水泥生料生产过程计算机监控系统设计与研究

武汉理工大学硕士学位论文题目：水泥生料生产过程计算机监控系统设计与研究Monitor&ControlComPuterSystemDesignandResearehinMaterialsofCementProductionProeess研究生姓名吴强学科专业名称控制理论与控制工程2006年5月武汉理工大学硕士学位论文摘要水泥企业要适应水泥市场日益激烈的竞争,除了不断提高水泥质量外,还应该加强生产管理自动化和设备安全监控的故障诊断。水泥生料的生产是整个水泥生产中的重要环节,它决定着水泥成品质量的好坏,所以对其监控方案的设计就显得尤为重要。本文针对水泥生料生产过程,设计开发了一套基于Porfibus一DP现场总线的分布式监控系统,实现水泥生料的输送、喂料、粉磨、选粉、收尘、入仓储存、计量输送等生产过程的实时监测和控制。在充分比较了多种监控方案的优缺点后,结合水泥生料生产的实际情况,决定采用工业控制机+PLC+现场总线的整体架构。在底层的信号检测层,采用交流变频器、软启动器等实现各传动点的调速和起动控制。通过现场总线通讯适配卡,将这些装置接入Porfibus一DP现场总线作为DP从站。现场的温度、压力等测量变送设备则通过RS485现场总线进行数据传输。中间控制层由一台S7.300PLC组成,它既是Porfibus一DP主站,又是MPI从站。它除了完成基本的逻辑控制功能外,更重要的是通过Porfibus一DP现场总线通讯来实现各从站之间的高度协调以及一些特殊的控制算法的实现。系统管理与监控层由一台研华的工控机组成,作为MPI主站,通过与57315·ZDP通讯来获取生产过程的数据,显示工艺流程、历史曲线、实时曲线、报等画面、生成数据库等,实现远程监控。水泥生料配料过程是一个复杂的过程,采用常规的控制方法难以达到满意的控制效果,所以须选择一种不依赖于对象数学模型的控制策略,设计一种新的控制器,能在线跟踪被控对象的动态特性,及时修正控制参数,实现人工智能控制。本文针对这一情况,根据原料的化学成分以及对熟料的要求,采用模糊控制技术,通过控制生料的总下料量和生料的配比,使水泥生料的质量和产量得到显著的提高。关键词:水泥生料,现场总线,可编程控制器,模糊控制ABSTRACTCemententeprrisestoadaPttoeomPetitivemarket,inadditiontoeontinuouslyimProvethequalityofeement,shouldalsostrengthenthemanagementofProduetionautomationandseeuritymonitoringequiPmentafilurediagnosis.MaterialsofCementandcementProduCtionasaWhole15exPeetedProduetionoftheimPortantlink,itdetemrinesthequalityofeementProductsgoodorbad,onthedesignofitsmonitoringProgrammeit15PartieularlyimPortant.InordertorealizethemonitornadocntrolduringthematerialofeementltransPortion,efeding,milling,PowderseParation,storage,weihgtingnadefeding,aeontrolsystembasedonProfibusDPwasdeveloPedofranewmaterialofeementProduetionPoreess.InauflleomParisonoftheadvantagesanddisadvnatagesofvariouseontrolPorgrammes,wemadedeeisiontoadoPtaIPC&PLC&fieldbusstureturetosolvetheocntrolProblemswhieheffieientlyresultedfromtheeomPlexityofthemanuafeturingflow,multiPlieityofequiPments,exeessivenessanddisPerseofFO.Intheloeate,ACtransdueersandsoftstartersofmrtheDPslavesbyfield一buseommunieationeardinthefieldtorealizethedriverandeontrol.DataofaetualtemPeratureandPressuremeasuredbydevieesweretrnasefrredwithRS485bus.A57300PLC,whiehactedasaDPmasterandMPIslave,ofmrthemiddleocntrollaye.rBesidesfinishingthebasielogiealufnetion,theimPortaneewasithamronizedtheWorkmaongtheseDPslavesviafieldbuscommuniaction.AADVANCHIPC,whiehactedasaMPImaste乙wasusedtodisPlayParameters,dealwithalamrinofmration,PrintrePortofmrsand50on.MixPorPortioninmaterialsofeementProduetion15aeomPlexProeess,theelassiealandmodenreontorltheoryeouldnotealeulateit.50ehooseamathematiealmodeloftheobjeet15notdePendentontheocntrolstrategy.50itwasneeessarytofindaneweontorltheorywhihchasnoneedofrexaetmathematiemodeltodesignaneweontrolle.rThedissertationadoPtedaufzzyPIDParametersel-fadaPtivealgorithmtotunethePIDParmaetersonlineaccordingtothedieffrentdemandofrPIDParametersatdieffrentresPonsePhases.AeeordingtotheehemiealeomPositionofrawmaterialsandthedemandsofelinker,usingufzzyeontrolteehnology,throuhgtheeontroloftheestimateandtheexPeetedtotalalloeationofrthethreeexPeetedtoeement,theexPeetedqualityandoutPutwillbesignifieantlyenhaneed.KeyWords:Materialofeement,field一bus,PLC,ufzzyeontrol武汉理工大学硕士学位论文目录第1章绪论……11.1概述……11.1.1课题的题目及来源……11.1.2研究的背景及意义……11.2国内外相关技术研究现状……21.2.1水泥生产过程控制的特点和发展……21..22分布式计算机监控系统(DCS)的发展及现状……41..23现场总线控制的发展趋势……81.3主要研究内容……13第2章系统总体架构设计……152.1水泥生产工艺流程与设备配置……巧2.1.1水泥生产工艺……巧2.1.2水泥生料生产工艺……162.1.3系统生产设备介绍……20.22总体架构设计和控制方案选择……24.22.1系统设计思想……24.2.22监控系统方案……26.23.3控制方案的优点……27第3章监控系统硬件设计……293.1现场信号检测层硬件设计……293.2中间控制层硬件设计……333.3系统管理与监控层硬件设计……36第4章监控系统软件设计……384.1水泥生料生产过程监控系统的软件环境……38.42PLC软件设计……39.42.1PLC编程软件……394.2.2PLC硬件组态...……,……40.4.23PLC程序的总体结构……41.43人机界面(HM)I设计……454.3.1人机界面(HM)I描述……454.3.2水泥生料生产过程计算机监控系统人机界面设计……48第5章模糊控制算法在生料配料系统中的仿真……535.1常规PID算法……545.1.1常规PID控制原理……545.1,2常规PID控制算法……55/武汉理工大学硕士学位论文月/﹃了,fQ了Q了,`11`.1`.1产b护6月zR︶口勺﹃勺︸、以﹃勺﹄勺677771/775.2九点控制算法5.2.1九点控制器…5.2.2九点控制原理.53模糊PDI算法5.3.1模糊PDI控制原理……5..22模糊PID算法在水泥生料配料控制中的运用.53系统仿真5.3.1仿真工具……5.3.2系统仿真模型的建立及仿真效果分析第6章总结与展望6.1全文总结…….62存在的问题及展望参考文献作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文……81致谢……82武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1概述1.1.1课题的题目及来源课题的题目:水泥生料生产过程计算机监控系统设计与研究课题来源:企业委托研究项目1.1.2研究的背景及意义水泥是极其重要的建筑和工程材料,它是建筑工业三大基本材料之一。随着国民经济的发展,水泥获得越来越广泛的应用,在国民经济中具有举足轻重的地位。在水泥生产中,生料的质量直接影响甚至决定着熟料质量的优劣,因此,合理而又稳定的生料成分是保证熟料质量和维持正常锻烧的前提。所以,为了获得合格的生料,必须加强对生料生产过程的质量控制。可以说,生料的质量控制,是水泥生产全过程中的一个十分重要的控制环节。在水泥生产过程中,计算机监控起着非常重要的作用,它能保证水泥生产的稳定可靠,消除人为因素对生产造成的不利影响;减少人力投入,降低人工成本,大大减轻工人劳动强度:控制质量,增加产量,降低能耗,提高劳动生产率。而且,现代新型水泥生产线工艺复杂,生产连续性强,只有通过先进的计算机控制系统准确地监控设备的运行状况,及时地调整工艺参数的扰动,才能促进水泥生产的稳定、协调和优化,保证整个系统的高效运转。同时,先进的水泥生产管理,也要求有可靠的计算机监控系统和完善的控制技术,以适应当前激烈的市场竞争的需要。因此,在水泥生料生产过程计算机监控系统的设计过程中,学习国外先进经验,消化吸收国内外己有的技术建立类似的国产生产线,对于企业提高产品产量和质量,增强企业在市场中的竞争力,具有现实的经济意义。/武汉理工大学硕士学位论文1.2国内外相关技术研究现状1.2.1水泥生产过程控制的特点和发展随着水泥工艺技术的改进,水泥工业生产控制水平得到逐步提高,由过去传统的控制方式逐步转变为现代的水泥生产线自动化。现代水泥工业自动化的核心是计算机控制技术。它是计算机记数、网络技术和传统的自动化技术相结合的产物Il]。1)水泥工业的发展(1)传统的调节仪表模拟控制该阶段如用“电耳”试图自动控制磨机的粉磨过程。(2)计算机对简单生产过程控制20世纪60年代计算机应用于水泥工业。该时期只是水泥生产线上的各个生产车间内部相对独立并且较为简单的生产过程控制,车间与车间之间联系相对较少。(3)数字指导下的模拟控制20世纪70年代即进入数字控制与模拟控制相结合的阶段,又称数字指导下的模拟控制(DDAC)阶段。70年代末、80年代初是以数字直接控制取代模拟控制的阶段,即DDC控制。(4)中央控制室集中操作控制80年代初,我国分别从日本、丹麦全套引进了新型干法水泥生产线,其生产控制要求设立中央控制室,把过去分散的车间控制集中到中央控制室进行集中操作与监督。(5)集散型控制80年代中期,基于分散控制、集中操作管理的集散型控制系统(DCS)在水泥厂中逐渐得到应用。该控制系统的推出克服了集中式计算机控制系统的灵活性受限制、故障影响面大、导线电缆费用高等缺点。用体积小、功能全、价格低的小型计算机,以集中管理,分散控制。武汉理工大学硕士学位论文(6)现场总线控制和智能控制90年代中后期,DCS系统的价格在下降,各种小型PCL在各种单机控制装置上被广泛采用,现场总线的问世,使微机在其价格成倍下降的同时,性能成倍地提高,这些都对水泥工业的自动化产生着巨大影响,并且发展了智能控制系统,该系统是将人工智能与常规集散控制系统紧密地结合在一起,并由硬件、软件两部分组成。该系统可使生料、熟料以及水泥质量可以实现在线预测、预报。2)现场总线控制系统与水泥工业自动化当前自动化的热点是现场总线。现场总线是一个计算机网络,是用于现场仪表或控制装置与控制室控制系统之间的一种全数字化、双向、多站的通信系统。它可以把来自不同厂商而遵循同一协议规范的现场仪表、传感器、执行器和其他自动化设备,通过现场总线网络连接成系统,实现综合自动化控制功能;同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型的全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场,由现场智能仪表本身来实现基本基本控制功能,如PID等。目前,现场总线控制系统在水泥生产线的过程中已经有了一些应用。例如在国内成功安装并运行在云南红塔滇西水泥项目,该项目采用以现场总线为基础的新型控制系统,现场总线采用PROF工BUS以标准,系统主通信网络采用标准TCPI/P协议以太网。该项目共配置6个ACSOOF控制器,每个控制器配4条PROFBIUS总线,其中一条总线配远程站,其余的则配RPOFIBUSAP总线现场仪表,如温度,压力,差压传感器等;雷达料位计、定量给料控制、变频器、电动执行机构及在线气体分析仪均采用PROFIBUS总线接口,并且所有设备能够与Dcs系统通信和组态。工0/模件主要应用于电气控制,也采用PRoFBIus总线.份远程I0/模件。随着现场总线技术不断发展和完善,信息技术与网络技术的普及,水泥工业将会有越来越多的项目采用现场总线控制系统。3)水泥生产的智能化控制现代化的水泥生产工艺设备单机容量大,生产连续性强,生产过程要求稳定性和协调性。因此水泥厂智能化计算机控制系统的实时监视与控制必不可少。智能控制系统是将人工智能与常规集散控制系统紧密地结合在一起,并由硬件、软件两部分组成zll。硬件包括现场控制站FCS及工程师站、操作员站、智能控制武汉理工大学硕士学位论文站。现场控制站FCS实现数据采集、常规控制和智能控制功能、直接和现场传感器、执行机构等相连,并采用先进的现场总线方式。工程师站用于系统组态;操作员站实现画面监控;智能控制站开发系统的全部控制功能并将其下放到基础控制站中,同时运行智能控制软件,为FCS提供参数优化和设定,给予操作工实时帮助、指导、预测、预报等。智能控制软件(模糊控制、神经元网络、专家系统、智能软件用户功能模块生成器)用于编制智能控制应用程序并生成用户功能模块嵌入到常规控制应用程序中,从而实现智能控制,同时又可作为上位参数设定和优化。例如神经模糊技术,建立产品工况和其最终质量的关系,就可以在产品还没有完全生产出来就估计出其质量,为及时调整生产工艺参数做出指导,在生产水泥的过程中,质量可以实现在线预测、预报。1.2.2分布式计算机监控系统(Ocs)的发展及现状人们往往将计算机数据采集系统和计算机控制系统统称为计算机控制系统。无论是哪种计算机控制系统,就其系统体系结构本身,都可分为集中控制系统(CCS)和分布控制系统(DCS)两种。集中控制系统的主要特点是由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对所有被控对象实施控制。其功能主要包括过程数据输入输出、对控制回路的闭环控制、实时数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史数据库的管理、历史数据处理与保存、人机界面的处理、报警与日志记录、报表以及系统本身的监督管理等。从1959年3月在美国德克萨斯州Txeac。炼油厂投入运行的第一套计算机控制系统,一直到七十年代中期以前,各个计算机控制系统均为这种集中式的体系结构。集中式控制系统的优点是结构简单、清晰、集中式的数据库很容易管理,并容易保证数据一致性。但其缺点也很多:(1)各种功能集中在一台计算机中,使得软件系统相当庞大,多功能、多任务的实现导致系统开销增大,计算机运行效率下降。(2)由于集中式系统需要庞大而复杂的软件体系,使得系统软件可靠性下降,现场运行时出现的故障许多是由于设计不良或存在缺陷的软件造成的。(3)系统的可扩展性差。(4)集中式的系统将所有的功能、所有的处理集中在一台计算机上,大大增加计算机失效或故障对整个系统造成的危害性,所有实时信息、闭环控制、历史数据和处理功能集于一身,一旦出现问题,造成的后果都是全局性的。武汉理工大学硕士学位论文显然,这种结构对计算机本身的要求极高。首先它必须有足够的处理能力和极高的可靠性,以保证功能的实现和系统的安全。集中系统的好处是系统的整体性、协调性好。中央计算机可以根据全面情况进行控制计算和判别,在控制方式、控制时机的选择上可以进行统一的调度和安排。但是,随着计算机应用的不断深入,系统功能越来越复杂,系统规模也越来越庞大,集中式控制系统己越来越无法满足应用需求了。鉴于集中式控制系统存在的种种问题,人们开始针对这些问题寻求解决方案,其中有几点思路是非常具有建设性的,事实上,这也成了日后DCS设计的基本原则:()l针对过程量的输入、输出及控制过于集中的问题,设想使用多台计算机分担过程量的输入、输出和控制等功能,各台计算机处于平等地位,在运行中互相之间不存在依赖关系。这样每台计一算机的失效只会影响到自己所处理的那一部分功能,不至于造成整个系统的失控。(2)用不同的计算机去实现不同的功能,使每台计算机的处理尽量单一化,以提高每台计算机的运行效率,而且单一化的处理在软件结构上容易做得简单,提高了软件的可靠性。(3)用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题,与计算机的内部总线相比,计算机网络具有设备相对简单、可靠、可扩一展性强、初期投资较小的特点,只要选型得当,一个网络的架构可以具有极大的伸缩性,从而使系统的规模可以在很大范围内实现扩充并不增加额外的费用。事实上,被控制过程本身具有层次性和可分割性,上述设想符合被控制过程自身的内在规律,因此在1975年由Hnoyewell公司率先推出基于上述设想的DCS后,很快地得到了广泛的承认和普遍的应用,其后有许多家公司如日本的横河、瑞士的ABB、德国的51emens、加拿大的Bailey等纷纷推出各自的DCS。DCS就是一种以分散的数据采集、控制和集中的监视管理为主要结构特征的计算机控制系统。经过短短的二十几年,目前DCS已成为计算机控制系统的主流产品。DCS分布式控制系统,是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的,为闭环系统。DCS一般要由四个基本部分组成,即系统网络、现场1/0控制站、操作员站和工程师站。在DCS中,现场1/0控制站、操作员站和工程师站都是由独立的计算机构成的,它们分别完成数据采集、控制监视、报警记录、系统组态、系统管理等功能,这些完成特定功能的计算机都被称为“节点',而所有这些节点武汉理工大学硕士学位论文又都通过系统网络连接在一起,成为一完整统一的系统。首先,是DCS的骨架—系统网络,它是DCS的基础和核心。网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性起着决定性的作用,它必须满足实时性的要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送。系统网络必须非常可靠,无论在任何情况下,网络通信都不能中断。为了满足系统扩充性的要求,系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。第二,是DCS的现场1/0和AD/控制站。其主要功能有三个:(1)将各现场发生的过程量(流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等)进行数字化。(2)将本站采集到的实时数据通过系统网络送到操作员站、工程师站及其它现场1/0控制站,以便实现全系统范围内的监督和控制,同时现场工/0/控制站还可接收由操作员站、工程师站下发的信息,以实现对现场的人工控制和对本站的参数设定。(3)在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。一般一套DCS中要设置多个现场工0/控制站,用以分担整个系统的I0/和控制功能。这样就可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效,提高系统可靠性。第三,DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面功能的网络节点。第四,是DCS的工程师站,它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。DCS自1975年问世以来,已经经历了二十多年的发展历程。在二十多年中,己经经历了多次重大改进和发展,系统结构和基本功能都己趋于稳定,产品也达到了成熟实用的程度。近年来,为了使DCS更加适应工业生产现场,新一代DCS系统还具有以下几个特点:(1)系统开放化开放是指它可以与其它控制系统或计算机系统相连进行信息交换。早期DCS一般都采用专用控制网络将自家的工作站或PCL等产品连接起来,在网络中不容许连接其它厂家的产品或不同型号的产品。新近推出的DCS系统大多采用了国际标准化组织开放系统互联(工50/051)标准模型,通讯规程遵循MAP/TOP协议,从而在局域网内可连接其它厂家的符合该标准的产品。大多数DCS还采用了直接容纳PC机的配置方案,使CP机及其上的软件均可在DCS系统上运行,武汉理工大学硕十学位论文并且通过工业级CP也可实行不同系统间的连接,打破了DCS系统以个别厂家自成一体的封闭局面。(2)采用通用工作站早期DCS系统的工作站(如工程师站、管理计算机、操作员站等)均采用各自的专用管制站,使软件系统及其管理都不能实行通用和标准化,造成开发周期长、调试工作量大、操作管理培训学习量大,可靠性不高等。近年来新推出的DCS系统大多采用通用工作站(如SNU工作站),有效地克服了上述弊端,提高了可靠性和工作效率。(3)超大型化和微型化早期DCS系统主要考虑完成厂级生产控制任务,如过程控制,批量控制等,一般不涉及管理任务;由于规模和价格等因素使其不适于中小型企业生产过程及设备的控制。近年来,随着技术的发展和广大用户的要求,许多厂家在DCS系统中加入适于企业管理的计算、计量、统计、规划、优化、调度等管理功能软件包及其工作站,使其成为融控制、调度和管理于一体的超大型管控一体化系统。(4)通讯介质多样化早期DCS系统的局域网络大多采用同轴电缆或双绞线,在传输速率、传输距离及抗干扰性能上均有一定的限制。近年来许多DCS都增加了光纤接口,使其可以采用光纤作为局域网通讯介质,其传输速率可高达10OMBPS以上,通讯距离上百公里,且抗于扰能力强。(5)DCS与PLC相互融合早期DCS系统以处理模拟量为主,而PLC则主要实行批量控制、顺序控制等。80年代DCS开始强化逻辑控制功能或直接接纳PLC于控制局域网内以实行批量控制和顺序控制;同时PCL亦向模拟控制领域和网络化方向迈进,其结果是相互渗透并融合于一体,都是DCS系统。武汉理工大学硕士学位论文(6)软件不断丰富随着DCS系统应用的广泛和深入以及世界范围内软件产业的高速发展,其成熟的软件功能模块越来越多,并不断趋于标准化、规范化,可靠性越来越高。主要表现在以下几个方面:操作系统一般都采用实时多任务视窗操作系统,可支持VB,VC、梯形图语言等;组态软件提供了各种常用功能软件及算法库;操作管理站上配有绘图软件、数据库管理软件、流程图显示及统计计量管理软件等;不断发展先进控制软件包,如自适应调节、智能控制等软件包,利用它们可实行非线性、多参数预估控制以及自整定、自适应、模糊等控制,使控制水平越来越高。(7)应用大屏幕显示技术目前,DCS系统的操作员站上己普遍采用大屏幕彩色显示器,图像准确、清晰、便于操作管理人员监视、分析和操作。总之,DCS至今己发展得相当成熟和实用,可满足工业生产过程所要求的稳定性、可靠性,针对不同的应用领域,可以有针对性地选择其成熟的DCS产品。1.2.3现场总线控制的发展趋势1)现场总线的提出现场总线是针对仪表和其它自动化设备所建立的数字化、双向和多支的通信系统。80年代开始,智能变送器和其它智能仪表的发展和广泛应用,使得有必要采用数字通信取代原有的4mA一20mA信号传递。许多厂商采用了专用的数字通信协议,如要将其产品接入其它厂商生产的系统,需要采用网关进行转换,这给使用和维护带来很多麻烦。美国仪表协会(siA)和国际电工委员会(EI)c早在1985年就认识到制定一个统一的现场总线标准的必要性,接着商定了IECS^P50现场总线通信规约。该规约采用4层模型结构,取0517层模型中的物理层、链路层和应用层,外加用户层。同时,法国推出FIP,德国推出Porfibus送交EIC审议。现场总线一出现,就引起了极大重视,用户和制造厂商都希望有一个统一的现场总线标准。由于国际标准EICsiA进展缓慢,完成日期一再推迟,各制造厂商基于自身的利益,现场总线产品开发出现了两个组织siP和WordlFIP。ISP成员主要包括FisherRosemount公司,西门子公司,Foxboro公司,ABB武汉理工大学硕士学位论文公司和横河公司等。WorldFlp成员主要包括Hone卿ell公司、ABB公司、Bailey公司等。这两个组织都开发了自己的现场总线产品,二者不能兼容。1994年9月,ISP和worldF正合并成立TFieldbusFoundation(FF,即现场总线协会)。FF是一个非盈利性的国际组织,这将有助于发展一个单一的、国际间的、可互操作的现场总线。其技术将是现存几个组织的某些规约的融合,即FF的技术将基于己有的EICSIA的物理层、数据链路层,siPRve3.0版本的应用层和用户层,结合SIP和WordlFPI的网络和系统管理层来组成。可互操作性则由设备描述语言来支持。其现场总线的体系结构如图1一1所示3l]。系统管理功能块}l设备描述语言DDL现场总线信息规范(FMS)网}}应用层}络}`~—~一丁一一一一曰管}厂一一一二二忿二厂一一门先廖歌藏图1一1现场总线体系结构由以上可以看出,现场总线不是简单的替代4mA~20mA信号传递,现场总线协议使得用户只要进行物理连接,就可用最优的方案将各种智能仪表和控制装置组成所需要的数字控制系统,而不必再为不同厂家的产品互连制作专用的网关或桥路,给用户带来很多方便。2)现场总线的优势现场总线不单单是一个通信标准,而是试图包含全部领域,作为一个过程控制的开放的、集成的测量控制系统。采用现场总线,具有许多优点:()l大大武汉理工大学硕士学位论文缩减了铺线费用。(2)简化了线路的安装与维护。(3)能传送多个过程变量,可以实现在线故障诊断及线路故障检测。(4)用数字信号取代4mA一20mA模拟信号,可提高系统精度,而且可把一些功能(如线性化、补偿校正、工程量转换、报警处理等)赋于现场仪表,提高了现场仪表的自主性和可靠性。(5)因现场总线是双向的,故可从控制室对现场仪表进行标定和调整。(6)现总线采用国际标准后,用户可以优选各仪表厂商的产品组成系统,而不必考虑总线接口是否匹配问题。计算机集成技术和现场总线的发展,将对DCS的结构产生重大影响。目前DCS的结构将受到上下肢解。上层工作站将与CMIS紧密结合。DCS将演变成CIMS的低层部分;在现场级,现场总线的应用将使传统的DCS刀0结构彻底改变。现场总线将对自控领域带来深刻影响,工业控制系统的体系结构将以统一的现场总线为纽带构成,即现场控制系统F(CS)将是21世纪的开放控制系统。3)当今主要几种现场总线技术目前较流行的现场总线主要有FF、Frofibus、助nwokrs、CAN、HART、WOrldFIP。(1)助nwokrs现场总线助nwokrs现场总线采用了150/051模型的全部七层通信协议,采用了面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通信速率从300hist/一1.SMbist/不等,直接通信距离可达2700m(78kbit/s,双绞线);支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质,并开发了相应的本质安全防爆产品,被誉为通用控制网络。功nwokrs技术所采用的助nTalk协议被封装在称之为Nuerno的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU,一个用于完成开放互连模型中第1层和第2层的功能,称为网络处理器,进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理,并负责网络通信控制,收发数据包等。第3个是应用处理器,执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区,以实现CPU之间的信息传递,并作为网络缓冲区和应用缓冲区。(2)FF现场总线基金会现场总线以150/051开放系统互连模型为基础,取其物理层、数据链武汉理工大学硕士学位论文路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要,定义了信息存取的统一规则,采用了设备描述语言规定了通用的功能块集。FF分低速Hl和高速HZ两种通信速率。Hl的传输速率为31.25kbist/,通信距离可达1900m(可加中继器延长),可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。HZ的传输速率为IM和2.SMbist/两种,其通信距离分别为75m0和SOOm。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射,协议符合EICI巧8一2标准,物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。(3)HART现场总线HART现场总线被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,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,得到了较快发展。HART规定了一系列命令,按命令方式工作。它有三类命令:第一类称为通用命令,这是所有设备都理解、执行的命令;第二类成为一般行为命令,所提供的功能可以在许多现场设备中实现,这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命令既可在基金会中开放使用,又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可以发现同时存在这三类命令。HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性,由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典,主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制,导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。严格地说,HART协议不能算作总线,只是提供了一种智能工业终端的通信协议和接口标准。但由于其具有相当大的开放性,并且是以智能终端为基础的技术标准,所以80年代以来得到了广泛应用。(4)WorldFIP现场总线WordFIP的特点是具有单一的总线,可用于过程控制及离散控制,而且没有任何网桥或网关;低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决;已有较完整的系列产品,不象FF目前只有低速部分Hl的产品;己准备与Iniemet、Extrnaet*nIrtanet互连网相连接。WorldFIP的战略措施是一方面保持其独立的产品地位,并先使自己成为欧洲标准,尽快推出产品,占领市场;另一方面也做好准武汉理工大学硕士学位论文备,一旦EIC标准得到通过,马上与EIC靠拢。这样两方面都已考虑到,可使自己立于不败之地。(5)CAN现场总线表1一1典型现场总线产品及特性对照表产产品特特现场总线产品品性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性CCCCCANNNLOn认brksss认brld凡PPPPoffibuSSSHARTTT即即应应用对对离散控制制所有方面面过程控制制过程控制制一次仪表表所有方面面象象象象象象象象象00051层次次1,2,7771~7771,2,7771,2,7771,2,7771,2,777系系统类类总线线网络络总线线总线线总线线总线线型型型型型型型型型介介质访访CSMA/CDDDCSMA/CDDD主从、令牌牌主从、令牌牌主从、令牌牌主从、令牌牌问问问问问问问问问错错误校校CRCCCCRCCCCRCCCCRCCCCRCCCCRCCC正正正正正正正正正通通信介介双绞线、、同轴电缆、、双纹线、、双绞线、、双绞线线双绞线、、质质质光纤纤电源线、光光光纤纤光纤纤纤光纤、红外外纤纤纤纤、无线线线线线发射射电电电电、红外线线线线线线寻寻址方方单点、多多广播播广播播单点、多点、、单点、多多单点、多点、、式式式点、广播播播播广播播点、广播播广播播传传输速速skbPs一一30()bPs2.SMbPsss9.6kbPs一一3uPdatessss/31.25kPSb率率率IMbPsss1.SMbPsssss12MbPsssss2.SMbPSSS传传输距距10kmmm.27kDDDDDI100m~IOkmmm3kmmm500m~1.gkmmm离离离离离离离离离网网络供供不是是是是是是是是是是不是是电电电电电电电电电优优先级级支持持支持持支持持支持持支持持支持持系系统控控命令令命令、状态态命令、状态态状态态命令、状态态命令、状态态制制武汉理工大学硕士学位论文CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连基础上的,不过,其模型结构只有3层,即只取051底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达IMbist/,直接传输距离最远可达10mk(skbit/)s。可挂接设备数量最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭的功能,以切断该节点的信息,支持点对点、一点对多点和全局广播式收/发数据。它采用总线仲裁技术,当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点可继续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发送,从而避免了总线冲突。(6)Profibus现场总线Porfibus现场总线由Porfibus一DP、Profibus.FMS和Profibus一PA组成。DP型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。FMS意为现场信息规范,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。Porfibus采用了051模型的物理层、数据链路层,由这两部分形成了其标准第1部分的子集。DP型隐去了第3~7层,而增加了直接数据连接拟合作为用户接口;FMS型则只隐去了第3~6层,采用了应用层,作为标准的第2部分;PA型的标准目前还处于制定过程中,其传输技术遵从于Hl标准,可实现总线供电与本质安全防爆。Porfibus的传输速率为9.6kbit/s~12Mbit/s,最大传输距离在12Mbit/s时为100m,1.SMbit/s时为40m0,可用中继器延长至10mk。其传输介质可以是双绞线和光缆l']。表1一1对上述几种现场总线产品及性能进行了介绍。1.3主要研究内容1)论文所做的主要工作有:(1)研究了分布式监控系统的结构体系。介绍了分布式控制系统的研究与发展,分析了当前的发展趋势,分析了广泛应用的DCS系统基本思想。(2)进行水泥生料生产过程计算机监控系统的总体结构设计,确定控制系统结构为PIC+PCL+Porfibus一DP现场总线方式。此控制系统功能分布明确,既武汉理工大学硕士学位论文体现了分布式控制系统“分散控制、集中管理”的思想,更体现了现场总线控制系统全数字通讯、高度开放性、互操作性、互换性的技术优势。(3)将Profibus一DP现场总线技术应用到控制现场底层设备与主控PLC的通讯,实现测控信息处理的现场化,大大减轻了主控制器的程序设计负担,减少控制电缆数量、提高系统的可维护性。(4)针对水泥生料生产线的工艺要求设计开发了基于Siemnes57一300PLc的控制软件和基于组态软件MCGS的人机界面软件。(5)将模糊控制算法应用到水泥生料配料系统中,大大改善了现场的实际控制效果,并建立模糊仿真模型,给出仿真结果。2)全文共分6章,各章主要内容如下:(1)第1章引言。首先介绍课题的来源、背景、意义以及国内外研究现状。接着引入现场总线的概念,接着介绍了当今主要几种有影响的现场总线技术各自的特点。(2)第2章系统总体架构设计与控制方案选择。通过分析现有常用于工业现场的控制系统的体系结构,以及现场总线技术与现有监控系统的融合方式,结合具体的工艺特点,最终确定控制系统的整体结构为PIC+PCL+Profibus一DP现场总线方式;最后详细介绍了水泥生料生产过程计算机监控系统的硬件设备选型情况。(3)第3章监控系统硬件设计。按照信号检测层、中间控制层、系统管理与监控层的体系结构详细介绍了各层的硬件设计。(4)第4章控制系统软件设计。首先介绍了软件的运行环境,然后详细介绍了水泥生料生产过程计算机监控系统中的PLC软件、人机界面软件等的设计编制思想,并给出相应的程序流程图。(5)第5章模糊控制算法在水泥生料配料系统中的仿真。首先介绍了常规PDI算法的缺点,然后引入模糊自整定PID算法,并详细介绍了如何将模糊自整定PID算法应用到水泥生料配料系统中,并给出仿真实验的结果。(6)第6章总结和展望。对全文进行总结,并指出了系统设计中存在的问题和今后进一步研究的方向。武汉理工大学硕士学位论文第2章系统总体架构设计2.1水泥生产工艺流程与设备配置2.1.1水泥生产工艺整个水泥生产工艺流程大致由原料烘千与破碎、生料制备、熟料缎烧及收尘、窑头冷却及煤粉制备、水泥制备和水泥包装五部分组成151。(1)原料烘千与破碎原料包括石灰石、粘土、铁粉、页岩。石灰石经过破碎送入石灰石予均化库,粘土、铁粉烘干后分别送入相应的原料库。(2)生料制备四种原料通过皮带进入生料磨,然后通过选粉机,合格的生料入生料均化库,不合格的返回生料磨。(3)熟料锻烧及收尘生料由均化库通过计量皮带秤到预热器,经由分解炉到达回转窑内进行锻烧。窑尾有增湿塔、电收尘等收尘设备。(4)窑头冷却及煤粉制备从回转窑内出来的高温熟料下到蓖冷机冷却,通过输送设备到熟料库。风扫煤磨磨出的煤粉供给窑头和窑尾分解炉用。(5)水泥制备和水泥包装熟料、矿渣、炉渣、激发剂、粉煤灰通过大皮带到分级机和打散机入熟料磨,然后通过选粉机,合格的水泥到成品库,不合格的水泥回熟料磨。水泥通过库底卸料装置到包装机,包装后运走。武汉理工大学硕士学位论文2.1.2水泥生料生产工艺水泥生料生产是将石灰石原料,粘土质原料与少量校正原料(铁粉)经破碎后,按一定比例配合、细磨,并配合为成分合适,质量均匀的生料过程。水泥生料生产过程整个系统由配料系统、粉磨系统和均化系统组成。按物料流向来说,生料成分中的石灰石、粘土经破碎机破碎后进入储存库,与铁粉和其他辅助原料按一定配比混合后由皮带输送机送入生料磨(生料成分中各组分所占比例由配料计算公式算出),在采用生料磨进行粉磨作业时,由于磨机利用了热风炉的热气流预热生料,因此不须经烘干机烘干后再粉磨,否则则需经烘干机烘干后再粉磨,出磨物料经斗式提升机输送到离心选粉机进行选粉,粗粉送回生料磨重新粉磨,细粉则通过螺旋输送机送到生料均化库进行生料均化。出磨的生料粉其化学成分总是难免有波动,因此生料应在均化库进行均化,均化后的生料再经斗式提升机进入窑中锻烧。整个水泥生料生产流程如图2一1所示16]。石土粉煤粘铁灰石`气一~一爪王遥出磨料物,已选粉机生田粉一区画粗粉选丛」一画画巫}图2一1水泥生料生产流程图(1)水泥生料原料的破碎与烘干生产水泥的原料,大部分都要经过预先破碎,因为从矿山开采来的石灰石、砂岩、石膏、混合材料以及煤等原、燃料块度均较大,给运输、存储及粉磨带武汉理工大学硕士学位论文来一定的困难。物料经过破碎后,其粒度减小,表面积增加,在一定程度上可提高烘干和粉磨的效率,给物料的正确配比和均匀喂料创造条件,提高磨机产量,降低电耗。破碎是用机械方法缩小物料粒度的过程。破碎物料主要有压碎、击碎、磨碎、劈碎四种方式。从矿山开采下来的石灰石需要经过破碎,粒度达到20一25mnl才能入磨。如果用一台破碎机就能达到入磨物料粒度要求,称为单级破碎或一段破碎,一段破碎可以采用规格较大的锤式破碎机或反击式破碎机。因为这两种破碎机的破碎比大,最高可达50以上。如果一段破碎达不到入磨粒度要求,就采用两台破碎机串联破碎,称为二级或两段破碎。利用热能,从物料中除去少量水分的过程称为烘千过程。在干法粉磨时,入磨物料平均水分宜控制在1一%2范围内,但天然物料水分一般都远超过这一范围,因此物料必须烘干,使其满足入磨要求。物料烘干的原理是:利用燃烧室产生的热气流(空气或烟气)作为干燥介质,干燥的介质将热量以对流的方式给物料,使物料水分蒸发,从物料中蒸发出来的水汽又扩散到干燥介质中被干燥介质带走。水泥厂采用的烘干方式有两种:一种是粉磨过程中同时进行烘干,即烘千兼粉磨的设备,另一种是采用单独的烘干设备。物料烘干后再进行入磨。在新建的干法水泥厂中,一般都采用烘干兼粉磨的烘干磨。采用烘干兼粉磨系统,可以简化工艺流程、节省设备和投资,还可以减少管理人员,由于减少了工艺环节,干料在运输和中间储存过程中扬尘机会也减少了。但是当原料水分超过某一限度,或原料某一组分很粘,给磨机喂料或烘干造成困难时,就必须采用单独的烘干设备。(2)水泥生料的配料根据水泥品种,原料的物理、化学性能及具体的生产条件,确定所用原料的配合比,称为生料的配料,简称配料。配料包括原料的选择、熟料组成设计与配料计算。配料是为了确定各原料的数量比例,以保证生产出符合要求的水泥熟料。合适的配料方案既是工艺设计的依据又是正常生产的保证。为了确定各种原料、燃料的消耗比例和优质、高产低消耗地生产水泥熟料,在水泥厂的设计和生产中,都必须进行配料计算。配料计算是水泥厂设计和水泥生产过程中的一个十分重要的环节。武汉理工大学硕士学位论文熟料组成确定以后,即可根据所用原料进行配料计算,求出符合熟料组成要求的原料配合比。配料计算的依据是物料平衡,即反应物的量应等于生成物的量。随着温度的升高,生料锻烧成熟料经历着:生料干燥蒸发物理水;粘土矿物分解放出结晶水;有机物质的分解挥发;碳酸盐分解放出二氧化碳;液相出现使熟料烧成。蒸发物理水以后,生料处于干燥状态。以干燥状态质量所表示的计算单位,称为干燥基准。干燥基准用于计算原料的配合比和干燥原料的化学成分。如果不考虑生产损失,则干燥原料的质量应等于生料的质量,即:干石灰石+干粘土+干铁粉二干生料。去掉烧失量(结晶水、二氧化碳与挥发物质等)后,生料处于灼烧状态。以灼烧状态质量所表示的计算单位,称为灼烧基准。灼烧基准用于计算灼烧原料的配合比和熟料的化学成分。如果不考虑生产损失,在采用基本上无灰粉掺入的气体或液体燃料时,则灼烧原料、灼烧生料与熟料三者的质量应相等,即:灼烧石灰石+灼烧粘土+灼烧铁粉二灼烧生料二熟料。如果不考虑生产损失,在采用有灰粉掺入的燃煤时,则灼烧生料与掺入熟料的煤灰之和应等于熟料的质量,即:灼烧生料+煤灰(掺入熟料的)二熟料。在实际生产中,由于总有生产损失,且飞灰的化学成分不可能等于生料成分,煤灰的掺入量也并不相同。因此在生产中应以熟料成份的差别进行统计分析,对配料方案进行校正。生料配料的计算方法有很多,有烧失量法、碳酸钙滴定法、尝试误差法、递减试凑法、代数法、图解法等。随着科学技术的发展,电子计算机配料在水泥厂中也得到普遍采用。配料计算能否收到效果,关键是在工厂己有的原料、设备和操作条件下,能否选择合理的熟料成分,由于熟料中各氧化物含量波动范围大,不易直观地判断与熟料质量和锻烧的关系,因此,往往采用各率值来表示。原料入磨之前,要确定其组分的数量比例。使入窑生料达到要求的化学成分,熟料达到要求的矿物组成。图2一2是在原料库底采用失重称与微机联网构成的原料库库底配料、喂料、计量系统。该系统中上料电振机与称重料斗由软接头相连,重力分离。下料电振机与称量料斗也由软接头连接,但其自重是和称量料斗整体由三只拉力传感器支撑的,由斗内料柱连接。工作时由上料电振武汉理工大学硕士学位论文机向称量料斗供料。自重达到给定的上限值时,自动停止上料,间隔一段时间后,下料电振机开始动作卸料,达到给定的下限值时停止卸料,如此反复动作。物料的流量是由料仓内失去的物料自重多少来确定(计量)的,因此叫失重秤。每完成一次上料,卸料为一个周期,它的时间的长短根据物料流量的大小和称量斗的大小来确定。困困困困困〕〕〕〕〕/带式输送图2一2原料库库底配料、喂料、计量系统(3)水泥生料的粉磨过程生料的粉磨作业是在外力作用下,通过冲击、挤压、研磨克服物料晶体内部各质点及品体之间的内聚力,使大块物料变成小块以致细粉的过程。生料磨得越细,使生料各组分在磨内越能均匀混合,越细其比表面积越大,使在窑内的生料各组分能彼此充分接触,熟料生成反应就充分和迅速。所以粉磨过程是水泥生产过程中很重要的一个步骤。破碎与烘干后的物料,通过配料过程和配料设备送至生料磨进行粉磨。在水泥生产中,粉磨电耗占总电耗的60%一70%。因此,提高粉磨效率至关重要。影响粉磨动力消耗和生产能力的主要因素为:物料的性质、被粉磨物料的粒度与产品细度、粉磨系统与设备性能。物料性质主要指其易磨性,即表示物料粉磨难易程度的性质,可通过实验室小型间歇磨试验测得。易磨性系数是一物料与标准物料易磨性的比值,可以标准砂为标准物料。入磨物料粒度是影响磨机产量能耗的重要因素。应使破碎物料与粉磨物料的总电耗最低,两者兼顾。粉磨系统的选择应该考虑入磨物料的性质、产品的细度、产量、电耗、投资以及是否便于操作与维护等因素。粉磨系统主要有开路和闭路两种。在粉磨武汉理工大学硕士学位论文过程中,当物料一次通过磨机后即为产品时,称为开路系统;当物料出磨后经过分级设备选出产品,粗料返回磨机内再磨,称为闭路系统。开路系统的优点是:流程简单,设备少,投资省,操作维护方便,但物料必须全部达到产品细度后才能出磨。因此,当要求产品细度较细时,己被磨细的物料会产生过粉碎现象,并在磨内形成缓冲垫层,妨碍粗料进一步磨细;有时甚至出现细粉包球现象,从而降低粉磨效率,产量低,电耗高。闭路系统与开路系统正好相反,闭路系统可以减少果粉碎现象,同时出磨物料经过输送和分级可散失一部分热量(主要对水泥粉磨),粗粉回磨时,可降低磨内温度有利于提高磨机产量并降低电耗。一般闭路系统比开路系统(同规格磨机)可提高产量20%一50%,降低电耗8十30%,视粉磨产品物料性质、产品细度和分级设备效率不同而异。产品细度还可以通过调节分级设备的方法来控制,比较方便。但是闭路系统流程较复杂,设备多,系统设备利用率稍低,投资较大,操作、维护、管理较复杂。(4)水泥生料的出磨物料选粉当水泥生料经过生料磨充分研磨出来后,经斗室提升机提升到(空气)选粉机、粗粉分离器等,进行选粉(粗粉、细粉分离),将粗粉送至生料磨重新进行粉磨,细粉经过螺旋输送机(或控制斜槽)送至生料储库(均化库)进行生料均化,做入窑锻烧的最后准备。(5)水泥生料的粉尘污染的防治磨机通风会带走大量的细粉,如果不做除尘处理会排放到大气中,造成物料的损失和环境的污染。防止粉尘污染是我国水泥工业当前保护环境的主要任务。因此粉磨系统常配备有除尘设备对磨机中排放的气体进行除尘处理。水泥工业的防尘可采取以下措施:简化工艺流程,减少尘源点;保持合理的排风量;降低含尘浓度;选用合适的收尘器和收尘系统。2.1.3系统生产设备介绍在采用新型干法生产水泥时,一些水泥企业采用的是四组分配料方法,即石灰石、粘土、铁粉和校正原料(砂岩)。所以,水泥生料配料率值控制工艺结构中主要由两大部份组成,一是机械部份,其中包括4个物料库,主传送皮带,武汉理工大学硕士学位论文4台电子皮带秤和4台电子振动料斗等;二是微机控制部分,其中包括工业控制器1台,4套压力传感放大器,4套测速传感器和4套变频放大驱动器,以及马达启、停强电控制等。1)水泥生料喂料设备在水泥生产过程中,生料配料的合格率是影响水泥锻烧质量的重要因素配料系统是实现生产过程控制和质量控制的关键环节之一同时,它也是实现生产过程自动化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段。因水泥行业常用的皮带秤的结构原因,调试、标定都较麻烦。且随皮带的松紧和物料的不均匀,皮带张力的变化很难控制,皮带张力调整不适当就无法投入现场使用。而且往往零点飘移较大,影响计量精度。斗式秤克服了皮带秤的一些缺点,且成本较低、维修方便。因此在水泥行业得到迅速的推广应用。本水泥生料喂料设备由4个喂料仓,电振给料机、称重秤斗、称重传感器,开关斗门电机组成。系统控制采用间歇式的静态称重原理,即每一循环周期完成下料、称重、放料、混合配料、再下料的过程。整个过程由计算机进行监控。2)水泥生料粉磨设备在粉磨过程中,提高粉磨系统的生产质量,降低单位产品电耗,降低研磨体及衬料消耗是粉磨系统的关键问题。随着新型干法水泥生产技术的发展,为了适应不同原料和工艺的要求,提高粉磨的效率,生料粉磨系统也得到了不断的改进和发展。选用粉磨流程和粉磨设备需要考虑的因素有:入磨物料的性质、粉磨产品的细度要求、生料粉磨系统的要求小时产量、粉磨电耗、废气余热利用的可能性、操作的可靠性和自动控制以及设备的耐磨性能、所选的生料粉磨设施应力求占地面积小,需要空间小和基建投资低。干法生料粉磨系统首先对含有水分的物料进行烘干,物料经过单独烘干设备后再入磨机。随着干法水泥技术的发展,特别是悬浮预热器和窑外分解窑的出现,为充分利用窑尾余热并简化生产工艺流程,出现了闭路烘干磨。烘干磨的物料烘干和粉磨过程在磨内同时进行,由于物料不断被粗碎、细碎、比表面积不断增大,烘干效果更好;尤其是磨内通入大量热风,及时将物料带出磨外,减少缓冲垫层作用,有利于提高粉磨效率。武汉理工大学硕士学位论文常见的生料烘干兼粉磨系统要有以下几种形式:(1)在机械空气选粉机内烘干的烘干一粉磨系统热气体不进入磨机,而是在机械空气选粉机内烘干原料,因此潮湿物料首先喂入机械空气选粉机进行烘干和分级。缺点是向空气选粉机喂粗料将加剧选粉机叶片的磨损。(2)在风扫磨内进行烘干兼粉磨在磨尾排风机的抽力作用下,热风进入磨内,已被粉磨的生料由通过磨内的热风带入粗粉分离器内分选,粗粉再次入磨,细粉由旋风收尘器收集。为了节约热耗,部分废气重新返回磨内循环使用,其余废气经收尘器净化后,排入大气中。此流程的优点是:热废气利用率高,流程简单,输送设备少,维修工作量小,设备利用率高,允许进磨物料水分较高。其缺点是:粉磨单位产品总电耗较高,不宜用于粉磨硬质难磨的物料。(3)尾卸提升循环烘千兼粉磨物料从磨头喂入,经烘干仓和粗磨仓后进细磨仓,物料由磨尾卸出,由提升机送至选粉机内进行选粉,粗粉由磨头喂料端重新入磨,细粉作为成品。来自窑系统的热废气或由热风炉的热气体从喂料端进入,烘干含水分的原料,出磨废气经收尘器净化后排入大气中。此系统的优点是:粉磨系统的压力损失小,总电耗比风扫磨低1%0,可处理难磨物料。(4)中卸提升循环烘干兼粉磨喂入磨内物料先在烘干仓内进行烘干,再进入粗磨仓进行初次粉碎。然后从磨机中部卸出,由提升机送入选粉机,选出合格细粉。粗粉中的少部分入磨头,大部分入磨尾细磨仓,部分入磨头的粗粉,可以起到加速物料流速,增强粉磨的作用,同时也匀衡了两仓的负荷。磨内的废气全部由磨机中部排出,这样通风阻力较小,不至于造成风料逆行。其缺点是:流程复杂,设备多,投资高,维修工作量大,运转率低。(5)银式磨系统馄式磨本身设有选粉装置(粗粉分离器),物料在回转的底盘与转子的馄子间受到挤压而被粉碎,从磨机低部进来的热风,由周围喷嘴喷出,及时将被粉武汉理工大学硕士学位论文碎的物料带到粉磨室上部的分离器内,粗粒被甩离气流后返回磨盘再进行磨细,细粉随气流到收尘器被收集下来。其缺点是:不能适应磨质硬度大的原料,否则磨馄,磨盘衬板磨损大,影响产质量。3)水泥生料输送设备在水泥生产过程中,各种物料须在工艺设备之间、设备与料库之间进行水平的或垂直的输送,使各系统主要设备之间及各车间之间相互连接起来,使之形成连续生产的工艺线。因此,输送设备是水泥工厂中使用较多的附属设备。()l块粒状物料的输送块粒状物料的输送设备有胶带式输送机、螺旋输送机、斗式提升机、链斗输送机和振动输送机。胶带输送机是一种输送量大,运转费用低、输送距离长、可靠、经济的运输设备,在水泥工厂中应用相当广泛。螺旋输送机适用于输送粉状物料及细颗粒物料,不适用于输送大颗粒的和磨琢性大的物料或夹带有硬质块料的物料。(2)粉状物料的输送粉状物料的输送可采用机械输送和气力输送。在输送距离和高度不大时,一般采用机械输送较为经济。只有在输送距离较大时,才可考虑选用压缩空气输送。机械输送粉状物料的设备有螺旋输送机、斗式提升机等。4)水泥生料除尘设备在新建、扩建和改建水泥厂时,在各生产系统的所有扬尘点都应采取除尘和防尘的措施,力求热力设备排出的废气和通风设备排出的废气能达到国家“水泥工业污染物排放标准”中的规定。除尘设备有很多种,如袋式除尘器、旋风除尘器、电除尘器等。(1)袋式除尘器袋式除尘器是一种高效率的除尘设备,它利用多孔纤维材料对含尘气体进行过滤,使粉尘与气体分离。(2)旋风除尘器旋风除尘器是应用较广的收尘器。它利用含尘气体沿切线方向进入旋风筒武汉理工大学硕士学位论文时所产生的离心力,使粉尘从气体中分离出来。旋风收尘器本身没有运动部件,结构简单,维护运转费用低。一般用做一级收尘,与袋式收尘器配合组成二级收尘。(3)电除尘器电除尘器是利用电场的作用使含尘气体中的粉末与气体分离。具有结构简单、投资省的特点,但只能处理含尘浓度低的气体。2.2总体架构设计和控制方案选择2.2.1系统设计思想针对水泥生料生产实际情况,本着经济、实用、先进的设计思想,控制系统要便于扩展和维护,便于与其他计算机联网,还应设有各种权限,以便于安全使用和管理。同时解决好先进与价格的关系,确保控制系统先进的同时,实现低成本自动化。目前国内外监控系统的主要形式有以下几种:1)一般的集散控制系统(DCS)集散控制系统(DCS)以其集中管理、集中操作与功能分散、危险分散的特点适应了工厂自动化的要求,在工控系统中应用较多。它由三大部分组成:分散过程控制装置、操作管理装置、通信系统。分散过程控制装置是DCS与生产过程之间的界面,生产过程的各种过程变量通过分散过程装置转化为操作监控数据,而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。在分散过程控制装置内,进行模数、数模转换,完成控制算法的各种运算。操作管理装置是操作人员与集散控制系统之间的界面。操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况,并通过它发出操作指令给生产过程vl]。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示,以便于操作人员的监视和操作。通信系统起沟通协调操作管理装置和分散过程控制装置的桥梁作用。DCS具有控制功能多样、操作简便、维护方便、可靠性高、便于与系统内部其它计算机互联等优点。但其主要缺点是不同厂家的DCS产品有着不同的通信方式,因此不同厂家的DCS之间以及与其上层网络之间难以实现互联和信息武汉理工大学硕士学位论文共享,从而形成所谓的“信息孤岛”。从这个角度讲DCS是不开放的。此外由于从现场到控制室信号电缆接线过多,造成资金投入量很大,且系统维护起来也很困难。2)基于工控机(IPC)的分布式控制系统基于PIC的分布式控制系统结构往往采用嵌入式结构特点,并结合Ethemet技术构成分布式网络,实现模块化和组合化。在硬件方面,许多工控硬件公司相继推出了符合PIC标准的各种控制模块,例如刀0卡、周D卡、DA/卡等。可以根据需要购买相应的模块插到PIC的扩展槽中,搭建起自己的工业控制系统,实现“即插即用”(plugandplay)。在软件方面,国际、国内有众多的基于pC机平台的工控软件,如nITouch人机接口软件包、儿n酬ew工控软件包、wniCC工控软件包等,这些成熟的工控软件极大地节省了工控应用软件的开发时间。利用PIC丰富的软硬件资源可组成各种控制装置、各种数据采集装置和计算机监控系统等。应该说PIC是分布式控制系统的理想平台之一,但是系统的可靠性不高,一旦PIC出现故障系统就陷入瘫痪,而且可维护性较差。3)基于PIC+PLC的分布式控制系统以PCL构成系统的控制站,PIC构成系统的操作站。过程的数据采集和过程控制都由PLC来完成,PIC完成数据显示、人机界面操作和对整个工艺、控制系统的管理,以及报表打印等,这种方式结合上述两种方案的优点。PLC原本用于代替继电器进行数字逻辑控制,但随着技术的发展,如今的P比己经具备模拟量控制、闭环PID控制、运动控制、数据处理、函数运算、通信连网等功能,其高度的可靠性和硬件组态的灵活性使它被广泛地应用于工业现场o'在这种结构的分布式控制系统中,PLC一般用于底层的数据采集和过程控制、运动控制,实现控制算法等功能,而上位机主要用于人机交互,实现数据显示、工艺流程显示、报警以及报表打印等功能8I]。由于底层的控制检测是通过PLc来完成的,而PCL在恶劣工业现场运行的稳定性是目前各种控制方式中最高的,因此这种方案的整体可靠性是最高的,系统整体稳定性最好,且系统在结构和功能上分层分布,是目前工业现场运用最多的结构。武汉理工大学硕士学位论文4)基于IPC+PLC+现场总线的分布式控制系统在这种方式中,一般是通过直接利用PCL的CPU上内置的现场总线接口或通过在PLC背板总线上安装现场总线通讯接口模块来扩展出现场总线,然后在上面挂接各种支持该现场总线的传感器、执行器、驱动装置、智能仪表等。上位机PIC仍然通过以太网或其它串行通信方式与PLc连接,实现人机交互功能。与传统的基于PCL+PIC的分布式控制系统相比,PCL的作用和地位发生了变化。在传统的基于PLC+IPC的分布式控制系统中,所有控制功能无论是基本的控制回路控制算法的运算,还是各回路之间的协调以及数据的采集都是通过PLC来完成的,其程序运行负担较重。引入现场总线以后,由于底层的传感器、执行器具备了一定的控制和数据处理能力,一些底层的控制功能就能由现场设备完成,PLC只需要负责完成协调功能和其它一些更高层的控制算法。当然如果需要,PLC也可以完成一些基本的控制功能。这种结构适合于UO点数多且分布分散、工艺比较复杂的工业控制过程,尤其是那些对各回路之间联系密切、协调性要求比较高以及有特殊控制要求的生产过程。它既适用于新建项目,也适用于改造项目,且硬件投资虽然比基于PIC的分布式系统要多,但相对于DCS来说也要便宜很多,具有较高的性价比。2.2.2监控系统方案在充分比较目前常用几种分布式控制系统的形式的优缺点后,结合水泥生料生产的工艺特点和现场的具体情况,决定整个系统采用多级分布式结构,控制方式为PIC+PCL+现场总线,系统的整体结构图如图2一3所示。系统共分为底层现场信号检测层、中间控制层和上层系统管理监控层。底层现场信号检测层是典型的现场总线控制层,由ACS600型交流变频器、仰170触摸屏、ETZooM型远程UO控制站、温度压力传感器与变送器和计量控制站组成。每台设备均以Porfibus一DP从站的形式接入Porfibus现场总线,每个从站都被分配一个唯一的DP从站地址。现场信号检测层主要完成现场数据的采集、现场仪表和执行机构的控制。中间控制层由57315一ZDP型PCL构成,它既是Profibus一DP主站,又是MPI从站。57315一ZDP通过插入CP340模块扩展出RS485总线,与现场层的多路温度巡检仪和荷重控制器通讯,实现磨机及风管等主要监控点温度的读取和生料仓荷重值的显示。系统管理与监控层由一台研华的PIC武汉理工大学硕士学位论文组成,通过在扩展槽中安装CP5611型MPI接口卡接入MPI网络,与57315一ZDP通讯。PIC通过与573巧一ZDP通讯通讯来获取生产工程的数据,显示工艺流程、历史曲线、实时曲线、报警画面、生成数据库等,实现远程监控。同时完成数据处理的任务,自动生成各种报表,在制定的时间打印输出,为管理人员了解总体生产状况,调整生产计划提供帮助。在现场调试时,可选择一台笔一记本电脑作为工程师站,通过MPI通讯适配器接入MPI网络,可以方便的完成现场的调试工作。图2一3系统总体框图2.3.3控制方案的优点与传统的控制方式相比,将现场总线技术应用于水泥生料生产过程后,其技术优势是明显的,主要体现在以下几个方面:(1)全数字通信提高了控制的精度采用现场总线后,所有测控信号数字化而省略了过去模拟量AD/,DA/转换的过程,信号抗干扰能力得到了增强,从而提高了检测、传输、控制的精度。如变频器速度给定信号通过总线通讯实现,减少了由于模拟信号给定信号通过电缆传输带来的干扰和误差。武汉理工大学硕士学位论文(2)节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力,并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室,用户随时可以查询设备的运行信息,诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除,缩短了维护停工时间,同时由于系统结构简化、连线简单而减少了维护工作量。(3)控制系统的开放性、可扩展性得到了进一步的提高由于采用的现场总线无专利要求,总线标准完全公开,不同制造商之间的产品可以互换,改变了过去DCS系统中只能采用原DCS厂商产品的局面。只要是遵循这个总线协议的硬件产品都可以采用。而且在系统将来的扩展上也非常容易,只需将遵循相应协议的产品挂接到总线上即可。(4)现场电缆、端子排数量大大减少,减少电缆投资费用由于现场总线采用全数字通信,将许多开关控制信号(如电机启动、正反转、故障复位、故障指示信号等,以往需要继电器控制来实现)、模拟数据信号在数据报文中实现,而通讯的连接只需要一对双绞线,大大减少了现场控制柜的端子排、信号电缆数量,使接线、查线和设备信号电缆维护的工作量大大减少。(5)系统的可维护性大大提高现场总线上的数字化设备能够发送多变量信息,全数字报文中除了包含常规的测控信息以外,还包含了现场设备的故障信息(如电机的过载、超温、过电流等故障信息),因此工程技术人员可以不用到现场设备旁就能进行设备故障的远程诊断。武汉理工大学硕士学位论文第3章监控系统硬件设计本监控系统按照现场信号检测层、中间控制层、系统管理与监控层的分层式结构分别详细的进行系统硬件设计。3.1现场信号检测层硬件设计1)温度变送器水泥生料在生料磨中进行粉磨的过程中,由于同时需要向磨中通入热气体对磨内含有水分的生料进行烘干,所以需要实时监测系统生料磨内的温度,对热气体的入量进行控制,以保证设备的正常运行及现场的本征安全。图3一1TH202一EX型温度变送器整个系统需要监测磨头轴瓦温度、磨尾轴瓦温度、收尘器出入口温度等4处的温度,采用的是ABB一Hartmann&Braun公司的TH202一EX型温度变送器19]。它具有测量范围广,可适应恶劣的工作环境等优点。供电电压为+24VDC,输出信号为4一20AnI,可测量Pt100/Pt1000/Ni100/Ni500等多种信号的热电阻和武汉理工大学硕士学位论文B,E,J,K,N,R,S,T型热电阻的温度。外形图如图3一1所示。2)触摸屏在现场操作台上配置一台SEIMENS公司的开170型触摸屏,用于现场组启、停控制。TP170的技术参数见表3一1所示0Il]。表3一1仰170技术参数表型型号号TP17000显显示示STN,CCFLLL分分辩率(象素)))320x24000显显示面积(WxH)mmmm116x87(5.7,,)))颜颜色色蓝色(4级灰度)))指指光管无故障工作时间(25℃)))50,《XX)小时(6年连续工作)))键键盘盘触摸(模拟/耐磨)))处处理器器32一BitRISC/66MHzzz存存储器组态态Flash256Kbyteee通通讯协议议MPI,Pmfibus一DPPP电电源源24VDCCC时时钟钟有有防防护等级级IP65I/P2000尺尺寸(mm)))212x15666前前面板尺寸(WxH)))198x142x4555安安装尺寸(WxHxD)))))功功能能可支持大约20页信息,20幅图画,100条条信信信息,按钮开关,棒图,固定文本及10000个个个左右变量。。组组态软件件ProTool/Ute,PorTool,ProTool川roV5.2223)温度巡检仪为了保证整个生料生产系统能够24小时正常运行,必须对其设备进行健康检测。对生料磨的磨头温度、磨尾温度、磨机定子的三相温度等主要温度参数的监测采用南平上润精密仪器有限公司的NWP一CLD一M型八路ELD温度巡检仪。武汉理工大学硕士学位论文画﹄画匝画巫区图3一ZNWP一CLD一M型多路温度巡检仪的面板布置N、VP一CLD一M多路仪表适合于需要同时对多组过程参量(二8)进行集中监测,超限报警,变送输出及远传的场合。在设计上吸纳了当今电脑结构思路:硬件上采用内带快