自动化控制系统在水泥窑系统的应用

王淑琴

（江苏天山水泥集团有限公司，江苏 无锡 214031）

1 概述

ABB 800F系列DCS系统是一种全能综合型开放控制系统，该系统融传统的DCS和PLC优点于一体，并支持多种国际现场总线标准。它既具备DCS的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面及方便的工程软件，同时又具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能，因此完全可以满足水泥行业控制系统的技术要求。本文根据江苏天山水泥集团熟料生产线的工艺流程和装备布局进行自动化控制系统设计，通过合理布局站点、硬件配置及软件控制，达到了生产线运行控制的技术要求。

2 系统构成

根据水泥行业的特点和控制系统要求，我们选用ABB 800F系列DCS系统作为熟料生产线的自动化控制系统，系统分为操作管理级（操作站OS、工程师站ES）和过程控制级（过程站PS及现场控制器AC800F）。在操作管理级上实现控制系统监控操作功能（预定义及自由格式动态画面显示、趋势显示、弹出式报警及操作指导信息等）；在过程控制级实现包括复杂控制在内的各种回路调节（各种PID、比值等）和高速逻辑控制、顺序控制以及批量间歇控制功能。系统软件采用Freelance。图1为熟料生产线的自动化控制系统组成示意图。

3 系统控制实现

系统根据水泥生产工艺控制的需要和水泥工艺现场位置排列，分3个现场站和2个远程站（窑头主站和煤磨远程站、窑尾主站、生料磨主站和生料调配远程站），其目的是合理地使用系统资源，节省大量的电缆敷设，使不相关故障之间彼此不受影响。

编程时将各相关的设备放于同一组中，根据工艺要求，在组内和组间均建立相互连锁关系，并加入设备保护关系。启动时，设备根据连锁保护关系顺序启动；当发生故障时，根据连锁保护关系及时停止相应设备，起到保护设备和避免故障扩大以及降低事故处理难度的作用。

图1 熟料生产线的自动化控制系统组成示意图

3．1 硬件构成

一个主站的基本配置为至少一个AC800F控制器、电源模块、通讯模块和I／O模块等。Freelance的I／O模块均为自带CPU的智能化模件，其主要功能是进行信号的调理及 A／D、D／A转换，并完成包括线性化、工程单位转换在内的各种数据预处理。Freelance的I／O模块与控制器（即主CPU模件）之间的通迅由CAN总线实现，I／O模块的参数设置均由组态软件完成，不必进行开关跳线及电位器调整。每个I／O模块的扫描周期可根据需要分别进行设置，其开关量和模拟量I／O模块的最小扫描周期分别为2ms、10ms，并具有自诊断和内部工作温度监视报警功能，可设置故障安全（fail＿safe）值（数据保持／预设值／最大或最小值），一旦模块发生故障或通迅出错，其输入输出结果即可切换到事先组态好的安全值。AC800F本身的基本配置为一个电源模块、主CPU通讯模块和子节点通讯模块。AC800F控制器负责系统控制程序运行、与上位机的通讯和I／O模块的信号采集处理。

例如一个高电位信号（220V．AC）进入DI模块的某一通道，DI模块接收后，经通讯模块将信号传输到AC800F的子节点通讯模块上，经解读后，AC800F根据所编程序自动做出反应，并与上位机进行信号通讯，在操作站上显示信号的变化，由操作员做进一步的控制。

窑头主站和煤磨远程站硬件配置示意图如图2所示。窑头主站有两个控制柜分别为模块柜和中继柜，模块柜配置主控制器AC800F（含两个通讯模块），1个电源模块，1个子通讯模块（每个子通讯模块可带2个输入、输出模块），18个开关量输入DI模块（每个DI模块可带16个DI输入点），4个开关量输出DO模块（每个DO模块可带16个DO输入点），8个模拟量输入AI模块（每个AI模块可带8个AI输入点），2个模拟量输出AO模块（每个AO模块可带8个AO输入点）。中继柜有中间继电器，用作隔离和增加拖动力。

图2 窑头主站和煤磨远程站硬件配置示意图

煤磨远程站有两个控制柜分别为模块柜和中继柜，模块柜不配置主控制器AC800F，配置有电源模块，3个子通讯模块（每个子通讯模块可带12个输入、输出模块），12个开关量输入DI模块（每个DI模块可带16个DI输入点），3个开关量输出DO模块（每个DO模块可带16个DO输入点），6个模拟量输入AI模块（每个AI模块可带8个AI输入点），3个模拟量输出AO模块（每个AO模块可带8个AO输入点）。中继柜有中间继电器，用作隔离和增加拖动力。

其他站（窑尾站、生料磨主站和生料调配远程站）同理进行配置。

3．2 软件编程和组态

系统通讯为标准以太网，操作员站安装DIGVIS软件，工程师站安装DigiTool软件，这些软件均运行在Windows操作系统上。

DigiTool是Freelance系统的工程工具，它是集组态（包括硬件配置、控制策略等组态）、工程调试和诊断功能为一体的工具软件包，它采用统一的系统全局数据库和交叉参考工具，不仅能方便地完成控制组态，而且是一个高性能的过程调试工具。Freelance系统过程控制站PS和现场控制器AC800F所需的各种控制算法和策略都是由DigiTool来组态的，并采用图形化的组态方法（符合IEC1131－3标准）。DigiTool也用于对操作站人机接口（HIS）功能的组态并还可以直接对现场总线设备进行组态。

控制算法和策略组态可选用以下IEC1131－3标准组态方法中的一种或几种：

§FBD；§LD；§SFC；§IL；§ST

DigiTool安装在Freelance系统工程师站上，完成后的组态结果由工程师站通过系统网络下载至相应的PS、FC及操作站OS中。

窑头主站共分为10组：第一组：熟料输送组；第二组：收尘下料组组态（见图3）；第三组：电收尘组 ；第四组：蓖冷机组 ；第五组：蓖冷机热端风机组；第六组：一次风机组；第七组：窑头密封圈冷却风机组；第八组：窑头电收尘排风机组；第九组：蓖冷机冷端风机组；第十组：空气炮组。

图3 收尘下料组组态

其他站（窑尾站、生料磨主站和生料调配远程站）同理进行分组组态。

4 小结

本文主要讨论了自动化控制技术在水泥窑系统应用的基本模型，介绍了ABB公司推出的FREELANCE系统在我厂的应用，对今后的设计选型有一定的参考价值。在设计中多考虑降低控制设备的复杂程度，应尽量减少中间环节，提高可靠性，以及设备的备品备件的易购买和价格，这样才能使企业在生产维护中受益。

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