工，2002年3月20日機電設備安裝完畢，3月28日點火，4月6日開始生產試運行。該條生產線的自動化控制系統由唐山冀東水泥有限股份公司自行設計。于2002年2月完成，4月進入系統調試，5月進入試生產階段。
1 工藝及設備簡介
該條生產線原料粉磨采用日本宇部株式會社制造生產的235t/h外循環式立磨。立式煤磨為沈陽重型機械有限公司制造生產，臺時能力22t/h。篦冷機為德國BMH公司制造，采用液壓傳動，10臺冷卻風機均采用變頻調速技術控制各室風量。窯煅燒系統的2臺喂煤秤(窯頭、分解爐)均采用了BMH制造的“科里奧利”秤，其技術先進，性能穩定。生產線除關鍵設備采用進口外，其余為國產設備。
2 自控系統的選型及配置
一般DCS系統多是側重于多種PID運算、比值運算、串級調節等功能，考慮到該線自控系統開關量占I/O總量的75%以上，PID回路數占模擬量I/O的3%，因此，為節省投資，自控系統采用基于PLC的DCS控制系統。系統設備選用美國Allen-Brdley公司制造生產的ControlLogix5550系列產品，控制網絡為A-B ControlNet。
2.1 軟件
計算機操作系統采用bbbbbbs 2000中文版；組態、編程軟件包括:用于程序開發的RSLogix5000；用于ControlNet管理的RSNetWorx；用于網絡通訊的RSLinx；用于工作站畫面設計的RSView 32(1500點)，其它工具軟件:AutoCAD2000、Excel、Word等。
2.2 硬件
鑒于水泥工業粉塵較大的特點，為保證DCS系統電器動作的可靠性，DI/DO模板均采用220VAC類型。AI模板主要類型為:
差分雙端4～20mA型；熱電阻(PT-100)型；熱電偶(mV)型；稱重(mV)模板4種類型。其中“稱重型”模板為Allen-BrdleyOEM產品(加拿大生產)，用于煤粉稱重倉、原料均化稱重倉計量轉換(將mV/V信號變換為PLC系統接收的數字信號)。AO模板采用標準型，可組態為:4～20mA或1～5V及0～10V。
2.3 控制系統結構
主控系統(MCS)采用美國A-B ControlLogix5550控制器及相應的I/O配置。MCS共有6個本地機架及9個相應的遠程機架，其主要功能是處理來自基礎自動化系統及馬達控制中心(MCC)、現場控制盤(LCP)、速度控制盤(SCP)、高壓盤(Http)等高低壓電氣設備的DI/DO、AI/AO信號，并通過ControlNet網絡進行信息交換，實現與上位工作站OMS1～OMS6的實時操作和監控(見圖1)。
它是由中央控制室的6臺操作站(1臺兼用工程師站)組成，多臺操作站用于全條水泥熟料生產線工藝過程的監視、操作、控制，各操作站之間可任意切換，并互為備用。
2.3.2 過程控制級
包括:原料粉磨控制站、煤粉制備控制站、燒成窯尾控制站、燒成窯頭控制站，各站功能是實現對其所轄設備的順序控制和過程控制。
2.3.3 網絡通訊
控制網絡為A-B ControlNet，采用Allen-Brdley同軸專用網線、冗余的雙網(A/B)星型結構，速率為5Mbps，網絡掃描時間設定為15ms。另外，6個操作站之間配有Ethernet網(100Mbps)，用于系統開發、調試以及今后公司計算機信息管理網絡的數據傳輸。
2.3.4 控制方式
自控系統采用的是“現場機旁優先方式”，該方式的優點是:操作靈活、便于檢修。它既可以在“遠程”方式的成組中控起動，又可以在檢查或檢修設備時，現場隨時開停設備。
2.4 控制系統的組態
2.4.1 網絡組態
1)網絡預定的最多節點地址設置為25，實際為21；
2)網絡的結構選擇為冗余方式(A/B)；
3)網絡掃描時間(Network Update Time)設置為15ms。
2.4.2 處理器及I/O組態
1)系統內務處理時間片設為15%；
2)通訊板的數據信息時間間隔為60ms；
3)所有DO組態為:在“Program Mode”下為“Off”；在“Fault Mode”下為“Hold”；
4)組態DI點掃描時間為30ms；
5)AI組態是根據物理量變化時間的不同(壓力、溫度、流量、稱重、功率、電流)組態不同的掃描時間間隔，以達到既節省處理器和網絡的掃描時間又可滿足瞬時采集要求。
3 用戶程序的開發設計
3.1 用戶程序的結構
用戶程序分為2個軟件大包:上位工作站軟件包和下位PLC軟件包。
其中，上位工作站開發的軟件程序包括:工作站各系統工藝畫面流程、狀態、操作方式；工藝、電氣參數的實時趨勢及歷史趨勢；工藝及電氣的故障實時報警；生產日報、事件報表、時報等。
下位PLC軟件包包括:原料控制系統程序；煤磨控制系統程序；窯尾控制系統程序；窯頭控制系統程序；原料立磨油站控制程序；生料均化庫控制程序。
下位PLC程序主要回路模塊有:設備的準備檢查回路(用于操作員檢查設備狀態)；起動聯鎖回路(用于保護設備的啟動過程)；停止聯鎖回路(用于工藝設備之間正常或非正常聯鎖停機)；成組起動回路(成組起動)；成組停止回路(成組停止)；時鐘回路(用于閃光脈沖、延時、計數等)；驅動回路(用于設備的驅動)；故障回路(用于檢測設備的故障)；故障記憶回路(用于出現故障報警后記憶故障狀態)；指示燈回路(用于設備的備妥、運行、故障的顯示)；PID回路(用于有回路控制的設備)。
管理監控軟件共有17幅生產流程圖，工藝流程畫面呈立體效果，畫面背景顏色與設備顏色、參數顏色搭配。操作配以熱鍵、模擬按鈕、觸摸等多種方式進行，操作靈活、簡便、直觀。為防止誤操作而退出控制系統，采用登陸和退出登陸的方式，以Password賦予維護工程師，提高系統的安全性。操作員可按時間(數據保留10d)隨時按日期調出工藝參數趨勢。
畫面中設備的狀態顯示分為備妥、故障、運行3種，定義實體綠色為設備運行狀態，實體紅色為停機狀態，紅色、綠色交替閃爍為不備妥或故障狀態。各工藝參數:綠色為正常，黃色為警示，紅色為嚴重報警。各系統畫面均加有緊急停車按鈕，在起動或停止設備時均有再次確認過程，組與組之間的聯鎖通過模擬按鈕燈的狀態明確指示，以確保操作安全、可靠。在監控畫面設計中各種保護、報警信號均實時給予聲光警示，同時進入報警記錄，操作員按時間順序可隨時查閱各種報警參數，以便對設備的運行狀況給予決策。
4 調試
該生產線的自動化調試按常規模式分為:開關量和模擬量2大部分進行調試。
其中開關量的調試包括:①DCS系統的DI/DO點與所有電氣室或現場電氣盤柜信號的校對；②軟件程序DI/DO點與PLC電氣點的校對。
模擬量的調試主要包括:①AI/AO通道與現場電氣量相互統一的組態；②采用常規的信號發生器及數字萬用表對各個AI/AO通道進行信號校對；③PID控制回路的參數調整。
調試發現的問題主要有:
1)電氣干擾造成的信號“假象”，表現為:設備成組起動時，第1臺欲開啟的電氣設備(煤堆料機)未起動，但應答信號已返回，使得不能完成組起動過程(其它輸送皮帶機)。經檢查電氣元件和線路，發現線路產生180VAC交流干擾信號，導致PLCDI點誤動作。解決辦法:更換受干擾的控制電纜。
電氣干擾還使得個別繼電器在停止信號發出時不能動作(釋放)，造成不能停車現象。解決辦法:因找不到干擾源，采用更換容量較大的繼電器，以保證正常停車。
2)無故障大面積停車。聯動調試期間原料系統曾多次出現大面積的無故障停車現象，詳細檢查工藝聯鎖程序，未發現問題，同時檢查網絡通訊，均正常。詳細檢查PLC DO模板組態，發現組態有誤。原因:ControlLogix 5550系統在組態DO故障狀態時，輸出選項可以為“Off”或“Hold”。一般理解為:選項“Off”適用極為重要或對DI/DO采樣周期要求高的工業場合，目的是出現網絡瞬間的奇偶校驗錯誤時，快速切斷所帶的電氣設備。由于水泥生產中對DI/DO的采樣時間要求不高，網絡瞬間出現的奇偶校驗錯誤不會嚴重影響網絡的數據傳輸，因此，在重新組態DO各個通道時，將網絡出現瞬時奇偶校驗故障時的動作設置為“Hold”，即保持原DO狀態值，修改DO組態選項后此故障消失。
在調整如溫度、壓力、流量以及電氣參數的過程中，采用對一次儀表的嵌位或在PLC通道中適當調整斜率的手段進行各種儀表參數的標定，保證了工藝參數的準確性。在自動回路投入過程中，考慮系統試生產初期的穩定性，僅對增濕塔出口溫度與噴水量以及入窯生料喂料與閥門開度的回路先期給予投入，PID的參數調整，在有擾動時回路穩定時間在2min左右，在重新給定(SP)后視與前次SP差值而定，一般系統穩定大約需5～10min，滿足生產要求。
5 應用效果分析
冀東三友水泥熟料生產線自4月投料以來，系統運行基本穩定。進入試生產運行以來，運行效果令用戶滿意。實踐表明:
1)自動化系統設計合理，功能穩定可靠。基本不需要維護，保證了設備的高運轉率，且操作簡便、直觀。
2)調試和故障診斷方便、快速，操作員能及時發現產生的故障并確定其位置，縮短了排故時間。程序設計了索引文件，使系統維護人員可在上位OMS上快速定位故障或設備I/O地址。
3)系統動、靜態性能好，能夠滿足水泥熟料質量控制和儀表計量精度上的要求。
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