CEMAT系統(tǒng)在大型水泥企業(yè)中的應(yīng)用
中圖分類號(hào)：TP393．07文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002—9877(2004)10—0062—03
某水泥公司建設(shè)了一條5000t／d生產(chǎn)線，其DCS系統(tǒng)采用了SIEMENS公司專門為水泥行業(yè)開發(fā)的CEMAT系統(tǒng)。筆者有幸參與了整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試和編程組態(tài)，總結(jié)一點(diǎn)心得如下。
1 基于SIMATIC PCS7的CEMAT系統(tǒng)
1．1 SIMATICPCS7簡(jiǎn)介
SIEMENS公司近年新推出的SIMATIC PCS7系列產(chǎn)品已在水泥和鋼鐵工業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用，而基于SIMATIC PCS7系列的西門子全集成自動(dòng)化系統(tǒng)(TIA)則是集成功經(jīng)驗(yàn)與最新技術(shù)于一體的、全新概念的、面向工業(yè)過程控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。
SIMATIC PCS7系統(tǒng)采用具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、功能強(qiáng)大的關(guān)系型、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)作為平臺(tái)，作為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)過程控制管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐系統(tǒng)。關(guān)系型、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)不同于一般的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐系統(tǒng)，它能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、一致性和系統(tǒng)各個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)的同步性，具備多種形式的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)索引方式。所以在對(duì)系統(tǒng)組態(tài)時(shí)，所有的數(shù)據(jù)和設(shè)置都自動(dòng)地連入一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)中。
1．2 CEMAT系統(tǒng)
CEMAT是英語CEMent AuTomation的縮寫，是在SIMATIC PCS 7基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，CEMAT系統(tǒng)在啟動(dòng)之前可獲得整個(gè)系統(tǒng)詳細(xì)的狀態(tài)報(bào)告，不會(huì)出現(xiàn)任何不合理的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或組的啟動(dòng)，該系統(tǒng)采用似然性邏輯，不會(huì)發(fā)生不合理的路由選擇。操作員可輸入每個(gè)單獨(dú)事件的注意事項(xiàng)，并由其他操作員讀取。
CEMAT系統(tǒng)采用集成的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)和統(tǒng)一的組態(tài)工具，即SIMATIC程序管理器。在項(xiàng)目管理上，SIMATIC程序管理器從系統(tǒng)硬件和水泥生產(chǎn)工藝兩個(gè)視角，同時(shí)進(jìn)行管理。這兩個(gè)視角在程序管理器中分別稱為標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)(Standard Hierarchy)和工藝分級(jí)(Plant Hierarchy)。其中標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)主要管理系統(tǒng)的硬件，而工藝分級(jí)主要管理水泥工藝過程，它將整個(gè)水泥廠按工藝過程的要求，分為各個(gè)子系統(tǒng)，按水泥廠的實(shí)際結(jié)構(gòu)采用分層的形式將各個(gè)子系統(tǒng)映射到控制器上。與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的模塊相比，CEMAT系統(tǒng)的組態(tài)直接面向水泥工藝過程，且模塊的I／O參數(shù)數(shù)量較少，工程與組態(tài)非常容易，可以顯著減少編程錯(cuò)誤，同時(shí)可以大大避免系統(tǒng)中資源的浪費(fèi)。
CEMAT系統(tǒng)有一個(gè)專門針對(duì)水泥行業(yè)開發(fā)的特征模塊數(shù)據(jù)庫(kù)，通過它能知道怎樣去運(yùn)作一個(gè)水泥廠，怎樣通過診斷將故障停機(jī)時(shí)間降到最低，以及怎樣將電動(dòng)機(jī)、節(jié)氣閥、傳送帶和工廠的測(cè)量結(jié)果互相結(jié)合起來。CEMAT系統(tǒng)還集成了CEMAT-KCS回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制系統(tǒng)和CEMAT-MCS磨機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)。
2 SⅡMATⅡCCEMAT系統(tǒng)配置
SIMATICCEMAT系統(tǒng)配置如圖l所示。整個(gè)系統(tǒng)分為中控室操作管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制室控制層以及本地和遠(yuǎn)程I／O設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)層3個(gè)層次。
圖1 SIMATICCEMAT系統(tǒng)配置
1)操作管理層：由4臺(tái)操作員站(OS)、1臺(tái)工程師站(ES)、打印機(jī)、UPS及質(zhì)量控制系統(tǒng)等組成。操作管理層與控制層之間通過工業(yè)以太網(wǎng)Industrial Ethernet實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)站(AS)、操作員站、工程師站等之間的通信。
2)現(xiàn)場(chǎng)控制層：由4臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)站(1臺(tái)AS414-3和3臺(tái)AS416-3)組成?？刂茖优c現(xiàn)場(chǎng)層之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線ProfibusDP和ProfibusPA進(jìn)行通信。
3)現(xiàn)場(chǎng)層：由①本地I／O站ET 200M、②遠(yuǎn)程I／O站ET 200M、③DP／PA鏈接器、④現(xiàn)場(chǎng)中低壓智能保護(hù)器、⑤交直流傳動(dòng)設(shè)備、⑥調(diào)速秤變頻裝置、⑦電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、⑧現(xiàn)場(chǎng)智能儀表包括總線式壓力／差壓變送器、⑨總線式溫度變送器組成。通過ProfibusDP與現(xiàn)場(chǎng)站進(jìn)行通信；⑧和⑨通過ProfibusPA與現(xiàn)場(chǎng)站通信。
3 CEMAT—KCS回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)的工程師站、操作員站及現(xiàn)場(chǎng)站的功能特點(diǎn)，與常用的DCS系統(tǒng)相比，大同小異，不再贅述。
對(duì)回轉(zhuǎn)窯采用自動(dòng)化技術(shù)面臨著幾個(gè)重要的問題：回轉(zhuǎn)窯控制的目的是控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料燒成的溫度，而窯內(nèi)溫度無法進(jìn)行直接測(cè)量，這就給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來很大的難度。由于回轉(zhuǎn)窯是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象，具有非線性、純滯后、不確定性的特點(diǎn)，系統(tǒng)工況復(fù)雜多變，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的控制方法難以獲得理想的控制效果，而該控制系統(tǒng)對(duì)窯具有良好的控制功能。
該控制系統(tǒng)是通過火焰溫度、窯主電動(dòng)機(jī)電流和篦床主電動(dòng)機(jī)電流，對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的煅燒進(jìn)行控制。其原理框圖見圖2。
圖2 CEMAT-KCS回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制原理
該控制系統(tǒng)有3個(gè)輸入變量：窯主電動(dòng)機(jī)電流、篦床主電動(dòng)機(jī)電流和窯內(nèi)火焰溫度；有4個(gè)輸出調(diào)節(jié)變量：窯尾喂料信號(hào)、窯速信號(hào)、篦床篦板運(yùn)行速度及窯頭尾喂煤信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)有3個(gè)大的反饋閉環(huán)和2個(gè)反饋內(nèi)環(huán)組成，通過系統(tǒng)中的智能模塊和運(yùn)行程序，對(duì)整個(gè)窯系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)節(jié)控制。
CEMAT系統(tǒng)首先利用攝像機(jī)攝取窯內(nèi)火焰溫度的圖像，通過圖像處理判斷火焰的溫度，并以這個(gè)溫度為控制對(duì)象進(jìn)行控制。另外，由于窯的主電動(dòng)機(jī)電流和篦床主電動(dòng)機(jī)電流在一定的情況下，能夠比較準(zhǔn)確的反映窯內(nèi)物料燒結(jié)的溫度情況，當(dāng)溫度偏高時(shí)，物料的流動(dòng)性會(huì)變差，在物料進(jìn)料不變的情況下，滯留在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料增多，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷加大，窯主電動(dòng)機(jī)電流變大，而篦床主電動(dòng)機(jī)電流變小；反之，溫度偏低，物料流動(dòng)加快，窯主電動(dòng)機(jī)電流變小，篦床主電動(dòng)機(jī)電流變大。故此，CEMAT系統(tǒng)又以這2項(xiàng)為控制對(duì)象進(jìn)行控制口通過CEMAT-KCS回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制系統(tǒng)對(duì)窯主電動(dòng)機(jī)電流、篦床主電動(dòng)機(jī)電流和窯內(nèi)火焰溫度的綜合控制，解決了由于物料流速變化使窯主電動(dòng)機(jī)電流和篦床主電動(dòng)機(jī)電流對(duì)窯內(nèi)溫度的反應(yīng)存在滯后性，和窯況不好時(shí)窯內(nèi)粉塵很濃造成火焰分析溫度誤差較大等問題。整個(gè)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，熟料產(chǎn)量平均高達(dá)210t／h。
4 系統(tǒng)調(diào)試中的問題
1)處理好整個(gè)系統(tǒng)的接地問題。DCS系統(tǒng)的供電電源十分重要，而電源是DCS系統(tǒng)一個(gè)重要的干擾源。防止電源干擾主要是要做好接地線，接地電阻要小于2Ώ。系統(tǒng)在調(diào)試運(yùn)行期間，曾出現(xiàn)了幾次不明原因的誤發(fā)信號(hào)，這與接地系統(tǒng)不好有很大關(guān)系。
2)系統(tǒng)要定期維護(hù)。由于系統(tǒng)使用的是服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)器需要長(zhǎng)期的讀寫硬盤，這樣就造成硬盤中碎片、垃圾文件太多，硬盤空間變少，嚴(yán)重的造成硬盤出現(xiàn)壞磁道和壞扇區(qū)，久而久之，就會(huì)造成硬盤容量不夠，服務(wù)器死機(jī)。為此，我們的系統(tǒng)維護(hù)人員要定期對(duì)服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和碎片整理。
3)加強(qiáng)系統(tǒng)的防干擾措施。在設(shè)備調(diào)試過程中，我們?cè)龅竭@樣一個(gè)問題：拖動(dòng)回轉(zhuǎn)窯的直流電動(dòng)機(jī)，在DCS沒有發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的情況下，幾次出現(xiàn)自起現(xiàn)象，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，原因是由于調(diào)試人員的對(duì)講機(jī)在通話中靠現(xiàn)場(chǎng)站模塊距離太近所致。后規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)人員使用對(duì)講機(jī)、手機(jī)等通訊工具必須距DCS設(shè)備lm以上。
5 結(jié)束語
CEMAT系統(tǒng)能簡(jiǎn)單、方便地完成整個(gè)水泥廠的控制、管理，是用于水泥企業(yè)理想的DCS系統(tǒng)。該系統(tǒng)規(guī)模變換靈活，可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)單元的過程控制，到全廠范圍的自動(dòng)化集成。該系統(tǒng)于2003年6月投入運(yùn)行以來，穩(wěn)定可靠，在線修改和調(diào)試方便，給操作人員和維護(hù)人員帶來了很大方便，在高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、降低能耗和安全環(huán)保等方面發(fā)揮廠很大作用，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果，創(chuàng)造了最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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