水泥廠中控室的建設與分析

□□ 付貴珍，王慧芳

(山西西山華通水泥有限公司，山西 古交 030000)

引言

水泥廠的中控室擔負著全廠生產調度、統(tǒng)一管理的職責。對全廠的產品質量、節(jié)能降耗、設備安全、產量提升等方面起著舉足輕重的作用。全廠自動化系統(tǒng)應從生產管理和平臺建立兩方面考慮，由于生產管理水平為企業(yè)生產的軟實力，在此不做介紹，主要分析自動化平臺的建設。

1 中央控制室DCS系統(tǒng)的選擇

新型干法水泥生產線已由以往單一的“兩磨一燒”全人工高耗能的資源型消耗型企業(yè)轉變?yōu)榧鐣⒐妗h(huán)保于一體的企業(yè)。其中，包括先進的立式磨、輥壓機等節(jié)能型粉磨設備，低耗能的第四代或第五代低阻預熱分解爐，大型回轉窯(直徑4.8 m以上)，由液壓推動無漏料篦床和慢速輥式破碎機構成的第四代篦式冷卻機，純余熱回收配套發(fā)電裝置，無污染焚燒生活垃圾和特種垃圾處置，非催化脫硝(SNCR)裝置，收塵效率高達99.99%的新一代袋式除塵器(排放濃度為15 mg/m3，甚至可達到8 mg/m3)等。一條5 000 t/d的熟料全線生產控制點在5 000～8 000個，電動機上千臺，每天近20 000 t的貨物吞吐，車輛在1 000臺次左右，幾乎1 min就過1輛車，24 h不間斷地通過。

新型干法水泥生產線具備高度智能、集成化的自動化系統(tǒng)，水泥廠工藝流程和控制界面圖(不含余熱發(fā)電及其他相關配套部分)如圖1所示。DCS系統(tǒng)在基礎控制之外，相關功能模塊的設置決定了全廠自動化程度的高低。以下對相關模塊進行介紹。

圖1 水泥廠工藝流程和控制界面圖

1.1 工廠SCADA(監(jiān)控)功能

該功能為最基本的DCS系統(tǒng)功能。包括各種通信協(xié)議實現各種數據(如電流、電量、電壓、溫度、振動、速度、流量、壓力、工作狀態(tài)等)采集，對各種實時數據進行存儲、分類、綜合分析和顯示；歷史數據的存儲、查詢、分類顯示和報表生成與打印；報警信息的記錄、顯示、確認、處理；遠程瀏覽等。

1.2 專家優(yōu)化系統(tǒng)功能

采用回歸分析、BP人工神經網絡、最小二乘向量機等算法實現了“一燒”的人工操作向計算機控制的轉化。運用模糊控制、ART人工神經網絡、預測控制等算法實現了“兩磨”的智能控制和過程優(yōu)化。通過水泥生產三個關鍵點的智能操作使綜合能耗最小，實現了水泥生產全流程的優(yōu)化調度，有效降低了單位產品能耗，為擺脫高耗能提供了技術基礎。如圖2所示。

圖2 優(yōu)化系統(tǒng)功能示意

1.3 能源管理中心(MES)

能源監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示，具體管理如下：

圖3 企業(yè)能源監(jiān)控系統(tǒng)

(1)實現煤、電、水、油能耗數據采集與管理：分班考核、趨勢顯示和歷史數據查詢、統(tǒng)計及對比分析。

(2)能源消耗報表管理：根據水、電、煤、油、物料等主要能耗數據，按企業(yè)要求自動定時生成各類生產、財務報表。

(3)能效分析與管理：與DCS系統(tǒng)數據互聯(lián)，自動計算各類能效數據(電耗、煤耗、水耗等)，進行對標管理。對數據進行二次分析統(tǒng)計，并根據需要繪制各種趨勢曲線，進而做出科學的分析和預測，提供預警。

(4)實現能耗數據網絡發(fā)布：公司內部網絡任何一點可查詢能耗統(tǒng)計報表及實時數據，集團管理人員可對生產現場的數據和能耗狀況進行多方位、可視化的了解。

1.4 全廠計量調度系統(tǒng)

為了實現全廠物料的無人值守計量，自動定值充裝、全程監(jiān)控，進出廠物料管理，為能源管理中心提供物料平衡基礎數據支持。將全廠的煤、粉煤灰、脫硫石膏、礦粉、砂巖等進廠物料和散裝熟料、散裝水泥、袋裝水泥的出廠物料進行統(tǒng)計和發(fā)運。完成供應部門的進廠物料計量統(tǒng)計和銷售部門的出廠銷售計量統(tǒng)計。全廠生產調度物料平衡計算，為全廠的庫存和銷售做出科學的決策提供依據。同時減少了人工操作的許多漏洞和弊端，降低了企業(yè)的無形消耗。

1.5 全廠監(jiān)控系統(tǒng)

完成全廠生產線各工藝點的監(jiān)控和全廠各安全消防點的監(jiān)控。由兩套系統(tǒng)按功能分別設置。分布在生產工藝線上的全天候監(jiān)控探頭，對生產線上環(huán)境惡劣或特高特低人不能久呆但必須連續(xù)監(jiān)視的點進行觀察，集中于中央控制室內，中控人員能夠第一時間發(fā)現異常并做出相應的正確操作，保證生產線的順暢運行。分布在各樓層、廠周圍、道路附近的全天候探頭則完成全廠的安全、交通、消防的監(jiān)控任務。為全廠車輛調度和物料計量以及人員設備的安全提供保證。

1.6 設備管理和智能維修功能

(1)通過智能化現場信號處理模塊的自診斷功能，實時對DCS系統(tǒng)的部件自動診斷，在部件發(fā)生異常時報警自動切換冗余部件。

(2)通過現場總線對現場儀表運行狀態(tài)自診斷實時進行調校，確保運行穩(wěn)定和精準。

(3)對大型設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測以反應設備狀態(tài)。

(4)建立設備信息庫和備品備件庫。對設備運行質量進行記錄分析，為生產提供預測維修信息，支持預測維修計劃，實行點檢定修提高設備無故障運轉率。

1.7 質量管理系統(tǒng)(QCS)

物料質量管理系統(tǒng)如圖4所示，具體管理如下：

圖4 質量管理系統(tǒng)示意

(1)將軟件或熒光儀系統(tǒng)改為在線元素分析儀與相關配料系統(tǒng)組成。過去1 h檢測一次，人工調整配料，生產嚴重滯后，合格率只有65%以下，現在1 min自動檢測一次，并依據先進算法做出配料調整保證生料合格率在98%以上，甚至可以替代生料均化庫。

(2)在礦山與立體開采技術相配套使用進行預均化，可能替代價格昂貴的預均化堆場。

(3)使用多元素分析儀對成品進行二次檢定，保證檢驗結果的精確性，提高了控制過程的準確程度。

1.8 全廠網絡系統(tǒng)

網絡系統(tǒng)是支撐信息化的神經。為全廠信息實時準確地傳輸和發(fā)送提供高速通道。從數據的收集、存儲、整理到各環(huán)節(jié)各部門的配合，以及管理層決策的發(fā)布可及時應用到生產中，大大提高了生產效率。

1.9 其他功能

在開放的系統(tǒng)平臺上，依賴標準的數據接口對第三方ERP、SCM、CRM等軟件完美結合，實現了上層管理的功能。

各廠家在綜合考慮后，依據企業(yè)的資源、人力、工藝控制、設備選型情況以及對生產中的自動化程度與投資等方面的考慮做出了不同的選擇和側重。

2 硬件的配置

新型干法水泥生產線中央控制室的主要硬件為采用DCS系統(tǒng)的各種計算機、網絡設備、現場工作站。現場工作站的配置根據所在區(qū)域控制設備數量點數和回路數廠家使用相應的DCS控制模塊。當前光纖傳輸應用相當廣泛，具有其他傳輸方式不可比擬的抗電磁干擾和帶寬優(yōu)勢，迅速取代了粗、細同軸電纜和雙絞線。帶寬從2 M達到100 M、1 000 M。采用通用計算機和Windows系統(tǒng)來代替以往的專用軟硬件，在計算機硬件配置上的要求也應引起注意。

Windows7官方最低配置要求為：硬盤為16 GB(32位系統(tǒng))或者20 GB(64位系統(tǒng))、內存為1 GB(32位)/2 GB內存(64位)、處理器為1 GHz或更快速的32位(x86)或64位(x64)處理器、顯卡為支持Windows Display DriverMode l1.0或更高版本的DirectX9顯卡。但根據微軟一貫的要求是不行的，因為64位最早應用于服務器或復雜計算環(huán)境，這些計算機硬件的配置非常高，所以搭載64位系統(tǒng)與應用軟件才能充分發(fā)揮作用。若要流暢運行64位系統(tǒng)，處理器必須為I5以上，內存建議6 G以上，最好是4 G+4 G或8 G+8 G組雙通道，硬盤必須為7 200轉級別的普通硬盤或固態(tài)硬盤。

參照ABB公司Freelace800F給出的推薦PC配置為：CPU>2 GHz、RAM>1 GB、硬盤空間10 GB以上、顯卡(有雙屏顯示要求時)AGPMatroxG550級別以上。新推出的Freelance2013應該在這個級別以上，考慮以后的發(fā)展應有保留余地。同時考慮突發(fā)故障使得系統(tǒng)處理能力理論為不超過系統(tǒng)能力的60%，但>20%時系統(tǒng)運行變慢。早些年，一些DCS系統(tǒng)因計算機配置低出現系統(tǒng)卡停而現場站正常的故障。在整個生產系統(tǒng)正常時問題不大，如果生產某個環(huán)節(jié)發(fā)生故障時將使損失擴大，通常在發(fā)生故障時也是系統(tǒng)負荷最高時，所以不得不慎重考慮。

從使用安全上講，現在通常做法是使用立式工控機放在操作臺內。但不利因素有三點：

(1)中控室的環(huán)境未達到機房的要求等級，灰塵、振動、靜電、電磁干擾等都可能導致故障發(fā)生。

(2)人為因素。因員工素質和管理水平的不同可能出現軟件使用和外界硬件設備加入，大大地影響整個系統(tǒng)的安全運行。

(3)維護管理不方便，資料保存，軟件修改，全廠各種網絡自動化設備統(tǒng)一運行調度都是極大的影響。在考查ABB中國、Simene中國、和利時以及多家水泥企業(yè)后，與做工作站和工控機著名企業(yè)技術部門咨詢后，確立解決問題的方案。采用零客戶機(瘦客戶機)與工作站的方式，硬件式壓縮技術通過網絡傳輸數據，通過零客戶機和主機卡進行一對一訪問，可提供最高級別的性能，具體見表1。

表1 工控站方案使用對比

具體功能為：

(1)將主機封閉在數據中心內，所有的軟件和其他硬件均不會接觸到主機。

(2)各種功能的主機和服務器在數據中心內機架式安裝，便于維護管理且能滿足計算機對環(huán)境的各種要求。

(3)操作站設置小盒子，運行安靜，對環(huán)境沒有任何特殊要求并且距離數據中心也不存在距離限制。

(4)虛擬化工作站環(huán)境中，一臺機子最多可同時顯示六個畫面，提高工作效率。

3 工作環(huán)境的要求

我國關于水泥生產線中央控制室的工作環(huán)境沒有明確的標準，也說明國內工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標準及政策法規(guī)也不完善。可供借鑒的相關標準有DL/T 575—1999《控制中心人機工程設計導則》、HG/T 20556—1993《化工廠控制室建筑設計規(guī)定》、SH/T 3103—2019《石油化工中心化驗室設計規(guī)范》以及其他數據中心和機房的相關規(guī)定。

3.1 控制室的布局

操作員正前方應與窗戶垂直，盡量避免正對窗戶。若不能避免應采用相應措施防止眩光。操作室進深不宜<6 m，監(jiān)視屏或模擬屏應控制在操作員的視角15°，最大不宜>60°。按每位操作員>9 m2的凈空間設置總操作室面積。

3.2 室內環(huán)境條件

操作臺光照度應為250～300 Lux，以漫射光帶為主，禁止形成直射或眩光，溫度為(22±1)℃，相對溫度為40%～50%。應考慮抗靜電措施，通常采用架空抗靜電地板，但使用幾年后架空抗靜電地板損壞嚴重，建議使用仿陶瓷抗靜電地板直鋪，達到抗靜電效果且不存在噴抗靜電液或地板革老化問題。空氣靜化要求灰塵濃度<200 μg/m3,振動要求加速度在0.2g以下，噪聲控制在55 dB以下，室內>5 W的對講機應在操作臺3 m外講話，正常操作時不允許使用步話機。室內使用集中通訊設備并設置室外天線。

3.3 建筑要求

操作室耐火等級≮2級，吊頂應采用耐火隔聲或吸聲材料距地面2.8～3 m。空調應為獨立系統(tǒng)且1 h換氣≮5次。DCS應設置保安電源(UPS不間斷電源)，室內安裝火災報警器。

4 結語

結合中央控制室DCS系統(tǒng)、硬件配置、環(huán)境要求等部分，在水泥廠建立之初應充分考慮，做到心中有數，建成的中央控制室和所選的DCS系統(tǒng)一定能達到設計預期效果。