基于PLC與Profibus的新型水泥生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)

吳華民

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院 安徽 合肥 230051）

基于PLC與Profibus的新型水泥生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)

吳華民

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院 安徽 合肥 230051）

針對水泥生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)計(jì)了一套基于Profibus總線的PLC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PLC技術(shù)、DCS技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，結(jié)合工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了對水泥生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程控制。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場運(yùn)行證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、操作方便、維護(hù)量小，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

Profibus；PLC；集散控制系統(tǒng)

0 引言

現(xiàn)代水泥生產(chǎn)工藝設(shè)備的單機(jī)容量大，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，而且生產(chǎn)過程要求較高的快速性和協(xié)調(diào)性。為了提高企業(yè)競爭力，自動控制的實(shí)施至關(guān)重要。自動控制能保證生產(chǎn)穩(wěn)定、提高質(zhì)量、降低能耗、降低勞動強(qiáng)度以及減少環(huán)境污染[1][2]。同時(shí)，先進(jìn)的生產(chǎn)控制管理，也要求有可靠的自動控制系統(tǒng)和完善的控制技術(shù)水平。水泥生產(chǎn)經(jīng)過了回轉(zhuǎn)窯水泥、機(jī)立窯水泥、立波爾水窯泥、懸浮預(yù)熱器窯、新型干法的發(fā)展歷程，其自動控制系統(tǒng)也逐步由過去人工控制、機(jī)械控制、半自動化控制、自動化控制，而自動化控制也由局部控制到全廠控制、繼電器控制NPLC控制、分散控制到中控室的集中控制[3][4]。

本文針對水泥新型干法生產(chǎn)線，將PLC、DCS和現(xiàn)場總線技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，取其所長補(bǔ)其所短，開發(fā)可運(yùn)用于新型干法水泥系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控管理一體化。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 方案概述

集散型控制系統(tǒng)分為過程控制級、控制管理級以及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。過程控制級由現(xiàn)場控制站和遠(yuǎn)程PLC控制站通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接組成。新型干法水泥工廠集散型控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制站和遠(yuǎn)程PLC控制站可分為以下幾個(gè)部分：生料現(xiàn)場控制站，其包括原料預(yù)均化及輸送系統(tǒng)、原料配料系統(tǒng)、生料制備系統(tǒng)；窯尾現(xiàn)場控制站，其包括窯尾喂料系統(tǒng)、窯尾廢氣處理系統(tǒng)；窯頭現(xiàn)場控制站，其包括窯中傳動系統(tǒng)、窯頭熟料冷卻及輸送系統(tǒng)、煤粉制備系統(tǒng)；水泥控制站，其包括水泥配料系統(tǒng)，水泥粉磨系統(tǒng)、水泥包裝系統(tǒng)等。

控制管理級位于中央控制室內(nèi)，由工程師工作站、操作員工作站、打印機(jī)、通訊接口裝置等組成。通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為管理層冗余光纖以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)。控制管理級、各現(xiàn)場控制站之間以及現(xiàn)場控制站和控制管理級之間通過光纖冗余以太網(wǎng)聯(lián)接。現(xiàn)場控制站與遠(yuǎn)程I/O控制站之間通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。由于與常規(guī)集散型控制系統(tǒng)相比較，2500t/d規(guī)模以上的水泥廠內(nèi)現(xiàn)場大功率電動機(jī)、大功率變頻器較多，因此現(xiàn)場總線需具備強(qiáng)抗干擾能力。

本方案采用德國西門子公司SIMATIC控制系統(tǒng)，結(jié)合全集成自動化（TIA）技術(shù)，將生產(chǎn)制造和工藝過程技術(shù)領(lǐng)域統(tǒng)一起來?？刂破饔布捎肧IMATIC S7-400控制器，其指令處理時(shí)間極短，且具備多個(gè)CPU進(jìn)行多種計(jì)算的能力，其堅(jiān)固、全封閉的模塊能承受惡劣的工業(yè)環(huán)境，無風(fēng)扇操作減少了架空位置。系統(tǒng)具有良好的開放性，控制網(wǎng)絡(luò)采用MPI協(xié)議，使得系統(tǒng)的可靠性及抗干擾能力大大增強(qiáng)，并使得系統(tǒng)可方便地與全廠管理網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。操作站及工程師站采用美國DELL公司品牌機(jī),安裝SIEMENS公司W(wǎng)inCC組態(tài)軟件,全面支持客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)以及OPC等通訊協(xié)議,可方便地與第三方設(shè)備連接。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 過程控制站

根據(jù)生產(chǎn)及工藝流程的需要將所控制的區(qū)域分為四個(gè)現(xiàn)場控制站（FCS）和四個(gè)遠(yuǎn)程PLC控制站，原料粉磨控制站、燒成窯尾控制站、燒成窯頭控制站、水泥粉磨控制站。石灰石破碎、石灰石預(yù)均化堆場等原料準(zhǔn)備部分采用遠(yuǎn)程PLC站，煤粉制備、水泥包裝、水處理用遠(yuǎn)程PLC站?，F(xiàn)場控制站中的各種處理器，I/O接口模件及機(jī)柜將放置在車間電力室中，通過通訊網(wǎng)絡(luò)與中央控制室操作站相連，組成集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。原料遠(yuǎn)程站、原料磨控制站、水泥磨控制站需配一個(gè)PROFIBUS接口與高壓柜的綜保裝置通訊。提供與高壓開關(guān)柜綜保裝置的通訊數(shù)據(jù)采集。

現(xiàn)場主控制站和遠(yuǎn)程I/O控制站全部控制器件采用國際知名品牌產(chǎn)品，緊跟控制技術(shù)發(fā)展；本方案過程控制采用SIEMENS公司的S7-400過程控制站，主機(jī)選用新型CPU414-2DP控制器，單條指令處理速率小于0.1微秒，單主機(jī)的模擬量處理能力可達(dá)4096點(diǎn)；使用國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線技術(shù)，支持遠(yuǎn)程I/O站的應(yīng)用。I/O模塊選用SIEMENS公司的S7-400系列輸入/輸出模塊，I/O模塊可帶電熱插拔。控制站中的硬件配置及應(yīng)用程序可通過FLASH存儲卡或者后備電池進(jìn)行保護(hù)，可避免程序及數(shù)據(jù)的丟失?？刂普局械墓碳‵irmware）可進(jìn)行更新，使得系統(tǒng)的維護(hù)及更新得到了保證，控制器上有多個(gè)LED指示燈方便用戶隨時(shí)掌握系統(tǒng)的狀態(tài)（如電池情況，通訊狀態(tài)等）。

1.3 控制網(wǎng)絡(luò)

操作站采用TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊，通過工業(yè)以太網(wǎng)將生料控制站、窯尾控制站、窯頭控制站及水泥磨控制室操作站連接到交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余。

通過新型CPU414-2DP控制器的PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議，把遠(yuǎn)程I/O控制站連接起來，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程控制站的控制。使用PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議，可以對現(xiàn)場其它設(shè)備進(jìn)行通訊，例如生料立磨系統(tǒng)、水泥磨輥壓機(jī)控制系統(tǒng)。

采用現(xiàn)場控制總線FCS系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）現(xiàn)場總線開放性好，具可互操作性與可互換性，全數(shù)字化，用不著象DCS或PLC那樣需A／D或D／A轉(zhuǎn)換，是雙向通信、智能化的現(xiàn)場儀表。

2）可以減少1／2～2／3的隔離器、端子柜、I／0終端、I／O卡件、I／O文件及I／O柜子，這樣就節(jié)省了I／O裝置及裝置室的空間。

3）可以減少電纜的用量，費(fèi)用可以節(jié)省60%或更多(電纜費(fèi)用)。

4）由于可以將PID功能植入到變送器或執(zhí)行器中去，使控制周期大為縮短。目前可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)2～3次增加到每秒調(diào)節(jié)10～20次，從而改善了調(diào)節(jié)性能。

5）組態(tài)簡單，安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡便。

6）用戶可擇優(yōu)選擇，達(dá)到最佳集成。

1.4 操作員站（工程師站）

操作站（工程師站）的配置上要求適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高性能以及通用性是其主要原則。本方案選用DELL公司OptiPlex系列計(jì)算機(jī)，配置有英特爾酷睿2四核處理器主頻、2G內(nèi)存、320G硬盤以及16倍速DVD光盤驅(qū)動器，256MATI Radeon顯示驅(qū)動卡，10/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡及DELL公司20寸LED顯示器；操作站采用中文WINDOWS XP PRO平臺及WINCC組態(tài)及運(yùn)行版軟件，使用中文監(jiān)控界面，易于掌握和維護(hù)。

操作員站互為冗余熱備用方式,保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，具有以下功能：

1.4.1 工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示；工藝流程動態(tài)參數(shù)顯示；有關(guān)參數(shù)趨勢顯示，歷史數(shù)據(jù)顯示，記錄等功能。

1.4.2 過程控制回路參數(shù)設(shè)定及報(bào)表打印。

1.4.3 在操作組內(nèi)有選擇，啟動，停車，復(fù)位等軟手操功能，可對馬達(dá)進(jìn)行組啟停或單臺啟停。

1.4.4 具有自診斷功能。

1.4.5 具有仿真測試功能。

1.4.6 工程師站具有操作站的全部功能。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括編程軟件、監(jiān)控軟件,分別采用SIEMENS公司的STEP 7、Wincc以及應(yīng)用軟件。

2.1 編程軟件STEP 7

SIEMENS公司的STEP 7是軟件的中心部分,具有以下特性：

2.1.1 數(shù)據(jù)集中存儲,它們僅需輸入一次,所有軟件單元即可得到它們

2.1.2 符號由一個(gè)統(tǒng)一的符號表進(jìn)行管理

STEP 7以IEC 1131-3為標(biāo)準(zhǔn),具有多種編程方式（LAD、FBD、CFC、SFC、SCL等）及工具。

2.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

WinCC操作站實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)：

2.2.1 生產(chǎn)總貌顯示

2.2.2 動態(tài)控制流程圖

2.2.3 動態(tài)趨勢圖

2.2.4 設(shè)備起停及控制回路操作、參數(shù)修改

2.2.5 報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)記錄、顯示和打印

2.3 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件包括設(shè)備聯(lián)鎖順序控制、模擬量檢測、常規(guī)回路控制以及采用專家控制技術(shù)的優(yōu)化控制。整個(gè)應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，使得用戶的維護(hù)工作大大降低，系統(tǒng)的可讀性增強(qiáng)。

2.4 操作站控制組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

操作站（工程師）使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)硬件編輯、現(xiàn)場過程站編程、現(xiàn)場總線智能儀表組態(tài)、操作員站組態(tài)一體化編程及調(diào)試。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為全局，所以操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面完全可以共享,互為冗余備份。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的于新型干法水泥系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)場總線開放性好、可靠性高以及高度分散等優(yōu)勢，來彌補(bǔ)DCS布線繁雜、開放性差的缺陷；利用PLC可靠性高、價(jià)格便宜、配置靈活、適合用于工業(yè)控制現(xiàn)場等優(yōu)勢，來彌補(bǔ)現(xiàn)場總線智能現(xiàn)場測量、控制設(shè)備價(jià)格較高的缺陷；利用DCS編程運(yùn)算好、易組態(tài)的優(yōu)勢，來彌補(bǔ)PLC不適用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制的不足。整個(gè)控制系統(tǒng)是以PLC為基礎(chǔ)的分布式自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得整個(gè)水泥生產(chǎn)線的所有設(shè)備成為一個(gè)整體，應(yīng)用簡單操作即可控制整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行。

本系統(tǒng)在福建省某水泥廠自投入運(yùn)行以來，結(jié)果令人滿意，達(dá)到了降低能耗、穩(wěn)定質(zhì)量、提高產(chǎn)能的要求，在新型干式水泥自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

［1］魏軍，趙敏，徐海標(biāo).水泥生產(chǎn)線混合型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2004，12(8)：741-743.

［2］張明光，張曉英.水泥熟料生產(chǎn)過程DCS控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2003，11(9)：676-678.

［3］趙朝賓.淺談水泥企業(yè)的自動化控制技術(shù)[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2011(1)：51-53.

［4］滕飛，李紅星，王繼文.S7_300PLC在水泥粉磨站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2010,32（9）：106-109.

Control System of Production Automation for New Model Cement Based on PLC and Profibus

WU Hua－min
（Hefei Cement Research and Design Institute，Hefei Anhui，230051，China）

In accordance with the requirement of production technics of cement，the programmable logic controller control system based on the Profibus technologyis designed and implemented，which combines with the technologies of PLC，DCS and Profibus and combines industrial control network and configuration software for the long-distance control to the cement product line.The design of hardware and software is introduced.The run on site shows that the system has features of stable running，high reliability，convenient operation，little maintenance and a high popularized function.

Profibus；PLC；DCS

吳華民（1980—），男，廣西貴港人，從事水泥工廠電氣及自動化設(shè)計(jì)工作。

常鵬飛］