水泥生产线DCS仿真系统-窑头环节.doc

35摘 要现阶段，水泥企业培训员工仍停留在现场实习的水平，成本高效率低。为此，按照水泥生产过程设备及工艺点配置，基于虚拟DCS的仿真系统清楚地界定了控制与控制对象，使得仿真系统的开发工作分工更加清晰和专业化，尤其是控制系统的仿真更加贴近真实DCS系统的组态。不仅降低了开发难度，而且有利于提高仿真逼真度。全面仿真水泥生产线DCS的培训仿真系统将对企业降低培训成本、缩短培训周期带来积极意义。本项目采用ABB CBF系列软件等编程工具对水泥生产窑头环节的工艺测点及电气设备进行仿真。关键字：水泥生产线 ；DCS；仿真；CBFABSTRACTRight now the training of the concrete company still lies in the level of exercitation which is high cost effect. therefore emulation system which depends on the progress of the concrete-product and process point of configuration, the simulation system based on virtual DCS clearly defined control and the control object, the simulation system development work more clear division of labor and specialization, in particular, control system simulation is more close to reality DCS system configuration. Not only reduces the development effort, but also to improve the simulation fidelity. Cement production line DCS comprehensive simulation training simulation system will enterprises to reduce training costs, shorten the training cycle, a positive sense. This project uses ABB CBF family of software programming tools for the production of cement kiln head part of the process measurement point and electrical equipment to be simulated.Key words：Cement production line; DCS; Simulation; CBF目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 国内外研究现状、水平及存在的问题11.2 选题的目的及意义21.3本课题要解决的主要内容21.4本设计完成结果22 水泥生产线窑头环节工艺及DCS仿真介绍42.1水泥生产线基本工艺42.2窑头环节基本工艺42.3 DCS的简介52.4 DCS仿真53总体设计方案83.1生成窑头项目83.2生成项目树83.3过程站设计93.3.1单个电机组的设计93.3.2 篦冷机弧形阀组的设计123.3.3 数据类型转换和量程转换133.3.4 模拟量数字量监控设计143.3.5模拟量趋势显示的设计163.3.6联锁控制173.3.7 PID控制173.3.8信号制造的程序设计193.4 操作员站组态193.4.1教官站和学员站主界面193.4.2按钮的设计203.4.3电机显示的设计223.5硬件结构设计233.6网络配置设计233.7联机调试244结 论27参 考 文 献28致谢29附录301 前言1.1 国内外研究现状、水平及存在的问题 水泥的生产工艺简单讲便是两磨一烧，即原料要经过采掘、破碎、磨细和混匀制成生料，生料经1450C高温烧成熟料，熟料再经破碎，与石膏或其他混合材一起磨细成为水泥。由于生料制备有干湿之别，所以将生产方法分为湿法，半干法或半湿法，干法3种。当今我国是世界上最大的发展中国家，也是世界上水泥产量最大的国家，据中国建筑材料工业协会统计2005年水泥产量10.64亿吨，比04年年增长 9.4。水泥熟料产量7.79亿吨，其中预分解窑熟料产量3亿吨。预分解窑熟料产量占水泥熟料产量38.6，比上年提高9.23个百分点。2006年上半年，全国水泥产量为5.4亿吨，比2005年同期增长20.9%，增速高于2005年全年水泥产量增长率9.1个百分点，产量与增速都创历年同期最高水平。上半年，水泥产量超过200万吨的企业有8家，超过100万吨的企业有47家。在中央一系列宏观调控政策措施指导下，我国水泥产业结构调整步伐不断加快。1995年新型干法水泥2853万吨，仅占总产量的6%。2004年上升到3.2亿吨，占总产量的33%。到2005年底，新型干法水泥产量达到4.73亿吨，新型干法水泥的比重已达到45%，一年间增长12个百分点。水泥结构调整取得突破性进展。2005年建成投产110条新型干法水泥生产线，新增能力10137万吨。累计新型干法水泥生产线615条，其中4000吨以上生产线104条【1】。目前，科学发展观深入人心，落后工艺水泥已不被社会各界认同，湿法工艺水泥已淘汰出局，水泥行业结构调整处于最佳机遇期【2】。传统水泥生产的自动控制与过程优化主要是基于操作员经验模型的模糊控制和专家系统，即是模拟现场操作员工和水泥工艺专家的经验而进行自动控制的，本身从理论上并不具有优化功能，只是因其模拟的人工经验都是水泥企业生产现场优秀员工或资深工程师的成熟经验，因此在应用实践中达到了一定的优化目的，操作效果通常比水泥企业完全手工操作要好的多。目前国外水泥自动化控制正在由上述单纯的专家系统控制向结合机理模型的专家控制系统方向发展，希望实现操作的不断优化。窑头环节研究动态窑头环节提供对窑的控制及熟料的冷却等功能，是水泥生产的重要组成部分。其主要是篦冷机的控制，而篦式冷却过程的重要设备是篦式冷却机，简称篦冷机。作为影响熟料质量和整个工艺系统热效率的关键设备之一，篦冷机一直是人们研究的重点。然而，由于其系统的复杂性，目前对篦冷机的研究尚处于半经验阶段，如何使用先进的控制方法和以现有的显参数有效的控制篦冷机的工作状况，从而使出篦冷机熟料温度达到工艺要求且便于水泥磨研磨，并且使入窑二次风温和进分解炉的三次风温达到工艺要求温度，为篦冷机的性能改进、提高工作效率提供依据，都使得本课题的研究有着重要的意义。1.2 选题的目的及意义 现阶段，水泥企业培训员工仍停留在现场实习的水平，成本高效率低。为此，按照水泥生产过程设备及工艺点配置，基于虚拟DCS的仿真系统清楚地界定了控制与控制对象，使得仿真系统的开发工作分工更加清晰和专业化，尤其是控制系统的仿真更加贴近真实DCS系统的组态。不仅降低了开发难度，而且有利于提高仿真逼真度。全面仿真水泥生产线DCS的培训仿真系统将对企业降低培训成本、缩短培训周期带来积极意义。其中，窑头环节提供对窑的控制及熟料的冷却等功能，是水泥生产的重要组成部分。1.3本课题所解决的主要内容本项目拟采用ABB CBF系列软件等编程工具对水泥生产窑头环节的工艺测点及电气设备进行全面仿真，主要设计内容为： 1、利用CBF组态软件及EMULATOR仿真器，对设备备妥、驱动、返回等信号仿真。 2、利用CBF组态软件及EMULATOR仿真器，对设备连锁关系及组起组停设备等进行仿真。3、利用OPC Client 程序，通过读取SQL SERVER数据库内的典型工况数据实现对本环节模拟量的仿真显示。 4、利用DIGIVIS对本环节各设备OS显示进行仿真。1.4本设计完成结果冷却过程是水泥烧成的重要环节，其功能是对高温熟料进行冷却、输送，同时对热量进行回收。现代化水泥生产线普遍采用篦式冷却方式，篦式冷却过程的控制问题一直是水泥生产过程自动化的难点之一。预计主要完成如下，图1.1显示为篦冷机冷却过程。1、 完成了篦冷机风机组的启停控制。2、 完成了篦冷机弧形阀的启停控制。3、 完成了篦冷机风机阀门开度的控制。4、 完成了电除尘及熟料传输电机和熟料破碎机的启停控制。 图1.1 熟料经篦冷机冷却过程2 水泥生产线窑头环节工艺及DCS仿真介绍2.1水泥生产线基本工艺水泥生产线的具体工序为：原料开采破碎 预均化配料 粉磨并烘干料粉贮存均化 煅烧 熟料冷却破碎 熟料贮存均化 配料 粉磨水泥贮存均化装运(或混配搅拌)。水泥原料经过生料库，生料预均化仓，窑尾五级旋风预热器和窑外预分解炉进入窑体，经过煅烧，生产出熟料，然后经蓖冷却机冷却，最后熟料入库。新型干法水泥生产的基本工艺流程，即原料要经过采掘、破碎、磨细和混匀制成生料，生料经1450左右的高温烧成熟料，熟料再经破碎，与石膏或其他混合材一起磨细成为水泥。2.2窑头环节基本工艺窑头环节主要功能是对熟料的冷却，其中主要是经过篦冷机来进行冷却。熟料在皮带上经过篦冷机风机组时，由风机向上喷风进行冷却。熟料经冷却后进入熟料库。其中还有篦冷机弧形阀对熟料进行冷却、热回收和输送，和电除尘及离心引风机的辅助作用。篦冷机三段控制是对篦压篦速的调节。系统I/O点统计：在系统运行当中需要检测各组器件的温度、压力或电流和各电机的备妥、运行或驱动等。经过分析，该系统共有123个I/O点，其中模拟量输入154点，模拟量输出31个，数字量输入350点，数字量输出275点，所以该设计共用到四种模块，分别是AI810模块、AO810模块、DI810模块和DO810模块。由于AI/AO810模块都是8通道的，再考虑冗余端口，所以我们需要选择20个AI810模块、4个AO810模块；DI/DO有16通道，所以需要选择22个DI810模块和18个DO810模块。用表格表示变量数目如表1。表1 IO点统计 AI AO DI DO变量个数 154 31 350 275所需的模块数 20 4 22 18因本设计为仿真系统设计，所以无需AI/AO及DI/DO模块。而用仿真器来完成。2.3 DCS的简介DCS （Distribute Control System）集中管理分散控制系统，简称：集散控制系统。采用危险分散、控制分散、而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式，适应现代化的生产过程控制要求。DCS的基本组成为三点一线，一线为DCS骨架计算机网络，三点为面向过程的现场站（PS），面对DCS监管人员的工程师站（ES），面向操作人员的操作站（OS）.DCS系统的主要功能能够实现对电机、阀门等成套机电设备的开关量及模拟量控制,包括组内自动联锁或单机启停控制、分组联锁启动与停车、系统单机调试等功能；能够对过程控制数据进行采集和处理(包括开关量及模拟量)；能够动态显示工艺流程图画面及各画面之间的自由切换；并且打印显示实时曲线及历史曲线图、电气仪表图。2.4 DCS仿真简介1、在IE浏览器中的地址栏输入http:/localhost:8888 ,然后回车,如图2.1图2.1 仿真器网页画面2、在Station ID:一栏中输入组态软件CBF中仿真控制器的ID号，然后点击Start Controller按纽进入下面界面，如图2.2。 图2.2 点击start后界面3、点击GUI Window一栏里面的小点，进入仿真器界面，如图2.3。图2.3 仿真器界面 点击CONNECT按纽就可以见到上面的界面，其他的按纽跟真正的控制器效果相同。4、在你所选ABB项目中的硬件结构中，控制器部分你可以添加仿真器，如图2.4。图2.4 硬件结果添加仿真器界面 对于它的IP地址跟ID号与真正的控制器如何设置相同（习惯：IP地址设为本机地址），ID号为上面IE仿真器界面里面的ID号。5、 如果IE仿真器打开后显示的IP地址为，则是由于网卡没有接通与HUB的网线，可以将ABB项目中的硬件结构中的仿真器与VIS操作站的IP地址改为，下装即可使用。3总体设计方案3.1生成窑头项目启动Control Build F : StartProgramABB Industrial IT Control Build F，软件启动后首先显示版本信息，按 键进入到项目管理器，从项目管理器的Project菜单中选择 New,或按 新建 按钮。 在对话框中，输入文件名yaotou ，如图3.1。 图3.1 生成项目界面按 OK 键存储所输入大内容并关闭对话框，按 Configuration 进入组态方式。3.2生成项目树 在 菜单条上选择组态(Configuration)菜单项，出现项目树显示画面； 在项目级yaotou 上选择插入下一级生成组态级，再分别插入过程站资源、两个操作级资源及OPC网关站资源。如下图3.2所示。图3.2 生成项目数界面3.3过程站设计在PS1.USRTask插入窑头Task,在窑头Task下插入窑头和窑头配置程序列表，再分别在窑头和窑头配置程序表下插入各种程序如下图3.3所示。图3.3 过程站设计3.3.1单个电机组的设计（1） 单个电机运用IDF_1模块，电机的启停程序控制如图3.4所示。图3.4 单个电机程序设计图9中手自动Z1_AUTO为1时为自动，为0时为手动，当D6501STA置1时IDF模块导通，输出D6501RD、D6501RN及D6501DR置1,由于D6501DR为1 形成自锁，电机一直运行。当运行和驱动出现问题时FB0、FB1置0置1，则FEP、FRT输出1使D6501ALM置1，从而报警出现故障，电机停止。当D6501STP常闭打开时，电机停止。其中IDF_1属性设置如图3.5所示.在状态文本1、状态文本0中分别输入启动和停止，代表其导通下的状态。图3.5 IDF_1属性设置（2） 单个电机组设计图3.6 电机组程序设计1如图3.6所示，当备妥D6501RD和5702RD为1时SHLLJ_STA置1，当SHLKG置1时上升沿使SHL_STA置1，反之SHLKG置0时下降沿使SHL_STP置1。图3.7 电机组程序设计2当图3.7中SHL_STA置1时通过延时的不同使D6501STA和D5702STA置1，分别使电机D5702及D6501启动，同理SHL_STP置1使电机D5702及D6501关闭。由延时不同从而控制电机组的启停顺序。程序详见附录1。3.3.2 篦冷机弧形阀组的设计篦冷机弧形阀运用IDF_2模块，启停控制如图3.8所示。图3.8 单个篦冷机弧形阀程序设计原理如单向电机，组启动后当D57321STA1置1时IN1启动D57321RD、D57321DR1及D57321RN1置1启动，当D57321STA2置1时同理，故障如单向电机。IDF_2属性设置如图3.9所示。图3.9 IDF_2属性设置篦冷机弧形阀组启动如单向电机，先将所有备妥用逻辑与接于一变量，并将其与开关变量串接在一上升沿定时器，通过开关变量来控制其组开启，并通过组开启将各个弧形阀开启。其中按照一定顺序详见联锁控制。3.3.3 数据类型转换和量程转换从现场来的模拟量数据大多都是需要经过变送器变送来的，或是420mA或是010V的信号。本项目为仿真，而设计中信号为经由OPC站从数据库得来，再经过A/D转换，转换为整型数。而整型数据还不能直接在程序中进行应用，因为我们完成的控制在大多数情况下要跟实际的设定值进行比较、显示等功能处理，因此还必须将整型数转换为实型数。各I/O从站在进行A/D或是D/A转换时，均是以介于030840或08480之间的无符号整型（UINT）变量代表模拟量。而项目程序中用以监视、控制和处理此类模拟量的各变量均须为实数（REAL）类型，因此需要调用TO_RE功能块将UINT变量转换成REAL变量；同时调用SCAL功能块，将代表420mA或是010V信号的030840或028480转换为实际模拟量的量程。如图3.10所示，标号“A_5707I”代表篦冷机风机组电流值，它是篦冷机风机组中电机D5707处的电流值经变送转换为420mA电流信号。先将其用FBD块转换，转换为实型变量之后要与实际温度对应起来，再调用SCAL功能块将经A/D转换后的028480之间的数值对应为需要的量程电流0100A，这个过程在图3.11中进行设置。图3.10数据类型转换图3.11 量程转换3.3.4 模拟量数字量监控设计模拟量监控运用M_ANA模拟量监控模块，如下图3.12所示读变量I5707T01I代表篦冷机风机组中D5707风机轴承温度，M_5707T01模块设置如下图3.13所示，写变量H5707T01I为高位1报警，及M_ANA属性设置。图3.12 模拟量监控程序设计 图3.13 M_ANA属性设置数字量监控运用M_BIN模块监控，如图3.14所示读变量为电机D5707的备妥、启动、报警，模块设置， M_BIN属性设计如图3.15所示。图3.14数字量监控程序设计图3.15 M_BIN模块属性设计3.3.5模拟量趋势显示的设计此处运用趋势模块TREND,如图3.16所示分别在IN1到IN6加入要趋势显示的变量，如电机D5707到电机D5723温度显示。并在os1站建立趋势显示TR_D-OS，使其变量名与趋势模块变量名相一致，并在显示一栏填入相应信息，如下图3.17所示。图3.16 趋势模块设计图3.17 趋势TR_D-OS模块属性设计3.3.6联锁控制由于工艺要求电机启停的顺序需按一定顺序，其中熟料破碎机和输送电机就应先启动输送电机D5702再开动破碎机D6501,熟料先在皮带上输送才能打开破碎机，停止顺序则相反。而篦冷机风机组则无启停顺序，篦冷机弧形阀要顺序打开，第一个正转开始后接着反转关闭，接着第二第三依次类推到第十四个结束。电除尘机组则需先打开电机D5725,D57251、D57252及D57253随后开启，停止相反。篦冷机三段控制则需先开最后电机D57023在开中间电机D57022,后开电机D57021,关闭顺序则相反。3.3.7 PID控制(1) 篦冷机风机组阀门开度PID调节 利用连续调节块“C_CU”来实现的，该块的PV为实际的阀门开度值，输出端连接的是代表篦冷机风机阀门开度的AO变量，模拟量输出模块将所需开度传给阀门的伺服放大器，伺服放大器准确调节阀门开度。SP为设定值。如下图3.18所示。图3.18 篦冷机风机阀门开度PID程序设计（2） 篦冷机三段篦压篦速调节该环节同样利用连续调节块“C_CU”来实现的，该块的PV为篦冷机篦压的实际值，输出端连接的是代表篦冷机篦速的AO变量，模拟量输出模块将所需开度传给篦速的伺服放大器，伺服放大器准确调节阀门开度。SP为设定值。如下图3.19所示。图3.19篦压篦速PID调节程序设计3.3.8信号制造的程序设计（1） 备妥制造如下图3.20所示为电除尘备妥制造，当读变量DCHCHBTZZ为1时，通过定时器的延时使各备妥置1，达到备妥制造的目的。图3.20 备妥制造程序设计3.4 操作员站组态操作员站是最直观反映现场设备运行状况、最全面了解整个系统运行、全面综合指导局部问题处理的第一场所。而我的课题是培训仿真系统，故需要学员站和教官站。3.4.1教官站和学员站主界面图3.21 教官站主界面上图3.21为教官站，故有自造备妥按钮来制造电机启动时的备妥信号，还有故障按钮来制造故障来考察学员排除故障的能力。而学员站则没有备妥和故障制造。图3.22 学员站主界面3.4.2按钮的设计下面以熟料联机启动按钮为例，如下图3.23所示图3.23 熟料联机按钮程序设计图3.24 按钮具体模块属性设置1图3.25 按钮具体模块属性设置2变量处输入程序中所对应的开关变量，数值为TRUE在文本处分别输入熟料联机启动和熟料联机关闭，点击动作处出现如图3.24及图3.25，在动作类型处选择写变量，写入相应变量再电机操作，在固定值处写入1或0。点击确定完成按钮设计。3.4.3电机显示的设计以电机D5707为例，如下图3.26及图3.27所示。图3.26 电机显示程序设计图3.27 电机显示程序模块属性在位1、位2、位3处分别写入备妥、运行、警报变量，则在显示出会有不同颜色代表不同的电机状态，点击通用，再点击动作在动作类型处选择打开面板，在打开面板处选择对应电机D5707，点击确定完成。3.5硬件结构设计点击CBF软件的硬件结构，分别插入两个OS站和一个OPC网管站，再插入一个仿真器，资源指定分别指向OS1、0S2、OPC和PS1。完成后如图3.28所示。图3.28 硬件机构设计3.6网络配置设计点击任务栏上网络按钮，出现网络配置，使资源ID不同，将D_ES、D_OS、D_PS的IP设为一致。图3.29 网络配置设计3.7联机调试打开DIGIVIS,在IE浏览器中的地址栏输入http:/localhost:8888 ,然后回车,在Station ID:一栏中输入组态软件CBF中仿真控制器的ID号，然后点击Start Controller按纽，输入检查无误后电机联机调试按钮，分别加载PS1、OS1、OPC后进入仿真界面，点击画面显示的图形，选择教官站如下图3.30所示。图3.30 教官站仿真界面以篦冷机三段控制为例演示仿真情况，点击备妥和自动后，如下图3.31所示。图3.31 电机组备妥仿真界面黄色代表已在备妥状态，电机启动后如下图3.32所示。图3.32 电机组启动仿真界面第三个电机首先运行，颜色变为绿色，而后中间的变为绿色，最后第一个变成绿色。电机急停后如下图3.33所示。图3.33 电机组急停仿真界面电机回到备妥状态。电机组全部启动仿真如下图3.34所示。图3.34 仿真界面电机组全部启动教官站制造故障以篦冷机三段控制为例，点击故障后如图3.35所示。图3.35 故障显示中间电机显示为红色代表有故障。而电机图面显示中趋势选项，选中其中篦冷机风机温度显示1，如图3.36所示。图3.36 篦冷机风机温度趋势显示4结 论本系统的设计，以ABB的AC800F仿真器为基础，以配套软件CBF为控制策略开发平台，充分利用了当今先进的工业信息技术和自动化控制技术，完成了水泥生产线窑头环节的研究和设计。通过此次设计，我了解了一个具体工程的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。此次设计，使我受益匪浅。学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的分析问题，解决问题能力。通过该“水泥生产线DCS培训仿真系统-窑头环节”的设计，使我学会了，如何将所学知识应用到实际工程项目中来，如何将各门专业知识系统的综合联系起来。是对所学专业知识的一次巩固与提高。这次毕业设计大大扩充了我的知识面，使我认识到自己的知识结构中存在很多不足和缺陷。在大学学习的这几年，我比较欠缺独自完成能力的锻炼，学习的重点放在理论知识的学习上，对程序项目设计缺乏一个基本的理性认识。而在这次毕业设计中，我所面对的是一个具体的控制项目窑头环节培训仿真系统。我深深的知道这是一次非常难得的学习机会，所以重视它，在设计中不断的向老师和同学请教学习，很多的知识从不懂到懂，从知道到理解，在这工程中努力学习相关知识。在设计过程中通过大量查找资料，培养了收集和查询资料的能力。再次，这次毕业设计任务对于我的自信心的提高有很大的作用。而在毕业设计过程中，我自己对系统的硬件与软件进行设计，有不会的地方问老师，锻炼了自己的动手能力，并得到老师同学的认可。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力