在國家倡導“兩化融合”的大背景下，水泥發展必然也需要走出一條屬于自己的“生產-管理”智能一體化道路。中國水泥網將于6月15日（6月14日全天報到）在江蘇南京舉辦2013第六屆中國水泥信息化與自動化高峰論壇，會議將以“智能化管控”為主題，圍繞水泥行業電子商務拓展；多元化發展的信息化建設；自動化專家系統；自動化先進控制等重點問題展開探討。

　　現將中國水泥網高級顧問、自動化專家張衛民對自動化領域的最新發展趨勢及其在水泥行業的應用的判斷和觀點分享給諸位。

　　我國水泥工業和其他流程工業一樣，面臨著市場和能源，清潔生產和環境保護，高效和規范，負責和協調的挑戰。節能、環保、安全、高效是每一水泥集團必須要面對的課題，而自動化技術和這四大目標又是緊密相連，本文將就當今自動化領域內和水泥行業有關的最新發展趨勢做一簡述，以便為我國水泥工業發展，搭建更為廣闊的交流和溝通的平臺。

　　一．信息技術推動自動化

　　以信息技術改造水泥行業，以信息化推進自動化，自動化再促使節能、環保、安全、高效四大目標的實現，已成為業界的共識。

　　國內一些大水泥集團諸如中國建材、中國中材、海螺水泥、山水、冀東、華新、華潤、金隅、亞泰、臺泥等，在當前競爭不斷加劇的壓力下，也緊跟這股信息化的潮流，推進自動化的發展，這些集團在現有的水泥生產線已經應用數字化控制系統（DCS/PLC)配置同時，在過程控制級（PCS）的上端，還增加了制造執行系統（MES ）層，并正在策劃和運作ERP，即企業資源規劃和管理層。MES是企業管控銜接的核心環節，是管理信息系統和生產過程控制系統的紐帶， 制造執行系統包括有生產管理系統、質量控制系統、采購管理系統、倉庫管理系統、銷售子系統、設備管理系統、財務管理系統、能源管理系統、環保檢測系統、安全管理系統、辦公自動化管理系統和綜合管理子系統等，通過這些子系統逐步實現“管控一體化”。

　　當今在水泥市場供大于求，產能過剩，競爭激烈的形勢下，某些大水泥集團由于初步實現了MES的運營，其集團化管理的控制力和執行力明顯提高，精細化運行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，實現了綜合效益的大幅增長。筆者認為水泥生產是連續性很強的流程工業，其生產實時性，季節性強，品種又較單一，生產中干擾因素多，它基本不以訂單來計劃生產，故一些專業軟件公司開發的MES軟件往往不能完全適應水泥行業，水泥集團大多是自己在開發MES，集團之間信息透明度還不夠，正在運營的MES，應該還是初期的，同時要把生產調度和企業領導的決策統一成為真正的企業管理級（ERP）還需要進一步開發，主要問題是企業對工業控制系統、部分管理系統如財務、銷售等較為重視，通常對生產環節的管理信息化重視不夠，未能實現綜合的業績指標。

　　國外一些大的建材企業研究應用MES已取得了一定的成效，如海德堡集團，該公司通過采集生產流程數據以及有關原材料，資源和半成品和成品等相關數據，追蹤流程績效、成本結構以及對環境的影響，再確定關鍵的績效指標，又返回來通過過程自動化來指導生產，而一些自動化公司則推出了MES的執行方案，將流程行業企業的目標更加高效地在生產層中得到執行，如Honeywell公司在石化、電力領域內應用的Business FLEX，PKS 等。

　　二．自動化技術的互補與滲透

　　DCS、PLC、IPC是自動控制領域的三大支柱，它們之間競爭激烈，但又取長補短和相互滲透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統HCS，某咨詢集團把其稱之為PAC。水泥行業作為較典型的流程工業決定了其開關量邏輯控制的主導地位，同時模擬量的處理多為簡單的顯示和給定，控制回路基本上為并不復雜的單回路調節，這些特點適合于HCS的應用。目前市場以PLC為主導地位的ABB、Siemens、Schneider、Rockwell等公司紛紛推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統HCS，如Siemens的PCS7，ABB的800xA、800F，800M，Schneider的Modicon Quantum，Rockwell的ControlLogix等，已作為主導產品在水泥行業推廣，并已取得不俗的業績。

　　混合系統HCS的主要特點是：構建一個公共的、集成的開發環境，提供通用開發平臺、共用標簽和單一數據庫，以滿足多領域自動化系統設計和集成的需要；

　　同時它采用了可自由組合的模塊化的硬件架構，減少系統升級帶來的開銷。它支持IEC61158等現場總線國際標準以實現高度分散的自動化環境，也支持事實上的工業以太網標準，可方便地和上一級的ERP、MIS、MES集成。 水泥行業用得較多的ABB的800xA、800F系統，能與與ERP連接，ABB還針對水泥，礦產部推出了KM系統(knowledge manage)，它主要是生產報表系統再加上化驗室系統，據悉華新集團正在應用KM系統，ABB與國外經典ERP廠商SAP有合作關系，但由于SAP價格過于昂貴，目前國內沒有應用，國內各大水泥集團，如能進一步改善開發環境，不斷積累實踐經驗，研發專家系統，可實現集團的MIS和MES更完整的集成，最終達到以“管控一體化”為目標的ERP。[Page]

　　三. 自動化系統更注重功能和信息安全

　　安全生產越來越引起人們的關注，人的生命高于一切，已成為衡量現代工業的重要指標，對于安全事故多發的我國，意義更為重要。自動化控制系統主要考慮的安全有：電氣安全、防爆安全、信息安全和功能安全。信息安全是指由于信息泄密、黑客入侵等系統的安全性；功能安全是指控制系統所執行的安全功能失效引起的可能危險。目前已相繼出臺的國際標準有IEC61508-電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全標準，IEC61511-關于過程工業領域安全儀表系統的功能安全標準，一般以整體安全等級SIL來評估風險程度，共有4級，安全等級SIL越高，風險就越低。

　　水泥行業已大多采用新型水泥干法工藝，它是連續性很強的工藝過程，并已實現了計算機系統的順序和連鎖控制，筆者認為新型干法工藝其安全等級是較高的。要進一步提高整體安全等級必須增強故障診斷環節；人機操作界面要便于故障的監測；對生產規模越大的生產線，如日產萬噸熟料的生產線系統配置要提高冗余度，另外信息安全也必須高度關注，要特別增強煤磨車間的防爆安全等級，對于設置低溫余熱發電的企業，整體安全等級SIL要高于一般企業。

　　在自動化領域內現今紛紛出臺了相應的標準產品，如Siemens的故障安全容錯S7F/FH系統，Rockwell的Gruard  PLC等，有的公司則配置專用的安全模塊和相應的組態軟件，并由被動的維護、診斷發展到預防性安全措施，與此相適應還出臺了許多安全協議，如PROFIsafe、CIPsafety等。

　　四. 控制系統由集中向分散化發展

　　智能化分布式I/O是將某一部分I/O組成一個有自治能力的節點，其本身帶有處理器，獨立完成某一部分的控制。由于組合在一個框架內，它可直接安裝在現場，甚至空間十分有限的地方，但它同時又可鏈接到中央計算機，從而將控制系統從傳統的三層結構簡化為二層結構。許多有名的PLC廠商大都推出了分布式I/O，如Siemens的ET200系列，Rockwell的Flex ArmorI/O， Wago的WAGO-SPEED WAY 767等高速智能I/O。

　　智能化分布式I/O將使水泥生產線的系統配置可更趨扁平化，原設置的遠程I/O場合，如礦山、預配料站等可用智能化分布式I/O替代，以節省I/O安裝電纜和控制系統整體的開銷。

　　五. 無線通訊技術進一步滲透控制領域和無線變送器的應用

　　無線通訊技術作為有線控制系統的補充，正方興未艾地用于工業自動化系統中，也是工業自動化產品一個新增長點，運行于2.4GHz 1SM波段的跳頻擴頻（FHSS）無線傳輸技術具有優良的抗干擾性和高可靠性，無線局域網和無線網狀網絡擴大了無線傳輸的覆蓋范圍。無線通訊的數據安全性是人們所關心的，但可以通過加安全密碼和加密密碼等一系列措施來確保數據的安全傳輸。目前如霍尼威爾，艾默生，ABB等有許多無線變送器和相應無線控制系統配套產品，無線控制技術的標準也正在制定和統一，如無線溫度壓力變送器，無線雷達液位計等，無線標準有HART基金會推出的HART無線通訊新協議ISA100和WIA-PA等。

　　無線通訊技術現在汽車、石化、水處理等行業有較多應用，在水泥行業，有的大集團局部輔助流程也采用了無線技術，如冀東水泥集團在循環水泵站已采用了無線控制，浙江有些水泥廠采用無線控制裝卸散裝水泥船等，考慮到有些水泥廠占有的物理空間很大，有些工藝測量的位置難于安裝，而有些工藝測量點環境十分惡劣，用傳統的硬連線安裝器件成本又過高，如果改用無線變送器能夠節約能源，減少配線和維護費用。

　　六. 人機界面更趨人性化

　　人機界面已全系列化，包括手持式、面板式、臺式和PC機式。今后的人機界面已不僅僅局限于SCADA以及編程、監控和診斷等，在工業自動化領域，人機界面可以為操作和管理人員提供越來越多的信息，功能強大的模塊化軟件和多客戶機/服務器結構，使人機界面成為企業實時生產信息以及商務垂直集成的統一的軟件平臺，它也是連通到外部世界的媒介。通過驅動器或OPC來驅動各種I/O模塊，總之人機界面已演變為一個完整的系統。國內某水泥集團MES的運營，集團化管理的控制主要依靠是多種人機界面，通過OPC實現了集團內各個水泥生產線之間的信息交換，也實現了主控系統和各子控制系統的互連，如生料質量控制系統等。[Page]

　　七．中子式活化分析儀

　　由于X射線熒光分析儀組成的生料質量控制系統并不能做到真正的“在線”實時分析，為進一步穩定生料質量，減少或取消原料中間儲存的環節，簡化流程，國內一些水泥廠采用了前饋控制用于質量控制，即用γ射線分析儀對運行中的皮帶機上的物料進行實時分析，根據分析結果進行各種計算，最終在線給出各種原料配比，控制各種原料的喂料量，以保證實際控制的各項質量參數跟蹤設定值。美國熱電公司開發的跨帶式CBX的中子式活化分析儀，可以在線調節配料，減少了原料的成分波動， 使得工藝的波動降到最低.，同時對原料的分析以及控制是實時的高頻的工藝過程控制，使得原料的配料均化效果達到最佳結果. 用它可以降低或省去預均化堆場的投資，下圖是云浮天山項目的一個具體案例。它還可將分析結果反饋到礦山開采運輸上，實施開采的質量控制，做到合理開采，有效保護礦山的資源。

　　八. 變頻器性能更加擴展

　　變頻器的應用領域已從常規的風機、泵類等拓展到輸送、喂料機械等，在行業應用面上也越來越廣，因而其功能也進一步提升并多樣化，一方面是全數字化、功能齊全、能夠補償負荷變化的自適應、調諧技術，特別是分布式具有通信、聯網功能和集成PLC的高端變頻器。另一方面是簡易或專用的變頻器以及機電一體化的變頻器。就開展控制技術而言，DTC直接轉矩控制、無傳感器矢量控制是發展方向，目前速度響應約為2ms，電流響應能達到 0.1到0.5ms。速度調節的發展趨勢是提高速度的控制精度，一般在閉環時，對應于全范圍，調速比為1:100或更高時，速度控制精度高達0.05%。另外變頻器性能在低速時的過載能力，穩定的、四象限運行能力以及一機驅動多臺電機的負荷平衡等方面也有所增強。

　　在水泥行業為實施節能降耗，在風機、泵類、輸送設備、喂料機械等已廣泛應用，如何在低速時經受較大的過載轉矩，降低對電力系統的干擾，提高中壓變頻器的性價比是對制造商提出的課題。現在各大水泥集團大多采用國產中壓變頻器作為中壓變頻器的首選方案，由于性價比較高，目前已在對國外的EPC項目中普遍采用。

　　九.看火工業電視和窯內紅外測溫系統合二為一新型的自動化裝置

　　由于比色測溫效果并不理想，現在市場有引進的測燒成帶溫度的紅外高溫計和看火工業電視合二為一新型的自動化裝置問世，看火工業電視顯示包括燒成帶溫度在內的各點溫度，節省了為比色高溫計設置的冷卻和清掃裝置，同時監控更為直觀，主要用于不間斷地實時檢測水泥窯內煅燒情況，并和DCS系統通信。它不是最新技術，但隨著通訊技術的進步，實時檢測更有效，對窯系統的優化控制起到積極作用美國的SYN-FAB公司在國內鋼鐵行業已廣泛應用，在水泥行業也開始采用。

　　十．電能管理系統

　　電能管理系統應該是MES一子系統，水泥企業是能源大戶，以噸水泥電耗90千瓦時測算，電力成本占成品比例高達20%，降低電費成本對于經濟生產和節能減排都具有重要意義，本文單列為一節。目前大部分水泥廠均已經建立了能源管理機制，但電能的計量還是以人工抄表為主，對于現代化的企業管理已經相對十分滯后。

　　采用電能管理系統，準確、快速、經濟的獲得用電回路的各類數據是進行用電分析、負荷管理、表計運行狀況監測、電費自動結算的基礎。同時也是提高企業經濟效益的有效手段。

　　十一．結論

　　隨著國家宏觀經濟方針的戰略性改革調整，水泥產能過剩，水泥工業發展將不如過去，但IT，通訊技術，傳感器技術將會以更快速度發展，也一定會推動中國水泥工業自動化水平更進一步發展和提高，以盡快實現節能、環保、安全、高效這四大目標，同時由于EPC項目將在未來幾年中占據主導地位，我們將推動世界水泥工業自動化的發展和提高。