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技術頻道

AB控制系統在水泥生產中的應用

摘 要:針對水泥生產過程,采用Allen-Brdley公司制造生產的ControlLogix5550系列PLC和與其配套的工控組態軟件,組成兩級DCS控制系統。該系統使用效果良好,功能穩定可靠。

關鍵詞:水泥; DCS;AB控制系統

0 引言

  自從美國的Honey Well公司于1975年成功地推出了世界上第一套集散型控制系統以來,經歷了20多年的時間,DCS不斷走向成熟并獲得了廣泛的應用,已成為現代工業生產過程監控的基本裝備,也是現代工業企業CIPS/CIMS的重要核心與基礎部分。DCS集計算機技術、過程控制技術、網絡通信技術于一身,采用危險分散、控制分散,而操作與管理集中設計思想,多層分級、合作自治的結構形式,極大程度上滿足了現代化生產和管理要求。本文利用某水泥廠對老生產線進行改造的時機,采用基于AB PLC的兩級 DCS控制系統,實現對生產過程的自動監控。改造后大大改善了原簡易控制系統在備件、維護、管理等諸方面的弊端,生產效率提高,產品質量穩定,取得了良好效果和經濟效益。[1]

1 生產流程及工藝要求

  生產水泥熟料采用的主要原料是石灰石、粘土和鐵粉,將這些原料按一定比例配合粉磨后,制成生料,然后,以煤為燃料用水泥回轉窯對生料連續加熱,使其經過一系列物理化學反應變成熟料。整個熟料生產過程可以分為以下四個階段:①干燥、預熱。生料經卸料、計量系統,再經氣力輸送和高效斗提機喂入五級旋風筒預熱器,由熱風進行干燥、加熱到一定溫度。②分解。經干燥預熱后的物料進入分解爐,從冷卻機抽來的熱風送入分解爐旋渦室,使物料進一步升溫,完成分解。③煅燒。經預熱器、分解爐后大體完成了碳酸鹽分解的物料進入水泥回轉窯進行煅燒。④冷卻。煅燒后的熟料進入窯頭蓖冷機系統進行熟料冷卻,再經盤式輸送機輸送到熟料儲庫。

  為保證窯系統的良好的燃料燃燒和熱傳遞條件,從而保證窯系統的最佳的穩定的熱工制度,工藝要求模擬量輸入(AI)165點,模擬量輸出(AO)32點,數字量輸入(DI)282點,數字量輸出(DO)163點。模擬量輸入信號包括設備調速、擋板開度、溫度、壓力、流量、電機功率、電機電流等信號的輸出給定;模擬量輸出信號包括設備調速、擋板開度等信號的輸出給定;數字量輸入信號包括備妥、設備運行、故障、各種限位開關、保護開關等發出的信號;數字量輸出信號包括各臺設備的驅動信號。[2]

2 控制系統組成

  考慮到水泥生產線自控系統開關量占I/O總量的75%以上,自動調節回路數占模擬量I/O的3%,因此,從經濟角度出發,自控系統采用基于PLC的兩級DCS控制系統,由下位機(PLC)和上位機(工控機)構成,系統結構圖如圖1所示。系統設備選用美國Allen-Brdley公司制造生產的ControlLogix5550系列產品,控制網絡為A-B ControlNet。過程控制級包括四個控制站:原料站、煤磨站、窯尾站和窯頭站,負責完成數據的采集和處理,并接受上位機指令對電磁閥、高低壓電機、交直流電機、喂煤計量稱等設備進行控制。過程管理級(操作站)由四臺工控機組成,完成生產工藝過程的監視、操作、控制,每個工控機之間由ETHERNET連接,形成局域網,并且每個工控機分別由KTC(A、B網)卡連接下位的PLC控制器,每個框架之間也通過KTC卡相連接,可按操作員指令信息,隨時將相關設備的狀態和運行數據通過激光打印機輸出,當參數超限時,顯示屏顯示報警信息,并通過聲音警示??刂凭W絡采用Allen-Brdley同軸專用網線、冗余的雙網星型結構,速率為5Mbps,網絡掃描時間設定為15ms,系統通訊通過ControlNet網絡實現下位機 PLC與上位機工作站之間的信息交換,網絡節點地址為18個。


圖1 控制系統結構圖

  從控制精度、I/O點數和掃描速度等方面考慮,下位機選用美國Allen-Brdley公司制造生產的ControlLogix5550系列PLC。鑒于水泥工業粉塵較大的特點,為保證 DCS系統電器動作的可靠性,DI/DO模板均采用220V AC類型。AI模板主要類型為:差分雙端4~20mA型、熱電阻(PT-100)型、熱電偶(mV)型、稱重(mV)模板4種類型。其中“稱重型” 模板為Allen-Brdley OEM產品(加拿大生產),用于煤粉稱重倉、原料均化稱重倉計量轉換(將mV/V信號變換為PLC系統接收的數字信號)。AO模板采用標準型,可組態為:4~20mA或1~5V及0~10V。窯頭及窯尾PLC組成分別見表3-1和3-2所示。

  表3-1 窯頭PLC組成

  表3-2 窯尾PLC組成

  上位機作為操作員終端監控站,用以實現集中監測、控制和管理的思想。上位工控機選用Pentium Ⅲ處理器、最小128M內存、八倍速SCSI光驅、最小9GB SCSI硬盤、30功能鍵鍵盤、3.5″軟驅、支持1024×768×65K色顯卡,并配置彩色漢化顯示屏及激光打印機。[3]

3 監控軟件

  控制系統硬件大多為Allen-Braley公司的產品,其配套開發軟件上位機用RSView 32軟件進行工作站界面設計,下位機用RSLogix5550編程軟件實現。另外,網絡管理用RSNetWorx軟件以及網絡通訊用RSLinx軟件來完成網絡之間的信息交換。

  3.1 PLC控制程序設計

  下位各站按操作順序及操作要求分成若干“組”,馬達的起停按組操作,組內設備按起動順序排列。系統聯鎖信號分為設備聯鎖、工藝聯鎖及起動聯鎖。窯尾窯中系統控制分組為12組,共控制電機23臺、電磁閥等閥門29個,窯頭系統控制分組為15組,共控制電機35臺、電磁閥2個。

  本控制系統的馬達控制采用“機旁優先”的方式,即在機旁設有帶鑰匙的轉換開關,轉換開關設有三個位置:機旁(L)、零位(O)、集中(C)。當轉換開關指向“L”時,在機旁可以進行開停操作,中控不能控制;轉換開關指向“C”時,由中控進行控制,機旁不能操作,但停車按鈕仍起作用,在集中方式下,遇到緊急情況,可按下停車按鈕,使設備停車,中控的操作臺上發出故障報警;當轉換開關處于零位時,馬達的二次回路斷開,不論是集中還是機旁都不能操作,以保障設備檢修時的安全。

  每臺馬達與控制系統的信號聯系一般有:

  備妥RD(DI):馬達已準備好允許系統起動;

  驅動DR(DO):系統在邏輯條件滿足的情況下,輸出信號驅動設備動作;

  應答RN(DI):設備運行后,控制接觸器的輔助觸點給系統以應答。

  為保證重要工藝參數穩定,利用PLC的PID功能指令,組成預熱器五級筒出口氣體溫度、蓖冷機蓖速等18個閉環控制回路,實現自動調節。

  下位機的控制程序用RSLogix 5550編程實現,按照單一功能的模塊化設計方法,編制各組控制程序。編程中,除使用順序指令以外,還使用了一些功能指令,來簡化程序設計,減少程序代碼的長度以提高工作速度。

  3.2 工控機軟件設計

  上位機應用軟件:計算機操作系統采用Windows 2000中文版。組態、編程軟件包括用于程序開發的RSLogix5000、用于ControlNet管理的RSNetWorx、用于網絡通訊的RSLinx、用于工作站畫面設計的RSView 32;其它工具軟件包括AutoCAD 2000、Excel、Word等。

  上位工作站開發的軟件程序包括:工作站各系統工藝畫面流程、狀態、操作方式;工藝、電氣參數的實時趨勢及歷史趨勢;工藝及電氣的故障實時報警;生產日報、事件報表、時報等。

  本系統工藝流程界面呈立體效果,界面背景顏色與設備顏色、參數顏色搭配。操作配以熱鍵、模擬按鈕、觸摸等多種方式進行。為防止誤操作而退出控制系統,采用登錄和退出登錄的方式,以Password賦予維護工程師,提高系統的安全性。操作員可按時間(數據保留10天)隨時調出工藝參數趨勢。[4]


圖2 系統概貌界面

  界面中設備的狀態顯示分為備妥、故障、運行3種,定義實體綠色為設備運行狀態,實體紅色為停機狀態,紅色、綠色交替閃爍為不備妥或故障狀態。各工藝參數(包括溫度、壓力、流量、料位、電流、電壓、功率、速度、閥位等)一般在工藝設備的測點附近,綠色為正常,黃色為警示,紅色為嚴重報警。各系統界面均加有緊急停車按鈕,在起動或停止設備時均有再次確認過程,組與組之間的聯鎖通過模擬按鈕燈的狀態明確指示,以確保操作安全、可靠。在監控界面設計中各種保護、報警信號均實時給予聲光警示,同時進入報警記錄,操作員按時間順序可隨時查閱各種報警參數,以便對設備的運行狀況給予決策。系統概貌界面如圖2所示。

4 結束語

  本文創新點:結合水泥生產的特點,采用AB PLC及配套的編程軟件RSLogix5000、RSView 組成經濟實用的監控系統,通過上位機(工控機)和下位機(PLC)之間的數據通訊,實現生產設備的邏輯控制,并對生產工藝流程進行自動監控。

  該監控系統設計合理、功能穩定可靠,改進了操作方式,使得操作簡便、直觀,利用AB控制系統,系統結構靈活、性價比高。投入運行使用后,運行狀況良好,達到預期控制要求,生產效率提高,取得了明顯優于傳統控制的良好效果,具有較高的推廣和應用價值。

參考文獻

  [1] 周澤魁.控制儀表與計算機控制裝置[M]. 北京:化學工業出版社,2002.

  [2] 王蕊等.水泥熟料煅燒過程自動監控設計與實現[J].微計算機信息,2007,23(01): 90,91,280.

  [3] Logix5550 Controller用戶手冊,Allen-Brdley公司,2002.

  [4] RSView用戶手冊(上、下冊),Allen-Brdley公司,2002


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