0 引言
　　*，生產過程自動化在現代水泥行業的發展中占據了舉足輕重的地位。它不僅有效地保證了生產的和穩定，大大提高了水泥產品質量，降低了能耗和生產成本，同時提高了全員勞動生產率。然而，除一些大型水泥廠投資額充足外，大多數中小型水泥廠在建廠初期或改造時資金都很緊缺。如何解決有限的資金與*的自動化水平之間的矛盾一直是自動化工作者努力的方向。
    隨著計算機技術的迅猛發展，處理器計算能力的日益強大，網絡技術的日臻成熟，計算機產品價格的不斷降低，全面降低自動化控制系統的投資額已成為可能。80年代初采用PLC進行電動機控制，大型模擬儀表盤實現工藝參數巡檢的控制方式已逐漸趨于淘汰。傳統的DCS系統含有豐富的軟硬件資源，但對于水泥控制系統的特點而言，許多功能用不上，造成了資源浪費，更是資金的浪費。水泥生產過程為連續過程，需要大量的順序和聯鎖控制，開關量點數占總數的80％，這非常符合價格低廉的PLC的控制特點。目前，PLC技術有了很大的發展，不僅加強了對連續量的控制功能，還提供了基本的PID運算及各種應用計算功能模塊。在操作員接口方面不斷推陳出新，開發出功能強大的通用組態軟件，使整個系統在計算能力、響應速度、靈活性與可維護性方面已經達到或超過傳統的DCS系統，成為具有較高性能價格比，極富競爭力的PLC和IPC集成控制系統,它已成為中小型水泥廠的控制系統。如Siemens公司的PCS7、S7系列、GE公司的90－30系列、AB公司的SLC系列、Modicon公司Quantum系列等。
    現以江西珠山水泥廠為例，介紹低成本的PLC型集散控制系統在水泥工業中的設計及其應用。
1 系統概況及硬件、軟件設計
1.1 系統概況
    江西珠山水泥廠700t/d水泥熟料生產線是由中國建筑材料科學研究院設計并調試投產的1條五級預熱器窯外分解工藝干法生產線，于1999年底投入運行，2000年初達標生產，至今整個控制系統運行良好。全廠計算機控制系統采用Modicon Quantum系列可編程序控制器、Modbusplus通訊網絡，用研華工控機作為操作員站和工程師站在中控室進行集中操作與監控。
    在全廠主要車間的電氣控制室內共設有4個PLC現場控制站，分別是生料制備現場站、窯尾喂料及預熱器現場站、窯頭煤磨現場站和水泥粉磨現場站。現場控制站作為控制的核心，完成數據的采集與控制指令的發送。
    中控室位于中控樓二層，與窯頭平臺通過走廊相連。內設3個操作員站，其一兼作工程師站。因水泥磨車間的位置離中控室較遠，為方便操作時與現場的,在水泥磨控制室單獨設操作員站對水泥粉磨系統進行控制。
    這樣，通過上位機與下位機的有機結合，完成對全廠工藝生產線的集中操作和分散控制。系統有如下功能：
    數字量與模擬量的采集與處理;
    電動機及電氣設備的順序聯鎖起停控制;
    工藝流程畫面及動態參數、設備狀態顯示;
    動態參數給定調節及閥門控制;
    回路調節與自動控制;
    實時、歷史趨勢曲線圖;
    報警顯示及記錄;
    屏幕實時畫面打印;
    工廠報告與打印。
1.2 硬件設計
    現場控制站是由高性能的集成計算機處理器模塊和I/O控制單元組成。這種模塊化積木式的組成方法為各種控制思想提供了靈活多變的解決方案。設計者可以根據不同的需要，設計不同的網絡拓撲結構。我們在珠山水泥廠采用的PLC型集散控制系統，各現場站為分布式I/O（DIO）的系統結構。即每個現場站由一個主機架和若干擴展機架組成，各機架模塊通過連接在通訊模塊上的分支電纜連接在一起，實現同主架上的CPU之間的數據通訊。全廠的通訊網絡采用結構為令牌環的高速總線，通訊速率達1Mbps。
    現場控制站的主要硬件有：
    1）*處理器（140CPU43412），它主要負責控制程序的掃描執行與計算，控制指令的產生，同時還提供了內部寄存器，便于上位機的數據獲取，可謂是控制的樞紐。
    2）通訊模塊（140NOM21100），它的功能是將本站中的數據編集成符合Modbusplus協議格式的集合并產生和接收令牌，使網絡上所有結點都能識別出彼此的數據，實現數據的高度共享。
    3）電源模塊（140CPS11410），它為機架上的模塊提供總線電流和工作電壓。
    4）I/O模塊，完成現場信號的采集，包括數字量輸入/輸出、模擬量的輸入/輸出，并實現控制指令的輸出，通過外部繼電器等zui終實現設備的控制。
    5）安裝機架，其上提供模塊的總線插槽及接地端子。
　　通訊網絡采用開放的Modbusplus（MB＋）網，主網上可連接多達64個節點。每個節點又可以向下擴展，形成擴展網絡。其連接方式非常靈活：可以用CPU上的MB＋口連接擴展DIO機架上的CRA通訊模塊形成擴展網絡，用NOM模塊連接MB＋主干網；也可以將兩者互換，用CPU連接MB＋主干網，NOM連接DIO。網絡連接采用價格低廉的雙絞線電纜，T型TAP連接頭。
    操作員站選用具有當時主流機型配置的工業控制計算機，其特點是速度快，存儲量大，性能穩定可靠，便于操作，易于掌握、維護等。珠山廠的操作員站配置為In PII400處理器、64M內存、4.3G硬盤、40速光驅、PHILIPS 21寸高分辨率彩顯、工業用球標器、鍵盤、SA85網卡。三臺操作員站一字排開擺放在中控室內,監控方便。
    工程師站提供了開發控制系統的各種應用軟件及與系統有關的資料和文檔，便于在線監控和修改控制程序，同時也兼作操作員站，與其它計算機互為備用。
    現場站CPU和各操作員站均采用UPS供電，以避免車間用電的干擾，防止意外斷電對計算機造成損害和控制程序的丟失。另外，計算機系統良好、正確的接地是非常重要的。
1.3 軟件設計
    珠山水泥廠的控制系統編程軟件由上位機軟件MonitorPro和下位機軟件Concept組成，分別完成操作員界面的組態和控制程序的編制。在過去，控制軟件的編制相當復雜，開發人員必須具備一定的編程知識才能勝任，要以一兩個人之力難以完成整條生產線從界面到控制的設計。隨著計算機技術的發展，各系統供應商紛紛推出基于自己硬件系統的通用組態軟件。與此同時，操作系統更是不斷更新換代，從DOS、WINDOWS3.X到WINDOWSNT，使應用控制軟件的編制變得更容易，更直觀，更富于活力。開發人員不必具有很深的計算機編程基礎也能做出好的控制軟件。模塊化語言和所見即所得的全新Windows操作方法成為眾多控制軟件追求的風格和標準。
    以MonitorPro為例，它具有豐富的圖形庫供編程人員調用，還提供了各種不同風格的按鈕、控制圖形。開發人員可以直接使用這些資源或通過各種技巧創作出富有特色的界面。在數據庫方面，MonitorPro采用填表式的結構，將要記錄的參數按標簽名、地址及索引資料填寫在相應的表格中，系統在運行時自動生成相關的數據庫資源，方便地與各現場站進行數據通訊。組態的過程包括網絡類型的定義、變量表的建立、報警數據庫的建立、趨勢數據庫的建立、報告格式的制作、工藝流程畫面的繪制、操作界面的制作等。這些內容可以做得相當靈活，為了實現一種控制方案可以有很多種不同的編制方法，甚至可以用第三方語言進行再開發，達到優化控制的目的。
    操作員界面是進行人機對話的窗口，畫面用不同顏色和形態表示設備的不同狀態。在實際設計時，我們為操作員設計了很多動態畫面，如煙囪冒煙、磨機內物料翻滾、提升機料斗上升、回轉窯的轉動及增濕塔噴水等，這樣既能使操作人員直觀地掌握當前設備的運行狀態，又給操作者的工作帶來一種情趣。
    珠山水泥廠的控制畫面（包括各車間的工藝流程）中可動態顯示各種熱工參數、各電動機的圖形符號（不同狀態的電動機顯示不同顏色）、設備組起停窗口、閥門操作畫面、歷史趨勢圖、報警一覽表、原料配料給定畫面、窯尾吹堵畫面、窯頭及窯尾喂煤控制畫面、自動回路調節畫面等，界面全部漢化，易于理解和掌握。畫面切換速度快，操作靈活，全部操作均可用鼠標輕松完成，并在鍵盤上設有快捷鍵。
　　下位機編程軟件Concept是一款獲獎的軟件，它支持多種語言編程，包括梯形圖、語句表、功能塊、順序圖等。編程者可根據自己的習慣選用。其過程也要通過編制符號表、定義變量地址、編制功能塊、程序下裝來實現。Concept的一個zui大的優點在于它可以很方便地在線監控程序的運行，并且在不中斷生產的情況下修改程序，zui大限度地保證了生產的正常運行。Concept提供了大量的標準控制功能塊，編程人員可從在線幫助手冊了解功能塊的應用范圍，還可利用這些塊制作出新的功能塊，并且相互間可以調用。在線監控時，要先選擇相應的現場站的節點地址，然后進行連接。在線監控與現場站的關系是一一對應的。
    工藝過程的自動控制主要介紹生料配料和窯的煅燒控制。該廠生料配料自動控制采用軟件。由于水泥熟料煅燒是在高溫、多塵、振動以及物理化學變化復雜的情況下進行的，主要被控對象（回轉窯）具有大容量、長滯后、多變量、難檢測和多擾動等特點，因此窯系統的控制難度大。我們采用局部調節回路來穩定窯系統的主要參數，如分解爐喂煤量自動控制回路，以工藝要求和看火工的經驗為基礎，設計開發出一種簡單的模糊控制。利用Concept內部強大的功能塊，根據預熱器和分解爐的主要熱工參數來控制分解爐的喂煤量，從而有效控制分解爐溫度，穩定入窯生料的分解率，防止結皮現象，大大有利于窯內熱工制度的穩定。筆者認為在今后的設計中，如果類似這種方式的控制能多一些，則整個工藝系統的性能將有很大提高。
2 效果及體會
    PLC型集散控制系統作為低成本自動化控制系統在性能上*水泥廠的控制要求，價格上也是可為大多數水泥廠所接受的。珠山廠采用該自動化控制系統,其投運率高于95％，為整條工藝生產線的調試及順利投產提供了有力保障。該廠1999年底點火投運，2000年2月通過了72h生產考核。目前熟料產量已從設計的700t/d提高到789t/d，甚至達到800t/d以上，燒成熱耗降低到3300kJ/kg，實物煤耗降低到135kg/t，已達到較*的水平。我院在湖南新生水泥廠、四川華鎣水泥廠、津巴布韋水泥廠等的設計中相繼采用了這種類型的控制系統。
    據統計，對一個700t/d熟料的水泥廠而言，如選用傳統DCS系統，控制系統總投資大約在250萬元左右，而采用PLC型DCS系統的投資額不到150萬元，甚至更低。事實上，水泥廠的自動化投入比起設備來說可謂是九牛一毛，所占比例還不到總投資的5％。然而，合理選擇性價比高的控制系統往往達到事半功倍的效果。一方面zui大限度地利用了資金，另一方面，由于控制系統的高度可靠，對于工藝系統的達產達標起到了巨大的保證作用。此外，由于這種控制系統操作簡便，易于維護，備品、備件少，又給以后的生產帶來莫大的方便。不但大大降低了工廠對備件的資金投入，而且減少了崗位工和操作工的人員定制，提高了全員勞動生產率，降低了生產成本。
    值得注意的是，許多水泥廠雖然選用了計算機控制系統，但為了節省資金，卻購置了性能較差的現場儀表和測量元件。由于這些儀表在精度和可靠性上遠遠低于PLC系統，偏差過大，故障率高,導致整個系統控制性能的降低，這真是得不償失。所以對于關鍵測量儀表如溫度、壓力變送器、料位計、流量儀表等一定要選用性能可靠的產品，不要一味追求價格。再有，在訂購設備的同時一定要和自動化專業人員及時溝通，因為設備要接入控制系統必需具備與系統通訊的接口。若等到設備出廠、安裝到位再去修改，則為時太晚，很多情況下是無法做到的。這等于降低了控制水平，縮小了控制范圍。
    總之，PLC型集散控制系統作為一種*的、低成本的控制系統，值得在水泥工業，特別是中小型水泥廠的改造中大力推廣。