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1、E C S 一1 0 0 集散控制系统在水泥行业中的应用 黄方虎杨鲁江张竹南( 浙江中控技术有限公司，杭州3 1 0 0 5 3 )搁晏：本文首先介绍了集散控制系统在国内水泥行业的应用情况阐述了现代水泥工业工艺特点并由此提出了D C S 水泥设计方案，其中着重介绍了国产E C S 1 0 0 集散控制系统的结构特点及在水泥生产中的应用。关键词：集散控制系统E C S 1 0 0 水泥生产 引言建材工业在国民经济中占有极其重要的地位，我国目前是水泥生产大国，水泥产量己连续1 9 年位居世界第一，最近又呈现出供需两旺的高速增长行情，为国民经济持续快速发展做出了重要贡献。现今我国已有上百条2 5 0
2、 0吨f _ j 和几十条5 0 0 0 吨F = i 水泥熟料生产线，亦有多条1 0 0 0 0 吨日以上水泥生产线正在建设或投入生产。现代水泥生产尤其是新型干法水泥生产线规模大、产量高、工艺要求严：对物料流( 原料及燃料) 与气流的协调关系，必须通过计算机控制系统及时的监视，并实时调整工艺参数的扰动；同时新型干法水泥生产线工艺设备多，单机容量大，如生料立磨、煤磨及水泥磨机等大功率生产设备，附属配套设备多，必须通过计算机控制系统及时监控设备的运行情况，并实时优化生产过程，以保证水泥生产的安全稳定并提高产量、成品质量。1 、集散控制系统介绍1 1 集散控制系统特点及在水泥行业的应用情况现代科技
3、领域中，计算机控制技术是工业自动化的重要支柱。工业自动化技术的广泛应用能够提高企业生产的技术水平、节能降耗、促进生产的柔性化和集成化。工业自动化根据生产过程的特点又可分为过程控制自动化、制造自动化以及各种自动化的测量系统。流程工业的控制一般选用集散型控制系统( D i s t r i b u t e dC o n t r o lS y s t e m ，简称D C S ) ，离散型制造业采用可编程控制器( P r o g r a m m a b l eL o g i c a lC o n t r o l l e r ，简称P L C ) 更为合适，而间隙过程工业则以D C S 和P L C 的
4、混合使用最好。采用分布式控制系统结构有以下一些优点：1 数据可以“就地处理”，不必送至远离它的计算机去处理，减少了通信的开销，缩短了处理时间，还增加了数据的可靠性和安全性。2 由多台计算机组成，系统易于采用冗余技术和各种容错技术，使它具有较4 1强的稳定性。3 可以方便地用增加控制站的办法来扩大系统的能力，因此有较大灵活性。4 可采用资源共享、并行处理或分别处理。分布式系统亦大量应用于工业控制领域，从而促进了集散控制系统的发展。2 0 世纪8 0 年代后期D C S 在我国干法水泥厂开始得到应用。E C S 1 0 0 集散控制系统是浙江中控技术有限公司独立研制，并于2 0 0 1 年推出的新
5、一代D C S ，该系统在软件和硬件的设计方面都有较大的突破和创新，具有适应当今技术发展的特性。E C S 1 0 0 系统在可靠性、灵活性、适应性、扩展性、性价比等综合技术指标方面有了很大的提高和改善，目前已在国内多条水泥熟料生产线及水泥粉磨生产线上得到成功应用。1 2S U P C O NE C S 1 0 0 系统简介层次化已成为集散控制系统的体系特点，使之体现集中操作管理、分散控制的思想。E C S 一1 0 0 集散控制系统由以下各部份组成：1 控制站( 过程控制单元)它是由一个微处理器、存储器、O 输入输出板、A D 、D A 转换器、内总线、电源和通信接口等组成，它可以控制多个回
6、路，具有较强的运算能力和各种控制算法功能，可自主地完成回路控制任务，并将过程信息经过程控制网络送到上层计算机，实现了分散控制。2 工程师站它为专业工程技术人员设计，具有应用系统设计的功能，包括系统生成、结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等，还具有系统维修机能诸如系统维护、保养、远程维护保养、维护保养履历管理。工程师站配有相应的组态软件和系统管理软件。通过组态软件生成适合于生产工艺要求的应用系统，通过系统管理软件可以维护集散控制系统和生成日常的生产管理数掘。3 操作站它是由微处理器、C R T 、键盘、打印机、鼠标等组成的人机系统，实现集中显示、集中操作和集中管理。对全系统信息进行
7、信息管理，与现场控制相分离。其中操作站的监控软件是操作人员操作、信息显示、数据管理的环境，是高性能人机接口，具有卓越的流程图机能，多窗口等画面显示功能。4 过程控制网络。它是实现分散控制和集中管理的关键，它是操作站、现场控制站、工程师站和管理计算机的联系纽带。它由通信电缆、光纤和通信软件所组成，一般采用实时性较好的通信协议( 如符合I E E E 8 0 2 4 协议) 。5 管理计算枫它是集散控制系统的主计算机，一般采用小型计算机，具有大规模的复杂的运算能力，具有多输入多输出控制功能。它综合监视全系统的各个工作站，管理全系统的所有信息，可以建立复杂的数学模型，可以高速地进行模型预测预报，为实
8、现复杂的控制策略提供了基础。此外还可以实现全系统的最优控制和全工厂的优化管理。E C S 一1 0 0 采用了先进的微处理器、图形显示技术、高速安全技术和现代控制技术，形成了以现场控制站( F C S ) 、操作站( O P S ) 、工程师站和其他计算机通信设备和接口为基础，形成了物理位置分散、系统功能分散、控制功能分散以及操作显示集中的过程控制、过程决策管理的智能网络系统。过程控制网络采用双重化的E t h e r n e t 网技术，使过程控制级能高速安全的协调工作，做到真正的分散和集中。E C S 1 0 0 的通信结构分四层，它是单独进行配置、保护的网络( 如图1所示) 。1 第一层
9、网络采用符合T C P I P 协议的以太网，连接了中央管理计算机、工作站、网络管理器等，是实现全厂综合管理的信息通道。2 第二层网络是过程控制网，称为S C n e t 。S C n e t 过程控制网连接控制站、操作站、工程师站以及其他计算机通信接口，传输各种实时控制信息和参数。图tE C S 1 0 0 体系结构4 33 第三层网络是总线结构，名称为S B U S s 2 层。它是系统的现场总线，物理上位于控制站所管辖的F O 机笼之间，通信介质为双绞线，可带载节点 1 6 个( 智能数据转发卡) ，采用主控制卡指挥式令牌的存储转发通信协议。系统可通过S B U S S 2 带载远程I
10、O 机笼。4 第四层网络名为S B U S s 1 层，位于所有系统9 0 机笼内，通信介质为经过腐蚀的印刷电路板。数据转发卡通过S B U S S 1 控制所有系统的智能I O卡件，可带载节点1 6 个( 智能I O 卡件) 。在E C S 1 0 0D C S 中，S B U S S 1 和S B U S S 2 合起来称为E C S 1 0 0 的S B U S 总线( 如图1 5 所示) ，主控制卡通过它们来管理这些分散于各个机笼内的F O 卡件。5 E C S 1 0 0 集敖控制系统控制站通过S B U S 构成了一种更分散的控制结构，在以主控制卡为核心的S B U S 上所有节点
11、使用指挥式令牌的存储转发通信协议，做到总线上的节点在通信中平等，在同一时刻，每一节点均能接受和发送信息，并依次传递，直到信息回到源节点。E C S 1 0 0 这种分散的结构提高了系统的分散性和可靠性，合理通信配置提高了网络的利用率和可扩展性。6 E C S 一1 0 0 采用全智能化和模件化技术。系统的每一块卡件均带有专用的微处理器，负责该卡件的控制、检测、运算、处理及故障诊断等工作，提高了每块卡件的自治性，使系统的可靠性和安全性成倍上升。另外，系统的A I 卡件采用了智能调理和先进信号前端处理技术，由卡件上的微处理器控制，将信号调理和A D 转换合二为一，使一块A I 卡具有智能信号调理和
12、智能信号数字处理的能力，提高了F O 卡件的可靠性、独立性，同时也有助于功能扩展。基于全智能化技术的F O 卡件有万能输入卡、电流信号输入卡、电压信号输入卡、热电阻信号输入卡、模拟信号输出卡、数字信号处理卡、位置调节输出卡( P A T 卡) 、H A R T 接口卡等等。7 E C S 1 0 0 集散控制系统的任何卡件( 如主控制卡、D 卡、D A 卡等)均可任意冗余，同一系统内的信号都可按冗余或不冗余配置。E C S 一1 0 0 的全智能化处理技术是系统实现任意冗余技术的基础。8 通过通讯网关，E C S 一1 0 0D C S 可与其他现场智能设备互联，可选用R S 一2 3 2 、
13、R S 4 8 5 、H A R T 等多种通讯介质，可使用M o d b u s ( 美国M O D I C O N公司的被广泛接受的P L C 通讯协议) 、C D T ( 电力远动循环传送规约，国家电力部部颁规约，广泛用于电力系统) 等多种协议。9 以P e n t i u m4 作为操作主机，并配以W i n d o w s2 0 0 0 操作系统，是一个硬件、软件集于体化的计算机设备，并配以键盘、鼠标或轨迹球、大屏幕C R T 等人机对话设备。E C S 1 0 0 集散控制系统软件包括系统组态、流程图制作、监控、信息管理和高级控制算法等软件包：还有管理模块、历史模块和计算模块；提供
14、一个类似于C 语言的实时控制编程语言一s c x 语言，可按用 户的要求实现复杂的控制算法；在系统的参数整定、优化控制算法选择等方面，把近期理论研究的P I D 参数的自动整定、模糊控制算法等都应用于工业控制现场，为系统提供更高性能的控制算法软件包。2 现代水泥工业工艺特点及D C S 设计方寨一个大中型新型干法水泥厂的工艺线通常以一窑三磨为主体组成不同的工艺区域，各区域有相应的原料、中间物料储存库及输送设备。据统计一条2 5 0 0 吨目水泥熟料生产线所用电机有5 0 0 台左右，证反转电机1 0 台左右，其中电动直行机构4 5 台左右，还有其他用电设备约2 0 0 台。为此所要监控的D I
15、 ，D O 点有2 5 0 0 个左右。根据各设备控制要求不同，其相应的控制点数亦不同，如均化库底均化控制有时会配置控制柜控制充气，有时则不会，这部分控制就由控制系统来实现，因此就会增加相应玎关量的点数。由于水泥工业所用大容量电机及变频控制很多，这些大干扰设备的控制器和D C S 系统柜一般都安装在同一电气室中，这就要求系统有很强的抗干扰能力。一般交流仪表电源线路，开关量信号电缆及电气的电力电缆铺设在同一电缆沟中，防止在走线时受到干扰开关量信号都采用2 2 0 V A C 寻检电压。新型千法水泥的工艺过程实际上是物料流、燃料流和气流综合的控制过程，在气流中又包括冷风、热风、一次风、二次风及三次
16、风，物料流包括原料流、原煤流、煤粉流、半成品流及成品流等，为此一条完整的水泥熟料生产线整个工艺过程中所要监控的温度、压力、气体成分及浓度，还有重力仓仓重、储存库料位、物料流量及阀门开度等模拟量输入点有6 0 0 点左右。模拟量信号导线选用屏蔽控制电缆( 主要考虑到现场干扰问题) 。2 12 5 0 0 吨日水泥熟料生产线E C S 1 0 0 系统配置一条完整的水泥生产线通常包括：原料预处理，生料制各，煤粉制备，烧成窑尾，烧成窑头，水泥粉磨及水泥包装等工段。在系统配置时，按工段及生产车间不同通常划分为原料预处理控制站，生料制备控制站，煤粉制备控制站，烧成窑尾控制站，烧成窑头控制站，水泥粉磨控制站及水泥包装控制站。E C S 一1 0 0 系统实现了对主控卡、数据转发卡、控制网络的冗余设计，为系统具备高度的可靠性的提供技术上的有力保证，有效保障了水泥生产的连续进行。若各控制站闻距离小于1 0 0 米，通讯介质采用双绞线通讯；水泥生产与其他流程工业不太一样的地方，
