低成本集成計算機控制在水泥廠的應用
趙中泉 林鐘云
1 引言
　　隨著計算機技術、控制技術、通訊技術和CRT技術的迅猛發展，計算機控制系統在工業過程控制領域發揮了重要的作用，創造了不可忽視的經濟效益和社會效益。雖然電子產品的價格不斷下降，導致了以電子產品為基礎的計算機控制系統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企業尤其是中小規模工業企業的要求，如何降低工業過程計算機控制的成本，成了各行各業從事自動化控制的工程技術人員研究的新課題。本文根據我院多年從事水泥工業自動化設計的實踐、主要介紹低成本集成計算機控制在水泥工業中的應用。
2 水泥工廠的計算機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，經歷了儀表化分車間控制、操作人員監控生產過程的集中控制和生產過程的計算機控制等幾個階段。其中計算機控制逐步從數字直接模擬控制（DDAC或DAC）、直接數字控制（DDC）、發展到集散控制系統（DCS）。水泥工廠的計算機控制與其它工業系統的控制一樣，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，雖然層次清楚，功能齊全，但結構復雜，勢必導致系統成本增加，為了降低投資，在不喪失系統功能的情況下，應盡可能簡化系統結構，根據水泥廠的實際，一般只需二至三層即可滿足應用要求，其控制結構模式見圖1所示。
　　　圖1中，第一層直接控制層，可由多個相互獨立的子系統組成，直接與各類現場設備相連，主要完成各種數據采集和直接控制功能；第二層操作監視層，綜合監視整個工藝生產過程的全部信息，集中顯示操作、控制回路組態和參數修改等；第三層管理層，負責全廠的生產管理、信息管理和調度管理等，其中相鄰兩個層次之間可以通過網絡通訊實現雙向數據和信息交換。在水泥廠的控制中，第三層通常直接掛在第一、二層次的通訊網絡上完成全部管理功能。
　　　目前，國內大中型水泥廠的計算機控制通常采用集散型控制系統（DCS）來實現，其實質是利用計算機技術對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。雖然集散控制系統以其杰出的特點對廣大水泥企業有強大的吸引力，但其昂貴的硬件費用、軟件開發費和調度費（國外報價），令諸多水泥廠可望而不可及，即使應用軟件由國內自行編制，其硬件費用一般用戶也難以承受，從而限制了DCS系在水泥工業過程控制中的廣泛應用，所以降低DCS系統的硬件費用，是計算機控制系統在水泥廠推廣應用的前提。
3 低成本集成計算機控制實例
　　　我院作為專業水泥工業設計研究院，對水泥廠計算機控制的研究進行了積極的努力和有益的嘗試，在集成計算機控制系統降低成本方面取得了較成功的應用經驗。以下介紹3個應用實例。
3.1 浩良河水泥廠的DCS控制系統
　　　浩良河水泥廠是我院設計的國產化2000t/d水泥生產線，對這樣的大型水泥企業來說，自動化控制水平如何，直接關系到達產達標能否順利進行。經過詢價，如對主要生產車間采用DCS系統進行控制，僅硬件設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DCS系統對整個生產工藝進行控制是不可能的。為了節省投資，同時又確保了該廠的自動化控制水平處于國內領先地位，我院工程技術人員大膽地將PLC引進DCS系統，融二者為一體，集成了浩良河水泥廠的分布式計算機控制系統（見圖2），既發揮了DCS系統處理模擬信號和回路控制的優勢以及靈活的組態功能，又發揮了PLC強有力的處理開關信號的能力，在保證控制系統性能滿足要求的情況下，較大幅度地降低了系統投資。與國外報價相比，整個集成控制系統價格降低了20%~30%，為該廠節省了100多萬元人民幣。
　　　由圖可見，系統通訊網絡和PLC處理器均采用了冗余配置，提高了系統的可靠性。
　　　該系統1994年底進行現場調試、投運、獲得了成功并順利通過考核，1997年8月通過了部級驗收。實踐證明，DCS與PLC組成的集成控制系統是切實可行的。完全能適應2000t/d水泥廠的自動化控制，它不但保持了DCS系統的全部功能，而且降低了系統投資，是值得向大中型水泥廠的自動控制，它不但保持了DCS系統的全部功能，而且降低了系統投資，是值得向大中型水泥企業推薦的控制方案，這種集成控制系統結構已在巴基斯坦2條2000t/d水泥生產線上推廣應用，并獲得成功。
3.2 微機聯網控制系統在淮海水泥廠技改工程中的應用
　　　 淮海水泥廠3000t/d熟料水泥生產線是60年代從羅馬尼亞引進的，其自動化控制亦屬配套引進，采用繼電器一接觸器控制加儀表盤操作的模式，全系統技術裝備陳舊，可靠性差、故障多、維修不方便、功能少、控制不靈活、無法真實反映生產過程的變化。為使淮海水泥廠擺脫困境，在我院承擔該廠主生產線的技術改造項目的同時，面對技改資金嚴重不足的現狀，我們采用了圖3的微機兩級聯網控制系統對整個燒成系統的電氣自動化控制進行了全面改造。
　　　由圖3可見，微機聯網控制系統由上位機管理系統和下位機控制系統兩部分組成。上位機系統由兩臺COMPAQ主機，配置鍵盤、顯示器和兩臺打印機，兩臺主機通過NETWORK聯成網絡，互為熱備，共享信息，另設置一臺調度管理計算機，通過一對調制解調器（modem）與主機相聯；下位機系統采用德國西門子公司的SIMATIC S5-135U可編程序控制器，配有主機架、擴展機架、CPU模塊、接口模塊、自診斷模塊、通訊處理器模塊和I/O模塊；上下位機之間通過串行通訊實現雙向數據和信息交換。該微機聯網控制系統具有DCS系統的優點，但其價格僅為DCS系統價格的30%~50%，對資金短缺的淮海水泥廠技改工程來說，無疑是既經濟實惠，又相對先進的控制系統方案。該系統1991年9月到現場調試，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作用。微機聯網控制系統與NFC分解爐改造和篦冷機的改造共同通過了國家建材局組織的部級鑒定，并獲得部級科技進步二等獎和國家科技進步三等獎。
3.3 福建水泥股份公司水泥粉磨控制系統
　　　　福建水泥股份公司是一個有2臺立窯，3臺回轉窯，年產量100萬t以上的上市公司。近年來，公司通過技術改造和優化操作等措施，熟料產量逐年提高，原有水泥粉磨系統的粉磨能力已不能滿足實際需要，決定新建一條水泥粉磨系統以提高粉磨能力，我院承擔了該系統的設計任務。該公司原有生產車間電氣決定新建一條水泥粉磨系統以提高粉磨能力，我院承擔了該系統的設計任務。該公司原有生產車間電氣自動化均采用常規儀表繼電器控制，為了提高控制水平，公司委托我院設計新增粉磨系統時采用計算機控制。我院對水泥粉磨計算機控制系統進行了研究，考慮到該控制系統將成為全公司的示范，將來可能擴展為全線的控制系統網絡和信息管理網絡的子系統，本著安全、可靠、經濟、實用的原則，我們采用了圖4所示的由PLC、工業控制計算機和工控軟件組成的水泥粉磨集成計算機控制系統。
　　　　該系統中，2臺工控機采用研華公司的IPC610，PLV采用AB公司的PLC-5/30，工控機與PLC通過DH+通訊網絡連接，實現雙向數據傳輸。該系統的價格僅是某些具有同樣配置的小型DCS系統價格的一半，為公司節省了投資，尤其是將來系統擴展時更能節省大筆費用。該系統無疑是一種具有開放性、靈活性、擴展性的低成本集成計算機控制系統。
4 低成本集成計算機控制策略的幾點建議
　　　 低成本集成計算機控制對工業應用領域具有很強的吸引力，將低成本集成技術應用于生產實踐應考慮以下幾個方面：
(1) 系統集成時不能片面追求低價格，必須在保證系統性能的前提下，追求較高的性能價格比。
(2) 水泥廠的特點是模擬信號少，開關信號多，模擬信號主要用于顯示監視生產過程，控制回路少，順序控制和邏輯控制功能強，將DCS系統與PLC系統融為一體，發揮各自的優勢，是大中型水泥廠降低投資進行系統集成的優選方案。
(3) 由于PLC技術發展迅速，目前也具有很強的處理模擬信號的能力，以工業控制計算機和PLC為基礎集成的分散型控制系統，配以靈活的組態軟件，在價格和功能上均具有很強的競爭優勢，可以在中小型企業推廣應用。
(4) 充分考慮的可靠性，根據實際情況可局部采用冗余配置，或離線備份關鍵部件，不能以犧牲可靠性來換取低成本。
(5) 低成本集成計算機控制策略是一個全面性、長期策略。系統集成時要有全局和發展的觀念，考慮系統開放性、擴展性，為將來系統的擴展、升級和整個企業內部的全局聯網留有余地。即要有全局低成本和長遠低成本的觀念。
(6) 低成本控制策略應該是綜合投資低，系統集成考慮到與電氣自動化控制相關的其它設備的投資問題，例如現場控制站的數量及位置要考慮到節省電纜橋架及電纜的投資等。
(7) 集成系統要考慮系統的網絡通信功能、CPU的處理能力和存儲容量，選擇合適的通信價質和速度，要避免CPU能力及通信速度低等原因引起的控制滯后，數據和畫面刷新慢，甚至系統死機現象，導致系統能力下降。
(8) 系統操作維護方便，結構層次和功能清晰，軟件、硬件組態靈活。
5 結束語
　　　低成本集成計算機控制已逐漸被水泥工業的用戶們所認識和接受，我院在工程設計中，也取得了比較成功的應用經驗。實踐證明，低成本集成計算機控制系統完全能滿足水泥工廠生產過程的自動化控制，是值得向水泥企業特別是中小水泥廠和老廠技術改造推薦的控制策略。