水泥回轉(zhuǎn)窯綜合能耗智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)春紅 束洪春 李 宏 趙 煜 梁 寅 劉海田

(1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500；2.昆明電器科學(xué)研究所，昆明 650221；3.昆明理工大學(xué)研究生院，昆明 650093)

水泥回轉(zhuǎn)窯綜合能耗智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)春紅1，2束洪春3李 宏2趙 煜2梁 寅2劉海田2

(1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500；2.昆明電器科學(xué)研究所，昆明 650221；3.昆明理工大學(xué)研究生院，昆明 650093)

為實(shí)現(xiàn)水泥回轉(zhuǎn)窯熟料綜合能耗的計(jì)算與報(bào)表管理，設(shè)計(jì)搭建了水泥回轉(zhuǎn)窯綜合能耗智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集耗電量，基于DCS工業(yè)以太網(wǎng)采集頭煤量和尾煤量，通過(guò)ODBC數(shù)據(jù)源與SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，將耗電量和耗煤量存入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)?；贒elphi開發(fā)綜合能耗計(jì)算、查詢和報(bào)表程序，經(jīng)程序編譯Active X控件嵌入到Cimplicity HMI中。該系統(tǒng)已在水泥生產(chǎn)中得到成功運(yùn)用。

能耗監(jiān)控 水泥回轉(zhuǎn)窯 Delphi程序開發(fā) SQL Server Active X

懸浮預(yù)熱分解和回轉(zhuǎn)窯是新型干法水泥煅燒工藝的核心，也是水泥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生綜合能耗(電耗、煤耗等)的主要環(huán)節(jié)。按照國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，應(yīng)對(duì)綜合能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，而該項(xiàng)工作量大，人工完成耗時(shí)滯后，效率不高，不易管理。為此，筆者設(shè)計(jì)搭建了水泥回轉(zhuǎn)窯綜合能耗智能監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱綜合能耗系統(tǒng))，利用該系統(tǒng)采集基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)，對(duì)綜合能耗進(jìn)行計(jì)算和在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確可靠的綜合能耗信息，為分析并評(píng)估水泥產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、運(yùn)轉(zhuǎn)率及成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采取節(jié)能降耗措施提供決策支持。

基于ZigBee部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和多功能電度表，采集石灰石破碎、窯尾、窯頭及余熱發(fā)電等工段耗電量，開發(fā)協(xié)議轉(zhuǎn)換器,將多功能電度表的DL/T645-1997協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus TCP/IP協(xié)議，經(jīng)上位組態(tài)軟件Cimplicity HMI配置，耗電量無(wú)縫接入DCS，完成電耗參數(shù)的采集與存儲(chǔ)[1]；綜合能耗系統(tǒng)通過(guò)DCS工業(yè)以太網(wǎng)采集現(xiàn)場(chǎng)控制站的頭煤量和尾煤量，通過(guò)ODBC數(shù)據(jù)源與SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)連接，將耗電量和耗煤量存入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)；基于Delphi開發(fā)綜合能耗計(jì)算、查詢和報(bào)表程序，經(jīng)程序編譯成Active X控件，嵌入Cimplicity HMI中，實(shí)現(xiàn)熟料綜合能耗計(jì)算與報(bào)表管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

不改變?cè)嗌a(chǎn)過(guò)程DCS的系統(tǒng)架構(gòu)，新增一套綜合能耗系統(tǒng)工作站，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。綜合能耗系統(tǒng)工作站操作系統(tǒng)為Windows XP SP3，安裝Cimplicity 8.0 HMI開發(fā)版、SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)、Borland Delphi7.0 IDE。

綜合能耗系統(tǒng)的軟件功能需求為：實(shí)現(xiàn)電耗、煤耗數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，計(jì)算綜合能耗，實(shí)現(xiàn)報(bào)表查詢、綜合能耗監(jiān)控及顯示實(shí)時(shí)能耗趨勢(shì)等。其中,數(shù)據(jù)采集、能耗監(jiān)控及能耗趨勢(shì)實(shí)時(shí)顯示等功能在Cimplicity HMI開發(fā)版上組態(tài)實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能在Cimplicity HMI開發(fā)版和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)上組態(tài)實(shí)現(xiàn)[2]；能耗計(jì)算、查詢和報(bào)表功能在Delphi IDE環(huán)境下開發(fā)，通過(guò)編譯成OCX控件，由Cimplicity HMI運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)調(diào)用。綜合能耗系統(tǒng)軟件架構(gòu)和數(shù)據(jù)流如圖1所示。

煤耗和電耗分別通過(guò)PLC和網(wǎng)關(guān)采集，通過(guò)Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到Cimplicity HMI，實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)傳遞到變量管理器中組態(tài)好的變量里；變量分組后，在能耗實(shí)時(shí)趨勢(shì)組件和能耗監(jiān)控組件中展示，同步到后臺(tái)SQL Server 2005中歸檔；在Delphi IDE環(huán)境下，開發(fā)并編譯控件，通過(guò)OLE功能嵌入Cimplicty HMI中形成綜合能耗計(jì)算、查詢與報(bào)表組件，當(dāng)管理人員需要查詢統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的綜合能耗數(shù)據(jù)或獲取能耗評(píng)估結(jié)果時(shí)，進(jìn)入該組件設(shè)定查詢條件，激活組件的計(jì)算/查詢功能，獲取查詢計(jì)算評(píng)估結(jié)果，此外在組件上進(jìn)行導(dǎo)出/打印操作，將結(jié)果導(dǎo)出到Excel表或打印文檔。

圖1 綜合能耗系統(tǒng)軟件架構(gòu)和數(shù)據(jù)流

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1能耗數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1.1電耗數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)

水泥生產(chǎn)過(guò)程中，原料的破碎、粉磨、均化、輸送、入窯煅燒、冷卻、入庫(kù)工段，燃料的預(yù)均化、粉磨、輸送工段，給水、廢氣處理工段中的所有動(dòng)力設(shè)備、儀表、控制裝置[3]，都由3個(gè)配電室供電，通過(guò)高壓計(jì)量柜中多功能電度表與ZigBee無(wú)線采集，得到原料、燃料進(jìn)廠至出廠熟料生產(chǎn)過(guò)程的耗電量[4]。Cimplicity HMI運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)不支持多功能電度表的原傳輸協(xié)議，因此設(shè)置一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器將電度表的原DL/T645-1997協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)換為Cimplicity HMI支持的Modbus TCP/IP協(xié)議報(bào)文，協(xié)議轉(zhuǎn)換器選型為一個(gè)多功能嵌入式設(shè)備，編入lua腳本程序后即可完成協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。在Cimplicity HMI開發(fā)版中進(jìn)行端口、設(shè)備和變量組態(tài)，實(shí)現(xiàn)電耗數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，具體步驟如下：

a. 在設(shè)備選項(xiàng)卡中新建MBTCP主站端口,進(jìn)行通信協(xié)議組態(tài)，并定義Modbus TCP/IP端口名；

b. 資源組態(tài),定義設(shè)備名稱并將設(shè)備綁定至通信端口；

c. IP組態(tài),將設(shè)備IP分配給資源；

d. 命名變量,定義資源中的變量；

e. 通用屬性組態(tài),對(duì)變量的數(shù)據(jù)類型、精度、取值范圍、歸檔屬性、從屬資源進(jìn)行設(shè)置。

2.1.2煤耗數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)

煤耗數(shù)據(jù)通過(guò)窯尾遠(yuǎn)程控制站從兩臺(tái)轉(zhuǎn)子秤采集到DCS系統(tǒng)，將DCS系統(tǒng)中原工程師站的變量組態(tài)拷貝到監(jiān)控工作站，按與電耗數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)方式相同的步驟在Cimplicity HMI中配置變量。

2.2綜合能耗計(jì)算、查詢與報(bào)表功能的實(shí)現(xiàn)

在能耗監(jiān)控工作站中配置ODBC接口，將SQL Server 2005作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)連接至Cimplicity HMI組態(tài)軟件。在Delphi開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)Windows程序，將程序編譯成Active X控件在Cimplicity HMI圖形組態(tài)編輯器中調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合能耗的計(jì)算、查詢、報(bào)表功能。功能組件的開發(fā)步驟分為4步。

首先，基于Delphi IDE的綜合能耗計(jì)算查詢和報(bào)表功能組件的窗體編輯。在組件面板中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)組件中的按鈕控件、編輯框控件，ADO組件中的ADOquery控件，數(shù)據(jù)訪問(wèn)組件中的Tdatasource控件，以及Win32組件中的datetimepicker控件。

其次，編輯“能耗計(jì)算按鈕”事件驅(qū)動(dòng)程序代碼和ADOquery2控件代碼。將ADOQuery2控件參數(shù)初始化和Datetimepicker控件參數(shù)傳遞功能分別封裝到過(guò)程f1和f2中。代碼如下(代碼中*表示屬一個(gè)類的對(duì)象的標(biāo)識(shí)碼分別取1,2,3,4整數(shù))：

Procedure f*

{ADOQuery2.Close;

ADOQuery2.SQL.Clear;

ADOQuery2.SQL.Add(′Select * From Table_1 Where timestamp=:D*′);

ADOQuery2.Parameters.ParamByName(′D*′).Value:=DateToStr(DateTimePicker*.Date)+′′+TimeToStr(DateTimePicker*.Time);ADOQuery2.Open;}

定義原煤量、余熱電站電量、窯尾進(jìn)線柜電量、窯頭進(jìn)線柜電量、皮帶機(jī)電量、堆料機(jī)電量等16個(gè)參數(shù)的變量，通過(guò)對(duì)ADO對(duì)象進(jìn)行操作將初始和終了的能耗數(shù)據(jù)傳遞至變量，其功能代碼如下：

f1；參數(shù)*起始量:=ADOQuery2.FieldByName(′組態(tài)變量參數(shù)名′).AsFloat；

f2；參數(shù)*截止量:=ADOQuery2.FieldByName(′組態(tài)變量參數(shù)名′).AsFloat；

綜合能耗計(jì)算。能耗計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法是利用16個(gè)變量構(gòu)造表達(dá)式,將文獻(xiàn)[4]給出的能耗計(jì)算公式編寫成如下代碼段：

ecl:=(b-a)*StrToFloat(Edit1.Text)/29306* StrToFloat(Edit2.Text);//熟料綜合煤耗

ehe:=0.1229*(Qhe-Q0)/Pcl;//統(tǒng)計(jì)期內(nèi)余熱發(fā)電折算的單位熟料標(biāo)準(zhǔn)煤量

AB:=StrToFloat(Edit9.Text);AC:=52.5/AB;AD:=Sqrt(AC);AE:=Sqrt(AD);//強(qiáng)度等級(jí)修正系數(shù)

ekcl:=AE*1.1*(ecl-ehe);//可比熟料綜合煤耗

Qc:=(f-e)+(j-i)-(l-k)-(n-m)-(p-o);//統(tǒng)計(jì)期內(nèi)耗電量

Qcl:=Qc/Pcl;//熟料綜合電耗

Qkcl:=AE*1.1*Qcl;//可比熟料綜合電耗

Ecl1:=ekcl+0.1229*Qkcl;//可比熟料綜合能耗(kgce/t)

計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出代碼如下：

Edit3.Text:=FloatToStr(round(ekcl*100)/100);

Edit4.Text:=FloatToStr(round(Qkcl*100)/100);

Edit5.Text:=FloatToStr(round(Ecl1*100)/100);

綜合能耗評(píng)估。按文獻(xiàn)[4]分別對(duì)煤耗、電耗、綜合能耗計(jì)算值和標(biāo)桿值進(jìn)行對(duì)比并給出評(píng)價(jià)，代碼為(代碼中*表示屬一個(gè)類的對(duì)象的標(biāo)識(shí)碼分別取1,2,3,4,5,6整數(shù))：

if (能耗計(jì)算結(jié)果>標(biāo)桿值) then Edit*.Text:=′大于′;

if (能耗計(jì)算結(jié)果<標(biāo)桿值) then Edit*.Text:=′小于′;

再次，編輯ADOquery1控件代碼和報(bào)表的代碼(代碼中*表示列參數(shù)標(biāo)識(shí)碼分別取1,2,3,4,5,6,7,8整數(shù))如下：

ADOQuery1.edit;

ADOQuery1.SQL.Clear;

ADOQuery1.SQL.Add(′Select * From Table_1′);

ADOQuery1.SQL.Add(′Where datepart([minute],timestamp)=0 AND timestamp>=:D1 AND timestamp

<=:D2′);

ADOQuery1.Parameters.ParamByName(′D1′).Value:=DateToStr(DateTimePicker1.Date)+′′+TimeToStr(DateTimePicker2.Time);

ADOQuery1.Parameters.ParamByName(′D2′).Value:=DateToStr(DateTimePicker3.Date)+′′+TimeToStr(DateTimePicker4.Time);

DBGRideh1.UseMultiTitle:=true;

DBGRideh1.TitleLines:=2;

Self.DBGrideh1.Columns[0].Title.Caption:= ′報(bào)表|記錄時(shí)間′;

Self.DBGrideh1.Columns[*].Title.Caption:= ′報(bào)表|參數(shù)*′;

Self.DBGrideh1.Columns[0].DisplayFormat:=′yy-mm-dd hh:mm′;

Button3.Enabled:=True;

最后，將程序編譯、鏈接，生成Active X控件。

3 運(yùn)行效果

系統(tǒng)運(yùn)行后的結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，筆者所設(shè)計(jì)的綜合能耗系統(tǒng)可以直觀、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)能耗計(jì)算、查詢及報(bào)表生產(chǎn)等功能。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

水泥回轉(zhuǎn)窯綜合能耗智能監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)縫接入DCS系統(tǒng)，基于Cimplicity HMI的圖形、變量、通信端口組態(tài)和OLE嵌入功能，在Delphi IDE環(huán)境中開發(fā)Active X控件，實(shí)現(xiàn)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、報(bào)表與綜合能耗計(jì)算，并嵌入Cimplicity HMI。系統(tǒng)在水泥廠成功投運(yùn)，滿足企業(yè)能源管理對(duì)熟料綜合能耗的管理需求，提升了水泥生產(chǎn)熟料綜合能耗的管理水平，為節(jié)能改造和決策評(píng)價(jià)提供信息平臺(tái)，對(duì)類似應(yīng)用具有一定的參考借鑒價(jià)值。

[1] 劉清茂,萬(wàn)春紅，楊彩玲，等．基于ZigBee的水泥生產(chǎn)過(guò)程電量無(wú)線采集[J].電氣技術(shù)，2015,(3):85～86,92.

[2] 劉清茂,萬(wàn)春紅,楊彩玲，等.基于Cimplicity的水泥生產(chǎn)脫硝數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,42(5):571～584.

[3] 左明揚(yáng).水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2013.

[4] GB 16780-2012,水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

(Continued from Page 1069)

The MFT (Main Fuel Trip) in FSSS (Furnace Safety Supervision System) was investigated; and basing on IEC61508 Code and functional safety standards concerned, the MFT at the furnace air volume less than 25% was analyzed, including its subsystem’s signal process.Having the data in EXIDA database considered, making use of fault tree analysis(FTA) method to calculate SIL of this safety function was implemented and improvement plan for the SIL decreased by the actuator’s higher failure rate was presented.

FSSS, MFT, FTA modeling, IEC61508 Code, SIL

TH865

B

1000-3932(2016)10-1107-04

2016-08-24(修改稿)

云南省科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)(2012CF002)