摘要:
1 引言
隨著計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和CRT技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，創(chuàng)造了不可忽視的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。雖然電子產(chǎn)品的價格不斷下降，導(dǎo)致了以電子產(chǎn)品為基礎(chǔ)的計算機(jī)控制系統(tǒng)的價格亦有較大輻度的降低，但是這種價格下降仍然不能滿足工業(yè)企業(yè)尤其是中小規(guī)模工業(yè)企業(yè)的要求，如何降低工業(yè)過程計算機(jī)控制的成本，成了各行各業(yè)從事自動化控制的工程技術(shù)人員研究的新課題。本文根據(jù)我院多年從事水泥工業(yè)自動化設(shè)計的實(shí)踐、主要介紹低成本集成計算機(jī)控制在水泥工業(yè)中的應(yīng)用。
2 水泥工廠的計算機(jī)控制及其低成本考慮
水泥工廠的自動化控制起始于40年代，經(jīng)歷了儀表化分車間控制、操作人員監(jiān)控生產(chǎn)過程的集中控制和生產(chǎn)過程的計算機(jī)控制等幾個階段。其中計算機(jī)控制逐步從數(shù)字直接模擬控制（DDAC或DAC）、直接數(shù)字控制（DDC）、發(fā)展到集散控制系統(tǒng)（DCS）。水泥工廠的計算機(jī)控制與其它工業(yè)系統(tǒng)的控制一樣，大多采用多層遞階控制策略，一般可由四至七層組成，這樣一個多層控制系統(tǒng)，雖然層次清楚，功能齊全，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勢必導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，為了降低投資，在不喪失系統(tǒng)功能的情況下，應(yīng)盡可能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)水泥廠的實(shí)際，一般只需二至三層即可滿足應(yīng)用要求，其控制結(jié)構(gòu)模式見圖1所示。
圖1中，第一層直接控制層，可由多個相互獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，直接與各類現(xiàn)場設(shè)備相連，主要完成各種數(shù)據(jù)采集和直接控制功能；第二層操作監(jiān)視層，綜合監(jiān)視整個工藝生產(chǎn)過程的全部信息，集中顯示操作、控制回路組態(tài)和參數(shù)修改等；第三層管理層，負(fù)責(zé)全廠的生產(chǎn)管理、信息管理和調(diào)度管理等，其中相鄰兩個層次之間可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)和信息交換。在水泥廠的控制中，第三層通常直接掛在第一、二層次的通訊網(wǎng)絡(luò)上完成全部管理功能。
目前，國內(nèi)大中型水泥廠的計算機(jī)控制通常采用集散型控制系統(tǒng)（DCS）來實(shí)現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)是利用計算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。雖然集散控制系統(tǒng)以其杰出的特點(diǎn)對廣大水泥企業(yè)有強(qiáng)大的吸引力，但其昂貴的硬件費(fèi)用、軟件開發(fā)費(fèi)和調(diào)度費(fèi)（國外報價），令諸多水泥廠可望而不可及，即使應(yīng)用軟件由國內(nèi)自行編制，其硬件費(fèi)用一般用戶也難以承受，從而限制了DCS系在水泥工業(yè)過程控制中的廣泛應(yīng)用，所以降低DCS系統(tǒng)的硬件費(fèi)用，是計算機(jī)控制系統(tǒng)在水泥廠推廣應(yīng)用的前提。
3 低成本集成計算機(jī)控制實(shí)例
我院作為專業(yè)水泥工業(yè)設(shè)計研究院，對水泥廠計算機(jī)控制的研究進(jìn)行了積極的努力和有益的嘗試，在集成計算機(jī)控制系統(tǒng)降低成本方面取得了較成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。以下介紹3個應(yīng)用實(shí)例。
3.1 浩良河水泥廠的DCS控制系統(tǒng)
浩良河水泥廠是我院設(shè)計的國產(chǎn)化2000t/d水泥生產(chǎn)線，對這樣的大型水泥企業(yè)來說，自動化控制水平如何，直接關(guān)系到達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)能否順利進(jìn)行。經(jīng)過詢價，如對主要生產(chǎn)車間采用DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制，僅硬件設(shè)備價格最低的國外供貨商也需60萬~70萬美元。由于該廠資金缺口比較大，全套引進(jìn)DCS系統(tǒng)對整個生產(chǎn)工藝進(jìn)行控制是不可能的。為了節(jié)省投資，同時又確保了該廠的自動化控制水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，我院工程技術(shù)人員大膽地將PLC引進(jìn)DCS系統(tǒng)，融二者為一體，集成了浩良河水泥廠的分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)（見圖2），既發(fā)揮了DCS系統(tǒng)處理模擬信號和回路控制的優(yōu)勢以及靈活的組態(tài)功能，又發(fā)揮了PLC強(qiáng)有力的處理開關(guān)信號的能力，在保證控制系統(tǒng)性能滿足要求的情況下，較大幅度地降低了系統(tǒng)投資。與國外報價相比，整個集成控制系統(tǒng)價格降低了20%~30%，為該廠節(jié)省了100多萬元人民幣。
由圖可見，系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)和PLC處理器均采用了冗余配置，提高了系統(tǒng)的可靠性。
該系統(tǒng)1994年底進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試、投運(yùn)、獲得了成功并順利通過考核，1997年8月通過了部級驗(yàn)收。實(shí)踐證明，DCS與PLC組成的集成控制系統(tǒng)是切實(shí)可行的。完全能適應(yīng)2000t/d水泥廠的自動化控制，它不但保持了DCS系統(tǒng)的全部功能，而且降低了系統(tǒng)投資，是值得向大中型水泥廠的自動控制，它不但保持了DCS系統(tǒng)的全部功能，而且降低了系統(tǒng)投資，是值得向大中型水泥企業(yè)推薦的控制方案，這種集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已在巴基斯坦2條2000t/d水泥生產(chǎn)線上推廣應(yīng)用，并獲得成功。
3.2 微機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)在淮海水泥廠技改工程中的應(yīng)用
淮海水泥廠3000t/d熟料水泥生產(chǎn)線是60年代從羅馬尼亞引進(jìn)的，其自動化控制亦屬配套引進(jìn)，采用繼電器一接觸器控制加儀表盤操作的模式，全系統(tǒng)技術(shù)裝備陳舊，可靠性差、故障多、維修不方便、功能少、控制不靈活、無法真實(shí)反映生產(chǎn)過程的變化。為使淮海水泥廠擺脫困境，在我院承擔(dān)該廠主生產(chǎn)線的技術(shù)改造項(xiàng)目的同時，面對技改資金嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀，我們采用了圖3的微機(jī)兩級聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)對整個燒成系統(tǒng)的電氣自動化控制進(jìn)行了全面改造。
由圖3可見，微機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)由上位機(jī)管理系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)兩部分組成。上位機(jī)系統(tǒng)由兩臺COMPAQ主機(jī)，配置鍵盤、顯示器和兩臺打印機(jī)，兩臺主機(jī)通過NETWORK聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，互為熱備，共享信息，另設(shè)置一臺調(diào)度管理計算機(jī)，通過一對調(diào)制解調(diào)器（modem）與主機(jī)相聯(lián)；下位機(jī)系統(tǒng)采用德國西門子公司的SIMATIC S5-135U可編程序控制器，配有主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、CPU模塊、接口模塊、自診斷模塊、通訊處理器模塊和I/O模塊；上下位機(jī)之間通過串行通訊實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)和信息交換。該微機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)具有DCS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但其價格僅為DCS系統(tǒng)價格的30%~50%，對資金短缺的淮海水泥廠技改工程來說，無疑是既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，又相對先進(jìn)的控制系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)1991年9月到現(xiàn)場調(diào)試，投入使用，獲得了良好的效果，為整個技改工程的成功完全起到了積極的促進(jìn)作用。微機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)與NFC分解爐改造和篦冷機(jī)的改造共同通過了國家建材局組織的部級鑒定，并獲得部級科技進(jìn)步二等獎和國家科技進(jìn)步三等獎。