【毕业学位论文】基于PROFIBUS 总线的干法水泥回转窑温度控制系统的研究与应用-控制工程

分类号 密级 U D C 编号 中南大学 士学位论文 论文题目 基于 线的干法水泥回转窑 温度控制系统的研究与应用 学科、专业 控制工程 研究生姓名 李祖林 导师姓名及 桂卫华 教授 专业技术职称 王文山 教授级高工 2006y Li 2006 摘 要 随着信息技术的迅速发展，现场总线 、工业以态网和智能控制在过程自动化领域得到了越来越广泛的应用。在传统的过程自动化系统中由于采用封闭式通信协议而极易形成 “自动化孤岛 ”。 场总线因通信协议的开放性和其构建现场测控网络方便等特点而能很好地解决上述问题。本文紧密结合湖南省教育厅科技攻关项目 “新型干法水泥窑智能控制系统和系统集成研究 (04进行研究，针对目前国内中、小型水泥企业技术改造和扩建需求，提出了基于 自动化系统的实现方案。 本文介绍了世界和我国水泥生产的发 展趋势，信息技术在水泥企业中的应用需求，讨论了现场总线的特点。主要介绍了 场总线的核心内容，包括通信协议、组态、总线协议的主要芯片、开发工具等。 对水泥回转窑温度控制策略进行了研究， 构建了 发了 P 与 信接口模块、回转窑温度检测与控制模块，并完成了其中的几个主要模块的硬、软件开发与设计。 通过现场总线实现了水泥生产智能化 、网络化管理，具有智能控制、远程监控、设备组态和设备诊断等相应功能；基于 线，可有效地解决多点过程设备分散、传感器供电困难等难题，大大简化了水泥生产过程自动化系统的结构，本文研发成果具有实用价值。 关键词 现场总线，水泥回转窑，智能控制 of in of is to be in be by of by to a of s in is is of in of is of is P A of of of is by is be of is of is in 程硕士学位论文 目录 I 目 录 第 1 章 绪 论 .世界水泥工业生产的特点 .我国水泥生产技术概述 . 我国水泥工业的发展 . 新型干法水泥生产工艺简介 . 我国水泥生产控制手段的发展 .现场总线技术简介 . 现场总线的定义 . 现场总线的特点 . 现场总线的分类 . 几种现场总线的性能比较 .本论文的研究背景和意义 .本论文的主要研究内容 . 2 章 .概述 . 场总线协议结构 . 场总线传输技术 . 场总线存取协议 . 11 现场总线系统的组态 . 态软件概述 . 备组态 .基于 场总线通信 . 议标准 . 线通信行规 . 线通信行规 .现场总线的实现 . 站开发 . 场从设备实现 .结 . 3 章 基于 干法水泥回转窑系统设计 .干法水泥生产系统总体方案设计 . 场总线控制系统组成 . 基于 水泥生产自动化系统设计 .程硕士学位论文 目录 主站 2 类主设备与数据服务器 . 主站 1 类主设备 . P 和 设备 .新型干法水泥回转窑控制手段分析 . 新型干法水泥回转窑概况 . 干法水泥回转窑参数检测 . 回转窑控制工况分析 .法回转窑控制策略研究 . 模糊控制理论基础 . 干法回转窑模糊控制器设计 . 回转窑模糊控制系统仿真分析 .于 P 现场总线窑主电机控制硬件实现 .于 P 现场总线窑主电机控制硬件实现 . 片 介 . 线接口电路设计 . 回转窑主电机控制电路设计 .于 A 现场总线窑温度控制从设备实现 . 片 . 回转窑温度控制从设备硬件电路设计 .结 . 4 章 系统软件设计 .统软件的总体设计方案 .转窑温度控制从站设备和总线接口软件设计 . 回转窑温度控制系统主程序设计 . 回转窑温度检测软件设计 . 回转窑温度检测软件设计 . 线接口软件设计 . 线接口软件设计 . 线从站接口软件设计 . 线从站回转窑主电机控制软件设计 .结 . 5 章 系统应用与运行 .统测试与应用 .统组态与运行 . 回转窑控制系统组态实现 .程硕士学位论文 目录 回转窑控制站实时运行和历史曲线 . 回转窑控制站实时报表和报警组态画面 .结 . 6 章 结 束 语 . 考 文 献： . 谢 .录 A 攻读学位期间及此前发表的学术论文目录 .录 B 攻读学位期间承担的科研课题 .程硕士学位论文 第 1 章 绪论 1第1章 绪 论 在当今建材行业，水泥工业以预分解技术为核心，在水泥生产的全过程中，形成了一套具有现代科技特征、高效、节能、环保和大型化与自动化的水泥生产方法。随着通信、计算机、控制理论等科学技术的迅猛发展，这些技术已成为实现水泥生产过程自动化、水泥产品高质高效、节能降耗和环境保护的关键因素。 目前，水泥生产自动化系统大都采用单回路控制与人工操作相结合的系统和集散控制系统 ，在大型化水泥生产中，单回路控制系统中控制效果较差且不能完成远距离通信，而 统在本质上因采用封闭式通信协议而极易形成 “自动化孤岛 ”。现场总线控制系统 通信协议的开放性而能很好地解决上述问题，它的应用在水泥生产控制领域将产生一场新的革命。 世界水泥工业生产的特点 国外发达国家水泥生产采用干法预分解窑技术12，生产线能力大型化，上世纪 90年代达到 4000t/d 以上，目前 5000t/d 以上生产线已成为主流；生产与管理信息化，运用计算机技术、先进控制技术3、通信技术，开发出各种工艺过程的专家系统和数字神经网络系统，实现大型化水泥企业远程操作和诊断，使水泥生产和管理朝信息化、自动化、网络化、智能化方向发展；通过改进工艺，采用新的检测技术和仪器，利用信息技术，水泥生态化技术已成为发展趋势。 我国水泥生产技术概述 我国水泥工业的发展 我国水泥工业的发展经历了如下几个阶段 : (1) 水泥生产的形成期 20 世纪 50 年代至 70 年代我国从国外购买了多套湿法水泥生产设备， 同时也自行开发了湿法窑。水泥工业作为我国的基础原材料工业，这二十年有了长足的进步和发展，产品的质量、档次也有了不同程度的提高，基本满足了国民经济和社会发展的需要，但是产品结构、技术水平和生产规模仍然很不合理。 (2) 水泥生产的成长期 从上世纪 70 年代开始进行预分解窑系统开发和研究，结合国外引进的技术，到 80年代中期，新型干法水泥生产线投入运行，逐步形成了 700t/d 到 7200 t/d 系列生产线的设计、制造生产能力。 (3) 水泥工业的发展壮大期 工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 2上世纪 90 年代到本世纪初，国家建材行业主管部门提出了 “控制总量、调整结构、淘汰落后 ”和 “由大变强，靠新出强 ”的跨世纪发展战略方针，开始了水泥产业结构调整，一大批 2500t/d 和 5000t/d 干法水泥熟料生产线建设投产， 我国新型干法水泥生产技术已经成熟，大型生产线的主要经济指标达到国外先进水平。大幅度提高了新型干法水泥产量，到 2005 年新型干法水泥产量占全国水泥总产量的 30%，淘汰了落后的生产工艺和装备，实现了产业升级的目的。 目前，新型干法水泥生产技术成为我国水泥工业发展重点4，在提高现有新型干法水泥工艺技术和装备制造水平的同时，正在加快开发高效率的熟料烧成系统、高效节能的粉磨设备、新一代篦式冷却机、大型高效收尘设备和综合优化在线控制技术与装置；逐步加强水泥生产企业信息化和网络化建设：它包括水泥生产过程自动化和智能化，实现管理决策科学化、信息化和网络化，商务活动的电子化、网络化和信息化；另外为最大限度提高自然资源综合利用率和保护环境，正在提高水泥工业清洁生产水平，沿着水泥生态化的方向发展，保持水泥工业的可持续发展。 新型干法水泥生产工艺简介 新型干法水泥生产工艺流程包括生料和燃料的制备、生料的窑外预分解、回转窑内煅烧、熟料的冷却及废气处理等工艺过程，如图 1示。 生料的制备：将水泥的主要原料矿石与其它辅助校正原料通过配料系统进行配料，经磨机进行充分研磨后，通过提升机送入生料均化库混合进行均化，均化后的生料通过提升机送入喂料仓，并由罗茨风机和生料流量控制阀将生料送入旋风预热器。 生料的窑外预热与分解：旋风预热器由从上至下的五级旋风筒组成，生料首先喂入一级旋风筒入口的上升管道内，在管道内进行充分热交换。然后一级旋风筒将气体和生料颗粒分离，收下的生料经卸料管进入二级旋风简的上升管道内进行第二次热交换，再经二级旋风筒分离， 如此依次经过五级旋风预热器， 在此过程中， 通过窑尾高温废气 （约1000）将生料加热 700进入分解炉内。在分解炉内 700料与煤粉混合以沸腾状态燃烧，使碳酸盐吸热分解，分解率达 70%并由窑尾送入回转窑。 回转窑内煅烧：由于回转窑胴体有一定倾角并由电机拖动低速旋转，进入回转窑的生料（由回转窑的高端送入）将向窑头（回转窑的低端）运动，与经磨成粉状由窑头喷入的燃料煤在窑内混合并燃烧，使生料进一步分解。窑内燃烧的空气由二部分组成：一部分是预先和煤粉一起送入的空气称为一次风，占空气总量 15%另一部分是经预热到一定温度（约 600）的空气称为二次风。煤粉在窑内燃烧形成高温火焰（约1500产生大量热量，产生的高温气体在窑尾高温风机作用下向窑尾流动，与原料在相对运动中进行热交换，使生料发生不同化学反应进一步分解。 熟料冷却：生料经过煅烧后成为熟料，由窑头进入篦式冷却机冷却，篦式冷却机分 为五个室，每个室有相应的风机并向各室吹入环境空气，以对流方式进行热交换，被加 工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 3热的空气作为回转窑的二次风，另一部分被三次风管送入窑尾分解炉作为燃烧用的高温空气，还有一部分对煤粉进行预加热处理。 着电子技术、信息技术和控制理论的不断发展，新型干法水泥生产控制手段的发展经历了如下几个阶段 : (1) 拟控制系统阶段 制系统，采用 电动单元组合仪表构成控制系统，信号标准分别为 0流和 4流或 1压模拟信号。 (2) 接数字控制系统阶段 20世纪 80 年代，开始了数字计算机在控制领域中的应用，其特点是在测量、模拟控制、逻辑控制过程中普遍实行石灰石破碎机预均化堆场粘土配料系统砂岩配料系统铁质校正原料 铝质校正原料 煤配料系统 配料系统预均化堆场煤磨生料磨 选粉机生料均化库预热器煤粉仓增湿塔分解炉回转窑篦式冷却机熟料库配料系统混合材烘干机配料系统石膏破碎机配料系统辊压机水泥磨选粉系统水泥库包装细粉热气热气热气图 1 干法水泥生产流程图 工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 4集中控制，建立中央计算机系统。信号传输采用 4拟信号。控制的集中增加了系统失控危险的可能性，可靠性较差。 (3) 散控制系统阶段 针对 可靠性较差问题，随着微处理器技术的发展，开发 了相应的智能仪器和 统，控制系统采用微处理器变集中控制为分散控制， 制系统特点是 : 统能够对分布于较大范围内的执行机构进行控制，管理集中，危险分散； 以方便地实现历史数据存储、动态显示、报表打印等一些功能； 统集成方便，可靠性高。但是 统仍然存在一些问题：系统开放性问题，各 统生产厂家生产的设备不能互连，信号传输有 4模拟信号，也有数字化信号，存在一个封闭的 “自动化孤岛 ”。 (4) 场总线控制系统阶段 发展，采用现场总线控制系统，即从分散控制到现场控制。数据传输采用总线方式。其特点是数字化程度高，总线上传送的信号全部为数字信号，资源可共享。 目前，我国水泥生产控制大部分采用 制或 结合的控制手段，基于现场总线的控制系统很小得到应用。 现场总线技术简介 现场总线的定义 根据国际电工委员会 准和现场总线基金会 定义， 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的通信网络。 它与传统的 比有很多优点，是一种全数字化、全分散式、全开放和多点通信的底层控制网络，是计算机技术、通信技术和测控技术的综合与集成。 现场总线的特点 (1)全数字化通信 现场总线系统是一个 “纯数字 ”系统57，而数字信号具有很强的抗干扰能力，所以，现场的噪声及其他干扰信号很难影响现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。 (2)一对 N 结构 一对传输线， N 台仪表，双向传输多个信号。这种一对 N 结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆。 (3)可靠性高 数字信号传输抗干扰强， 精度高， 无须采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低了成本。 (4)可控状态 操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作情况， 也能对其进行参数调整， 还可预测或寻找故障。 整个系统始终处于操作员的远程监视和可控状态，工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 5提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。 (5)互换性 用户可以自由选择不同制造商所提供的 性能价格比最优的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互联。即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表也能照常工作，实现了 “即接即用 ”。 (6)互操作性 用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路，而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。 (7)综合功能 现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户，而且降低了成本。 (8)分散控制 控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表即可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 (9)统一组态 由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念， 所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态，使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同而带来的组态方法的不同，再去学习和培训。 (10)开放式系统 现场总线为开放互联网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可极其方便地共享网络数据库。 现场总线的分类 目前流行的现场总线有基金会现场总线 控制局域网络过程现场总线 可寻址远程传感器高速通信的开放通信协议 局部操作网络 。 (1) 以 司和 司为首的两大集团于 1994 年 9 月联合成立了现场总线基金会，专门致力于开发国际上统一的现场总线协议， 金会现场总线以 放系统互联模型为基础， 取其物理层、 数据链路层和应用层为 在应用层上增加了用户层8。 (2) 由德国 司为汽车的监测和控制而于 1993 年推出设计的，逐步发展到用于其他工业部门。 成为国际标准化组织 1898 标准。由于其性能优异，价格低廉，因此很快被推广到工业测控现场，被 自动化厂家广泛应用。特别是在离散制造加工领域， 线具有较强的竞争力。 (3) 线是由德国等 13 家工业企业和 5 家科研机构在联合开发项目中制定的标准化规范，是德国标准和欧洲标准。 1991 年在 公布了该标准。 几种改进型，由 P、 程硕士学位论文 第 1 章 绪论 6成。分别用于不同的场合。 用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用； 为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器和低压开关等一般自动化； 则是用于过程自动化的总线类型。 (4) 早由 司开发并得到 80 多家著名仪表公司的支持，于 1993 年成立了 信基金会。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展，常用于一次仪表。 (5) 美国 司于 90 年代推出的一种现场总线技术，它是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线技术的一切特点，支持不同的传输媒介进行通信，并遵守 七层模型协议，在楼宇自动化系统中具有突出的表现。 几种现场总线的性能比较 通过对几种现场总线的介绍，在过程控制系统中，应根据现场总线特点和性能来选择使用何种现场总线，表 1对几种流行的现场总线的性能5进行了全面的比较。经过分析和比较， A 总线适用于过程自动化， P 型适用于分散外设间的高速传输，在本文中选用 场总线构建水泥生产过程自动化系统，实现对水泥回转窑温度控制。 表 1几种现场总线的性能比较 性能 用领域 所有领域 离散系统 生产过程 一次仪表 所有领域 议层 1,2,7 1,2,7 1,2,7 1,2,7 17 系统类型 总线 总线 总线 总线 网络 介质访问 令牌 ,主从 D 令牌 ,主从 令牌 ,主从 D 误码校验 持介质 双绞线 ,光纤 ,红外 双绞线 ,光纤 双绞线 ,光纤 双绞线 双绞线 ,光纤 ,同轴电缆 寻址方式 单点 , 多点广播 单点 ,多点广播 单点 ,多点广播 单点 ,多点广播 广播 传输速率 K1M 2M 3s 300输距离 0 0 3 络供电 O 先级支持 统控制 命令 ,状态 命令 命令 ,状态 命令 ,状态 命令 ,状态 工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 本论文的研究背景和意义 本文密切结合湖南省教育厅科研攻关项目 “水泥干法窑智能控制系统和系统集成研究 ”(04行开发与设计。 水泥是国民经济建设不可缺少的原材料，在这种原材料制备过程中，生产工艺和技术在不断发展，随着预分解窑技术不断进步和成熟，新型干法生产工艺在我国已广泛应用于水泥工业生产中，在水泥生产过程中，耗能、环境污染是水泥生产中的主要瓶颈问题。 在水泥生产过程控制中 ,以计算机为核心的自动控制领域有一个日益突出的问题急待解决，那就是 “自动化孤岛 ”公开的专有通信协议而使控制系统被封闭，系统失去了与外部的通信、扩展与互操作等功能。无论是较早的直接数字控制 是目前广泛使用的集散控制系统 们均是以计算机和控制器为核心，构成以通信为基础的控制网络。由于利益的驱动，各设备制造商都独立地创建了各自的协议，于是在控制网络中出现了许多不同的专有协议，只有同一制造商的产品可以一起工作，其它制造商要在自己的产品中实施这些协议与技术，就必须得到许可并付出高额的专利费用。 这必将带来许多问题：没有任何一个制造商能提供一系列的产品来满足用户的全部需求，也没有任何一个制造商所生产的任何产品性能都最好，用户常常需要向一些专门领域的专业制造商购买产品，由于来自不同供应商或制造商的设备采用不兼容的协议，使得用户在控制系统集成时没有多大的选择余地，处于两难的境地，只能被牢牢地锁定在几个不情愿的设备供应商或制造商上，要么选择性能优良的设备而牺牲它们相互间的良好通信，要么选择设备集成时的良好通信以便提高设备间的互操作性而降低设备的性能，一旦用户购买了专有系统，即在以后的系统维护、升级、扩展、备品备件更换等方面被制造厂商垄断了，并将为此付出高昂的代价。如果用户要保持两者良好的性能，那就只有在系统集成时花费大量的资金、时间与精力，开发相应的通信驱动程序，而这正是人们急待要解决的自动化孤岛问题的初衷所在。 由于使用专有通信协议而造成的自动化孤岛问题，使系统的通信就如同两个使用不同语言的人相互交流一样变得异常艰难，系统中设备的兼容性不能得以实现，更为严重的是设备的制造商和用户由此 而把大量的工作放在了为数 众多的专有通信协议的开发上，而降低了其它方面的真正创新。 基于上述原因，在控制领域，人们急切希望为控制系统提供一种 “公共语言 ”，即采用统一的、标准化的、公开的通用性通信协议。各制造商按此通信协议生产的产品能够毫无阻碍地相互兼容、即插即用、集成，就像使用同一语言的人们不再难于交流9， 在此情况下，现场总线应运而生，以克服自动化孤岛的问题，适应不同的应用场所，当然很