（电工理论与新技术专业论文）基于pcs7水泥生产线dcs控制系统设计与研究.pdf

武汉理j ：大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ef l o u r i s ho fb u i l d i n gm a t e r i a l si n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n t o fc e m e n ti se x p a n d i n ge a c hy e a r t h el e v e lo fa u t o m a t i o na tc e m e n tp r o d u c t i o n l i n e sd i r e c t l yd e t e r m i n e st h el e v e lo ft h ep r o d u c t i o ns a f e t ya n de f f i c i e n c y s ot h e a u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mw h i c hh a sm a d ec e n t r a l i z e dc o n t r o l ，m a n a g e m e n t ， d e c i s i o n - m a k i n ga so n ei sp l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e i nt h ec e m e n t p r o d u c t i o na r e a s n o wt h en e wg e n e r a t i o no fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n c o v e r i n gt h ec o m p a n y se n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s s ，f r o mt h et o po ft h eo p e r a t i n g m a n a g e m e n t ，t ot h em i d d l eo ft h eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t ，t op r o d u c t i o nc o n t r o la t t h eb o t t o mo ft h el a y e ra n dt h es c e n eo ft h ei n s t r u m e n t ，t h i ss y s t e mh a sp r o v i d e d e n t e r p r i s e sw i t ha ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o r m s i e m e n ss i m a t i cp c s 7h a s u s e dt h es t a n d a r dh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ep a r tw h i c ht h et i as e r i e ss e l e c t s i t s u n i f i e dd a t am a n a g e m e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o nf u n c t i o n ， p r o v i d e so p e np l a t f o r mf o ra d v a n c e da n de c o n o m i c a la u t o m a t i o ns o l u t i o ni nt h e p r o c e s si n d u s t r y ，t h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya sw e l la st h es y n t h e s i si n d u s t r y t h i sa r t i c l er e l i e so nb u s i n e s sc o o p e r a t i o np r o j e c t s ，t a k e sa l b a n i ai na3 3 0 0 t p d c e m e n tp r o d u c t i o nl i n ea st h er e s e a r c ha n dd e s i g no b j e c t s ，a n a l y z e sn e wd r y i n g c e m e n t sp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ep r o c e s s ，c o m p a r e sw i t ht h ed o m e s t i ca n d f o r e i 印c e m e n tp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e mp r e s e n ts i t u a t i o n ，s t u d i e sa n dd e s i g n e s c e m e n tp r o d u c t i o nl i n ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i e m e n ss i m a t i cp c s 7 s y s t e m a p p l i e so fs i e m e n ss i m a t i cp c s 77 0 + c e m a t 7 0s o f t w a r et or e a l i z e t h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n to ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，a n da n a l y z e st h ep r o b l e m s o ft h es o f t w a r ed e s i g na n dd i f f i c u l t i e s t h es y s t e mi sd i v i d e di n t of o u rl a y e r s a c c o r d i n gt oc o n t r o lf u n c t i o n s ：c o m p a n ym a n a g e m e n t ，o p e r a t i o n sm a n a g e m e n t ， a u t o m a t i cc o n t r o lo ft h es t a t i o n ，t h es c e n eo ft h ei n s t r u m e n t c o n s t r u c t i n gt h e t h r e e l a y e rc o n t r o ln e t w o r kw h i c hi n c l u d i n gt h en e t w o r ko fs e n i o rm a n a g e m e n t ( o r d i n a r ye t h e r n e t ) ，t h en e t w o r ko fc o n t r o ls y s t e m ( i n d u s t r i a le t h e m e t ) a n dt h e f i e l d b u sn e t w o r k ( p r o f i b u s d p ) t h ep a p e re r n p h a s i z e st h ed e s i g no ft h es y s t e m 武汉理丁大学硕十学位论文 c o n t r o ln e t w o r k ，e s p e c i a l l yi nt h er e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o l s t a t i o nd e s i g n t h es y s t e mi n c l u d eat o t a lo f7 0 0 0i op o i n t s ，814a n a l o gp o i n t s ，t h e p a p e rd e t a i l e dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g n f i n a l l y , t or a wm i l ls y s t e mc a s es t u d y , t h r o u g ht h ed e t a i l e dd e s i g no fs u b s y s t e m c o n t r o ls o f t w a r e ，d e t a i l e dt h es u b s y s t e md e s i g na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ee n t i r es y s t e md e s i g na n dc o m m i s s i o n i n gc o m p l e t e si na u g u s t ，2 0 0 9 ，a n d t h es y s t e mr u n ss t a b l y , a c h i e v e st h ed e s i g ng o a l t h i ss y s t e mi sat y p i c a lc o n t i n u o u s p r o c e s sc o n t r o ls y s t e mc a s e h a st h eg o o dp r o m o t e da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：c e m e n tp l a n t ，d c s ，p l c ，f i e l d b u s ，i n d u s t r i a le t h e r n e t ，p c s 7 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了感谢。 关于论文使用授权的说明 加| ot 善 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ：弛日期：型坐 武汉理- 下大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 水泥是我国国民经济建设的重要基础材料，被广泛的应用于国防、核电工 程、工业建筑、交通工程、民用建筑、海港工程等工程建设领域，它的生产发 展可以说关系到国计民生。我国水泥工业总产值占建材工业总量的3 8 ，达4 0 3 3 亿元，水泥行业从业人员多达1 4 0 万余人。我国每年水泥总生产能力约为1 1 亿 吨，位居世界第一位。 从2 0 世纪6 0 年代到现在，计算机技术、自动化控制理论技术、总线技术 以及网络技术不断应用到水泥工业领域，大大地促进了水泥工业的大型化和现 代化的发展。水泥生产线的控制技术也得到了不断更新。大大地提高了水泥生 产的稳定、可靠性，提高了控制质量，增加了产量，降低了能耗，同时提高劳 动生产率【l 】。 2 0 世纪9 0 年代以后，水泥工业控制系统基本上实现了集散控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e md c s ) 。进入2 l 世纪以来，一些大型企业为水泥生 产相继开发了专门的控制软件包，例如西门子、施耐德、a b b 公司等，使得水 泥行业的控制技术更加符合行业的控制要求。现代的水泥行业的控制基本上是 一个集现场总线、以太网和管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mm i s ) 的于一体的综合信息系统。因此对水泥生产线控制系统技术的深入研究对提高 水泥生产线的稳定性，提高产量，节约生产成本以及促使水泥工艺技术的进步 有着重要的理论和现实意义【2 】。 本文依托企业合作项目，以阿尔巴尼亚的某3 3 0 0 t p d 水泥生产线为研究和 设计对象，分析了新型干法水泥生产技术和设备，研究了各种工业过程控制系 统相关技术和最新的成果，结合实际工艺流程和业主要求，研究和设计了一个 基于西门子s i m a t i cp c s 7 为基础的水泥生产线过程控制系统。 1 2d c s 控制系统的发展历程 集散控制系统是随着现代大型工业生产自动化控制要求的r 益复杂应运而 生的综合控制系统，它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体 武汉理工大学硕十学位论文 技术相结合的产物，可提供友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控 制、过程管理的现代控制系统【”。它的优越性主要体现在它的集中管理和分散 控制。 d c s 控制系统从1 9 7 5 年诞生至今，经历了三个大的发展阶段。 1 2 1 第一代d c s ( 创始期) 集散控制系统是1 9 7 5 年首先由美国霍尼威尔( h o n e y w e l l ) 公司推出的， 当时计算机技术已经在工业控制领域得到成功应用，它的数字化控制算法使得 控制系统的实施变得非常方便，更改也相对容易。在这个时期，比较注重控制 功能的实现，因此系统的设计重点是在现场控制站，控制系统的现场直接控制 已经比较成熟可靠，但是操作管理层功能相对较弱，现场控制层的工作状况只 能用c t r ( c a t h o d er a yt u b e ) 操作站进行监测，并且所提供的监控信息也有 一定局限性。但是它已经具有了d c s 的基本特点，即集中管理，分散控n t 引。 该阶段技术特点表现为： ( 1 ) 采用8 位微处理器为基础的控制单元，实现分散控制，有各种各样的 算法，通过组态独立完成回路控制，具有自诊断功能。 ( 2 ) 采用带c r t 显示器的操作站与过程单元分离，实现集中监视，集中 操作。 ( 3 ) 控制站的供能近似于多路调节器，而且每个控制站都可以配置人机界 面和备用操作器。 ( 4 ) 控制系统网络主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作 员站之间的数据通信，采用双绞线信道或同轴电缆，速率在1 m b s 以下。 图1 1 所示为典型的第一代d c s 体系结构，包含一台现场控制站，一台操 作员站，一台工程师站( 也可操作员站兼工程师站) ，一条控制系统网络。 2 武擐理大学硕t 学位论文 削卜1 典型d c s 系统 1 2 2 第二代d c s ( 成熟期) 第二代集散控制系统的特点是系统的功能扩大。例如，控制算法的扩充； 常规控制与逻辑控制、批量控制相结合；过程操作管理范围扩大；通讯网络能 力增强等。而最明显的进步是数据通讯系统的发展，使得从主从式的量形网络 通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信。但是，各制造厂商的通信系统 各自为政，在不同制造商的集散控制系统间通信仍存在一定的困难1 5 】。在第二 代集散控翻系统中，通信系统采用局域网络，控制系统的通信范围扩大，同时 数据的传送速率也大大提高。 该阶段技术特点表现为： ( 1 ) 采用1 6 位微处理器为基础的控制单元，控制站的实时操作系统及程 序编程系统比较完整，编程语言有面向过程语苦和高级语言，控制策略的组态 由操作站或工作站与控制站联机的情况下，完成编译与下载。 ( 2 ) 操作站和工程师站( 或称工作站) 分开，也有公司将操作站的历史数 掬l 存储用硬盘( 历史模件) 和高级语言应用站( 应用模件) 分别独立挂在通信 武汉理l 大学硕七学位论文 网络上，在人机界面方面，逐渐过渡为以图形用户界面( g u i ) 为平台并采用 鼠标，组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口、c a d 技术等，人机界 面友好。 ( 3 ) 强化了系统信息管理，加强通信功能。采用同轴电缆或光纤，通信速 率为l 一1 0 m b s 。 图1 2 为现场总线进入d c s 后的体系结构图 ! 王! 里 图i - 2 现场总线技术进入d c s 后的系统体系结构 12 3 第三代d c s ( 扩展期) 第三代集散控制系统相对于第二代的改变主要体现在局域通讯网络方面能 力增强，它使得符含开放系统的不同制造商产品之间能够进行数据通讯，第j 方设备以及软件也能够方便地应用。在这个时期的d c s 控制系统在管理功能匕 得到进一步扩展，增加了七层管理网络，将生产的管理功能纳入到系统中”1 1 9 1 。 这样，就形成了直接控制、监控控制和上层管理三层功能结构，这实际上就是 现代d c s 的标准体系结构。 该阶段技术特点表现为： ( 1 ) 采用丌放系统管理。 ( 2 ) 操作站采用3 2 位微处理器，控制站的系统软件齐全，操作站或工程师 站可以完成离线组态及在线修改控制策略。 霞露 武汉理_ 大学硕士学位论文 ( 3 ) 采用实时多用户多任务的操作系统，操作站是在个人计算机( p c ) 及 w i n d o w s 操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的用户要 求d c s 系统具有开放性、便于系统集成和操作、与w i n d o w $ 一致等。 ( 4 ) 通信功能强大，数掘传输率达1 0 0 m b p ，可连多达1 0 2 4 个节点。所 遵循的通信标准大致有：i s o - o s i ( 开放系统互联) 、i e e e s 0 23 ( 以太网) 、 i e e e 8 0 24 ( 令牌总线) 、i e e e f d d i ( 光纤分弁式数据界面1 、t c p i p ( 传输控制 协谢互联协议) 、i e c i s a s p 5 0 ( 现场总线) 等。 图1 3 为综合监控自动化系统，这样的系统实际上就是一个将控制功能和 管理功能结合在一起的大型信息系统。 图1 - 3 综合监控自动化系统 丽薄 武汉理工人学硕十学位论文 1 3 水泥生产控制系统的现状和发展 现在工业控制领域的更多先进技术被应用到了现代水泥生产线控制系统， s i e m e n s 公司和a b b 公司走在了这个控制领域的前列。在国外，水泥生产线 控制系统已经实现了全集成自动化t i a ( t o t a l l yi n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ) ，采用全 集成自动化概念设计的控制系统提供了强大、高效的控制功能和网络通讯功能 等。国外的大多水泥生产控制系统采用了西门子s i m a t i cp c s 7 过程控制系统， 用以实现组态和过程控制，例如，拉法基赞比弧c h i l a n g ai i 水泥熟料生产线，沙 特5 0 0 0 t d 熟料水泥生产线，西门子公司水泥生产控制系统专门控制软件包 ( c e m a t ) 的开发和应用，使水泥生产线控制系统的开发设计时间大大缩短。 a b b 公司也在自己的a c 8 0 0 m 系统中开发出来针对水泥生产行业的专业库。管 理信息系统( m i s ) 、企业资源计划( e r p ) 和办公自动化( o a ) 广泛的使用， 以及各种专家系统和智能系统技术的使用，使得水泥生产控制系统完全实现了 自动化，集成化和信息化【卯。据0 8 年中国水泥协会统计，发达国家的新型干法 水泥厂采用以上两种控制系统的占总量的9 0 以上。 国内一些老型的水泥生产线舰模小，自动化程度比较低。在新建的水泥生 产线中已经开始应用新型s i m a t i cp c s 7 和a b ba c 8 0 0 m 控制系统，如有代表 性的，河南省大地水泥有限公司5 0 0 0 t d 熟料新型干法水泥生产线采用p c s 7 控 制系统，江苏联合水泥有限公司5 0 0 0 t d 水泥熟料生产线采用a b ba c 8 0 0 m 控 制系统。慢慢地国内的水泥生产控制系统也已经应用了m i s 系统和e r p 等技术， 但是还没有普及，在水泥行业完全实现自动化、集成化和信息化还需要一个过 程，据统计，我国代表先进控制技术的新型干法水泥仅占总产量的1 4 。另外 由于成本的原因，一些国内新建的生产线采用国内开发的d c s 控制系统，如浙 大中自w e b f i e l de c s 1 0 0 x 系统、易控( i n s p e c ) 等。这些系统的实用性、安 全性和可靠性与国外的著名控制系统还有一定的差距【8 】。 1 4 研究内容和论文结构 1 4 1 研究内容 本文依托企业合作项目，以我国承担的阿尔巴尼亚某水泥生产线为研究对 6 武汉理工人学硕十学位论文 象，在深入研究d c s 分布式控制系统、现场总线以及可编程控制器的功能特性， 分析水泥生产工艺过程和控制要求后，设计了新干法水泥生产线新型d c s 控制 系统。该系统采用西门子过程控制系统s i m a t i cp c s 77 0 ，编程语言采用c f c 连续功能图，采用c e m a t 7 0 库；现场控制层采用p r o f i b u sd p 现场总线， 自动控制子站采用西门子s 7 4 0 0 p l c ，上位监控层采用高速以太网进行数据交 换。本文重点研究内容如下： ( 1 ) 总结，分析了d c s 控制系统的特点，重点研究了该控制系统的设计 过程和方法。 ( 2 ) 通过对项目生产线的工艺的分析，完成了对水泥生产控制系统进行分 区；项目控制体系结构的设计和硬件设计，包括对过程管理层、过程控制层的 硬件设计；控制控制系统通讯网络设计，重点研究了控制系统网络和现场总线 网络的硬件、软件设计方法，常见出错问题及解决方法。 ( 3 ) 在控制软件上，本项目采用西门子s i m a t i cp c s 77 0 控制系统，重 点研究了s i m a t i cp c s 77 0 过程控制系统的技术特点，编程语言，c e m a t7 0 数据库，监控画面制作方法，硬件、软件以及网络组态，c f c 程序编程，p i d 控制方式编程和控制程序调试等。 ( 4 ) 以原料磨子系统为例，重点研究了磨系统液压控制程序的实现方法， 变频器控制程序的实现方法以及自动控制站之间通讯程序的实现方法。 1 4 2 论文结构 本文主要内容结构如图l - 4 所示： 7 武汉理t 赶学硕士学位沦文 图l - 4 论文主要内容结构图 武汉理上人学顼士学位论文 第2 章控制系统设计方案 2 1 水泥生产的工艺流程 水泥的生产是一个相对复杂的物理、化学过程，水泥生产随生料制各方法 不同，可分为干法( 包括半干法) 与湿法( 包括半湿法) 两种。当夸水泥生产主 要使用新型干法水泥生产方式，这种生产方式主要体现在生料入窑之前就已经 通过预热器的高温和废气的高温进行了预热，生料里面的碳酸钙在分解炉里有 将近9 0 以上分解成了氧化钙。新型干法水泥工艺流程如例2 - 1 所示： 吒麴雌吨夏受囊固 i n r i * 恒小团睁_ 了1 囫” 岖鲴蝤- 1 莲垂阉 离网肉 ”；d i 丽研 图2 1 新型干法水泥工艺流程示意图 j 工 撞热分解 新型千法水泥生产过程一般分为以下几个过程：生料的制各，生抖磨粉磨， 生料均化，熟料烧成，水泥磨粉磨，包装和输送。 生料的制备：在水泥的生产中，石灰石是主要的原料。所以，厂家为了节 约运输成本，水泥厂太多位于石灰石矿山的附近。石灰石的开采方式主要是通 i i i i 武汉理1 ：大学硕七学位论文 过爆破或者使用钻机来开采，粘土，铁矿石等其他原料在其相应矿山开采，有 时也使用工业废渣作为原料。首先把石灰石，粘土，铁矿石等其他原料和少量 的校正原料输送到破碎机，经过破碎机破碎后的原料被输送至相应的预均化堆 场进行均化。根据要生产的不同水泥型号，经过配料站，调配成成分正确，质 量上乘的原料。 原料磨粉磨：在原料磨粉磨阶段，制备好的生料被传输到磨机，被粉磨的 很细，颗粒细度如同面粉一般。这样细度的生料可以保证充分燃烧，能生产出 较高质量的熟料。t i t a n 项目采用的是德国藁歇公司生产的立磨，立磨是利用 磨体内辊子的压力将通过的生料碾碎。 生料均化：经过生料磨粉磨过的原料由斗式提升机提升到库顶，再经库项 的空气斜槽送至生料均化库。在生料均化库底有一对罗茨风机，风机朝着四对 风口按照一定的规律顺序向上鼓风，使生料颗粒在巨大的生料库中一直保持悬 浮状态，不停地来回流动。这样做的目的有两个： ( 1 ) 保持生料干燥，防止结块； ( 2 ) 使得不同时间经生料磨磨出的生料充分混合，以均衡生料质量。 生料库底有四对绞刀，通过绞刀将生料库的生料输送到生料库出口供给预 热器。 熟料烧成：这个过程是新干法水泥生产工艺中最重要的过程，这个过程又 由窑外预热、物料分解、窑内煅烧和熟料冷却几个部分组成【舶。 ( 1 ) 窑外预热 回转窑在煅烧熟料的时候可以排出1 0 0 0 0 c 左右的高温烟气，在窑尾利用这 些高温烟气为生料预热，使得进入回转窑的生料的温度达到8 0 0 。c 左右，生料 经过电子秤称重后输送到预热器最顶部的五级旋风筒，然后生料被上升来的高 温空气加热，分解，这样就使生料中的粘土脱水分解和部分硅酸盐分解，这样 再进入回转窑煅烧就提高了物料反应度。 ( 2 ) 物料分解 物料分解在高温气固多相反应器( 分解炉) 中进行，窑外分解技术能够明 显地增加回转窑的产量，生料以悬浮或者沸腾的状态存在于分解炉中，以最大 的温度差进行高速传热，使生料能够迅速地分解反应，这样就大大地减少了回 转窑的负荷，使回转窑的生产能力明显增加i i l 。 ( 3 ) 窑内煅烧 生料的完全分解以及熟料矿物的形成需要温度和一定的烧成时间，回转窑 1 0 武汉理j 二犬学硕：l ：学位论文 的主要作用就是提供这两个条件，在回转窑星实现熟料的烧成。在水泥生产工 艺中，生料从窑尾传输到窑头，与窑内高温气流进行热交换，发生了一系列的 化学反应。所以回转窑被划分为干燥带，分解带，烧成带和冷却带四个部分。 ( 4 ) 熟料冷却 高温熟料从回转窑口进入篦冷机后，首先受到从篦冷机篦板下部鼓入的高 压冷风的快速冷却，然后熟料被篦床推动着前进，前进过程中继续受到中压风 的冷却，冷却后的细小颗粒熟料被送入输送设备，大块颗粒熟料经过篦冷机末 端的破碎机破碎后，再被送入传送设备。鼓入篦冷机的冷却空气与熟料热交换 后，一部分被作为二次空气进入回转窑内，一部分被作为三次空气进入分解炉， 多余的被排入大气。 水泥磨粉磨：水泥磨粉磨系统包括调配站、水泥磨和水泥入库，水泥调配 站和生料磨调配站基本一致，根据所要生产的水泥型号来进行熟料、石膏和矿 渣的喂料比例。水泥磨配备了一台选粉机，达到细度要求的颗粒被选出成为水 泥成品，没有达到细度要求的再进入磨机粉磨。 包装和输送：成品的水泥储藏在巨大的水泥仓里。包装分为袋装和散装， 袋装由包装机完成，散装直接从水泥库底装车运出。在本项目中，包装站独立 操作和控制。 2 2 控制对象分析 该项目水泥生产线是一个完整的干法工艺水泥生产线，有3 3 0 0 u d 的熟料生 产产能，目标产能为3 5 0 0 u d 。此场有三个功能区：原料储存，原料制造和燃烧以 及水泥生产和包装。 2 2 1 控制系统分区 阿尔巴尼亚水泥厂t i t a n 项目所涉及的设备数量大，分布较广，需要对控 制系统进行分区。分区遵循以下原则： ( 1 ) 工艺原则，在工艺上联系紧密的工段设备的测点信号需要被分配到同 一个控制站中，这样可以减少不同工段之间的联系以及影响，减少a s ( a u t o m a t i o ns t a t i o n ) 站之间信号通讯。 ( 2 ) 区域原则，一般把距离相近的设备的测点信号配到同一个i o 站中， 这样可以减少电缆铺设，提高通讯质量。 武汉理i ：人学硕十学位论文 ( 3 ) c p u 的负载限制，在系统分区时，应该考虑c p u 的负载限制，如果 测点信号过多，超出c p u 的负载限制，将会影响控制器的运行速度。 ( 4 ) 现场总线负载的能力，t i t a n 项目采用p r o f i b u s 现场总线，理论 上每条总线可以挂1 2 5 个通讯设备，实际上，当通讯设备超过6 0 个的时候通讯 质量将降低，所以在控制系统分区时应考虑现场总线的负载能力。 根据以上原则，本项目系统分为8 个控制站。如表2 1 所示： 表2 1系统控制区列表 序号自动控制站编号自动控制区 l 8 1 7 破碎控制站( c r a s h e r ) 28 1 1 生料制备控制站( r a wm i l l ) 38 1 3 窑尾控制站( l ni n l e t ) 48 1 2 窑头控制站( k i l no u t l e t ) 58 1 4 煤磨控制站( c o a lm i l l ) 6 8 1 5水泥磨控制站( c e m e n tm i l l ) 78 1 6 包装控f f j l , j 占( p a c k i n 9 1 88 0 l 水处理控制站( u t i l i t y ) 2 2 2 控制系统点号表设计 该项目共有7 0 0 0 个i o 点，其中模拟量8 1 4 点，数字量6 1 8 6 点，表2 2 所示为各控制站的点号统计情况。 表2 - 2 各控制子系统i o 点统计 站编号模拟量点数数字量点数总i o 点数 8 1 77 61 0 0 31 0 7 9 8 1 19 79 5 11 0 4 8 8 1 31 3 21 1 5 5 1 2 8 7 8 1 21 6 17 9 l9 5 2 8 1 4 8 7 4 6 85 5 5 8 1 51 7 61 5 6 81 7 4 4 8 1 65 86 8 97 4 7 8 0 1 2 72 2 22 4 9 根据控制系统工艺要求，在进行系统点号表设计时，应将每个测点编码结 1 2 武汉理r 大学硕士学位论文 合设备的实际意义进行编制，按照这种原则编制出所需控制i o 点，即为点号 表的制作。 以8 1 7 破碎控制站设备( c r u s h e r ) 为例，对其点号进行设计。 表2 - 3 设备测电表 测点测量 测点编码描述传感器类型 电压 类型范围 p r o x i m i t y 2 4 v 2 1 l b c 0 5 x h 0 lb l e tc o n v e y o r b i n a r y s w i t c hd c 2 4 v 2 1 l b c 0 5 x l 0 1b l e tc o n v e y o r b i n a r y d r i f ts w i t c h d c b e l tw i n d i n g 2 11 b c 0 5 y t o l r t do 1 5 0p t l o o t e m p e r a t u r e 2 1 1 b c 0 5 y w o lb e l tw e i g h e rd po 1 5 0 0b e l tw e i g h e r 表2 3 里面的点号是具有代表性的，2 1 i b c 0 5 x h 0 1 中的2 1 1 指破碎控制站 中的一个组，b c 0 5 指2 l l 组中的b c 0 5 传送皮带，x h 0 1 指b c 0 5 传送皮带上 的x h 0 1 拉绳丌关。同理，2 11 b c 0 5 x l 0 1 指b c 0 5 传送皮带上的x l 0 1 跑偏开 关。2 1 1 b c 0 5 x t 0 1 为皮带2 1 1 b c 0 5 电机的绕组温度模拟量测量点，所用热电 偶类型是p t l 0 0 ，其测量范围为0 1 5 0 。c ，2 11 b c 0 5 y w 0 1 为皮带2 11 b c 0 5 称重 仪的模拟量测点，通过p r o f i b u sd p 总线网络将称重数据传输到控制器，从 而与控制器进行数据交换。 2 2 3 控制系统的特点 本控制系统有以下特点： ( 1 ) 通讯量大，该项目所有统计的测量点一共有7 0 0 0 个，在通讯网络中， 有将近4 0 0 多个d p 通讯设备为这些测点进行数据交换。 ( 2 ) 开关量多，在本项目中，开关量测量点占总测量点的8 8 左右，这些 开关量测点大多为电机的启动、停止、电机保护信号，阀门的开关、自身保护 信号。 ( 3 ) 设备连锁要求高，因为水泥生产要求连续性和很高的安全性，所以同 一工艺段的设备定要按顺起逆停的顺序去操作，当一个工艺段的某个设备出 现故障，那么此设备的前游连锁设备必须立即停车，避免发生堆料和生产事故。 ( 4 ) 生产线分布很广，各个工艺段相距较远，尤其是矿山破碎控制站与其 武汉理一j ：大学硕十学位论文 他控制站相距很远。 ( 5 ) 电磁干扰，由于整个控制系统中涉及到很多变频器和大功率电机，这 些设备的存在对2 4 v 的控制回路造成较大的干扰1 9 1 。 2 2 4 控制系统的功能要求 系统控制功能设计质量的好坏，不仅会影响到生产线设备运行状态的稳定， 而且还会影响到整个水泥厂生产的效率和效益。所以，在设计该项目时，需要 满足以下几个功能。 ( 1 ) 可以实现设备在中控模式下的自动控制，即中控室的操作员点击组启 动或停止时，该组的全线设备能够根据工艺要求自动运行和停止；如果该组的 某个设备正常停车后，不影响该组生产线的自动运行。 ( 2 ) 在中控室操作员站操作画面上必须显示重要设备的一些关键参数，这 样可以让操作员实时了解这些设备的运行状态，例如，大功率电机的绕组温度、 轴承温度、电流等参数。模拟量数据应做历史曲线归档，这样操作员和工程师 可以查看该模拟量运行参数过去的某一时刻的历史数据。 ( 3 ) 报警，报警主要包括系统报警和设备故障报警。系统报警指控制站之 间通讯中断、控制系统报错等；设备故障报警指某个电机的绕组温度过高，超 过高报警限制只报警不停车，超过高高报警限制则停车。这些要求必须体现在 d c s 控制功能设计之中，否则将极易损坏设备，对生产带了极大影响。 ( 4 ) 打印功能，在水泥厂连续运作过程中，其生产数据，时间，能源消耗 要具有统计和打印功能。 ( 5 ) 控制系统可靠性，必须保证控制系统的高度可靠性，避免造成生产停顿。 ( 6 ) 友好的操作画面，这点对于中控室操作员来说十分重要，良好的、易 操作的用户控制画面可以更好地让操作员高效、准确地控制操作。 2 3 系统体系结构及硬件设计 根据t i t a n 项目控制系统的功能要求，结合以往工程应用中采用的成熟控 制体系结构设计，生产工艺以及功能分析，t i t a n 项目控制系统体系结构设计 如图2 2 所示。控制系统体系结构由四层构成：经营管理层，过程管理层，过 程控制层，现场控制层【1 7 】。 本节详述过程管理层，过程控制层的硬件设计。 1 4 武汉理一 学硕士学位论文 蓼“攀“ j 警凄 s 。 颦，。幽 l 4 m * l2 m # l2 a blw b “i 女“l女* * i ：自* 日* 埔 一囊i r a 一一_ 一一 图2 - 2 控制系统结构图 2 31 过程管理层硬件设计 过程管理层通常只包含工程师站和操作员站m i 。 工程师站、操作员站和服务器被安装在中央控制室，现场环境相对于这些 硬件来说不是很恶劣，并且各个控制室内都安装有通风设备，再考虑到成本原 因，该项目选择d e l l 高性能商用机而不是专门的工控机。过程管理层各站需 配置软件如表2 3 所示： 表2 - 3 过程管理层软件配置 过程管理层站名称 安置软件备拄 w i n d o w sx p p c s 7 v 70 e s 工程师站 c e m a t v 70 0 f i j c e2 0 0 3 武汉理j ：大学硕仁学位论文 续表2 3 过程管理层软件配置 过程管理层站名称 安置软件各注 w i n d o w sx p 操作员站 p c s 77 0c l i n t c e m a tv 7 0 w i n d o w s2 0 0 3s e r v e r 服务器站 o s 备用软件包v 7 0 c e m a tv 7 o ( 1 ) 工程师站硬件设计 工程师站是为具有相关专业知识的工程技术人员设计，在工程师站装有组 态工具平台和控制系统维护工具软件，工程师站负责整个系统的组态，数据库 生成，上位监控画面制作，报表制作，程序下载，给操作员站分配监控画面等。 该项目的工程师站由三台高性能d e l l 商用机组成( 调试过程) ，分别负 责生料制备区( 矿山破碎，原料磨) 、烧成区( 窑尾，煤磨、水处理) 、水泥磨 区( 水泥磨，水泥包装、窑头) 三个工艺区的程序编制、调试以及控制系统维 护，这些工程师站通过工业以太网网络与各个控制站进行数据交换，自动化程 序一定要在所在权限的工程师站上进行修改，下载。当水泥厂生产正常运行时， 工程师站将不起作用，由操作员站负责监控，此时，只留用一台工程师站。 ( 2 ) 操作员站硬件设计 操作员站负责各子系统的监控，操作员站是互相备用的，当其中的一个操 作员站出了故障时，其它的操作员站可以代替它继续j 下常工作。所以相对于工 程师站，操作员站的硬件设计相对简单，主要由p c 机、显示器、鼠标、键盘 打印机等组成，操作员站通过w i n c c 组态软件设计上位监控界面，实现各生 产过程的图形化界面监视、报警、报表等管理功能。 该项目的操作员站由六台d e l l 商用机组成，操作员站通过以太网卡与服 务器相连进行数据通信，其主要用来对整个生产线的生产状态进行监管控制， 修改相关生产工艺参数，操作员站的机器没有权限去访问，存储和修改控制程 序。其监控画面和生产参数与服务器保持同步，这六台机器可以对每个工艺环 节进行监控，所以每个工艺段需要分配专职操作员，这样可以避免操作冲突。 ( 3 ) 服务器硬件设计 数据服务器是经营管理层、过程控制层的数据源，它用来完成对整个工厂 1 6 武汉理_ t 人学硕 ：学位论文 的监督控制，当工厂的某个生产环节的设备发生故障或者运行参数处于报警状 态时，服务器将产生报警，归档。经营管理层和过程控制层根据数据服务器提 供的数据进行调节控制。操作员站上的过程数据和显示流程丽面的数据都是通 过服务器来获得的。 该项目的服务器由三台高性能商用服务器组成，运行全场工艺段的上位机 程序，操作员站实时更新于服务器上的数据，保持与服务器同步。其中两台服 务器互为冗余热设备，均能独立监控整个生产过程，这样可以防止电脑故障而 引起的生产事故，增加了系统的可靠性。 2 3 2 过程控制层硬件设计 过程控制层的硬件设计质量关系到水泥厂能否顺利和安全生产，所以该层 的设计很重要，根据工艺以及功能分析，该项目包含8 个自动控制站。每个自 动控制站一般由1 2 个电气控制柜组成，分别放置在各个电气室，每个电气控 制柜的配置基本一致，由p l c 、数据采集i o 模块、光电耦合器以及智能设备 等组成。各个自动控制站硬件配置如表所示： 在过程控制层中，p l c 是核心部件。本项目选用西门子公司生产的s 7 4 0 0 系列的p l c ( c p u4 1 6 3 d p ) ，s i m a t i cs 7 4 0 0 采用模块化组合创建控制系统。 根据不同的控制任务可以进行相应模块的组合，一般一个s 7 4 0 0 控制系统主要 包括：电源模块，c p u 模块，输入输出信号模块，数据通讯模块，扩展接口模块。 s i m a t i cs 7 4 0 0 系统各个模块的基本特性如下： ( 1 ) 电源模块 电源模块用来给c p u 模块、通讯模块供电，本项目采用的是p s 4 0 7 1 0 a 电 源模块，可将其连接到1 2 0 2 3 0 v r a c ( 5 0 h z ) 或2 4 d c 电源上，输出电压为+ 2 4 v ， 输出电流为1 1 0 a 。在选择电源模块时，原则是系统的负载小于其最大输出的 7 0 。 ( 2 ) 中央处理器( c p u ) 本项目选用c p u 4 1 6 - 3 d p 型号，该型号可以满足用户的功能需要并且能够 适应现场的环境，该型号处理器采用r a m r a n d o ma c c e s sm e m o r y ( 随机存储器) 来保存数据，当系统在停电或故障掉电的情况下，有后备电池来保持数据，保 证数据不会丢失【1 9 】。c p u 4 1 6 3 特点如下： 内置p r o f i b u s d p 接口，通信能力强； 1 7 武汉理：人学硕士学位论文 处理器响应速度快，实时性强； 主内存容量大，2 0 m b ； ( 3 ) 后备电池 该项目每台s i m a t i cs 7 4 0 0p l c 都配备了两块后备电池，这样可以保证 在停电或故障掉电时，c p u 中的时钟继续运行，内存标志位、定时器、计数器 以及数据块中的用户程序和数据不会丢失。 ( 4 ) 通讯模板 中央处理器采用工业以太网模块c p 4 4 3 1 与上层设备进行通讯，数据传输 介质采用屏蔽双绞线，传输速率可达1 0 0 m b p s ；采用c p u 模块上集成p r o f i b u s d p 口与下层设备进行网络通讯，数据传输介质采用标准d p 电缆。 ( 5 ) 扩展