1　現狀  

　　近十幾年來，隨著計算機技術的迅猛發展，PLC的功能和結構不斷改進，應用范圍從原來的邏輯控制發展到連續和分批量過程控制，以高可靠、低成本的特點，深受廣大用戶好評，特別是以PLC為基礎的DCS發展更快，目前PLC與DCS相互滲透，相互融合，相互競爭，已成為當今工業控制系統的生力軍。 
　　
全國現有的大部分水泥企業生產設備落后，能源消耗高，污染較嚴重，自動化控制水平低，仍然采用常規的繼電器、接觸器加模擬儀表控制方式，影響了產品質量的提高。 
　　
目前由于純DCS控制系統側重于多種PID算法、比值控制、串級調節等功能，成本較高，而基于PLC的DCS控制系統(下稱PLC控制系統)側重于順序控制等功能，成本相對較低。對于整個控制過程中以開關量輸入、輸出約占80%的中小型水泥廠來講，從節省投資的角度來考慮，選擇PLC控制系統是比較合理的。例如:目前700t/d的水泥廠控制系統采用DCS的投資大約需要250萬元，而采用PLC控制系統只需190萬元，節約投資約24%。表1列出了江西珠山水泥廠PLC計算機控制系統I/O點數分布情況，該廠PLC計算機控制系統開關量輸入、輸出占79.6%，投資為180萬元。  

水泥廠從項目立項開始到建成投產，通常要經過可行性研究、初步設計、施工圖設計、軟件設計、工程施工、單機試車、軟件調試、聯動試車、試生產等各階段工作，其中施工圖設計和軟件設計階段對整體控制水平起著決定性作用，軟件調試階段是通過對設計的修正和完善，達到設計目標。同樣，若采用PLC控制系統，也必須做好這些工作，才能實現水泥廠各階段的過程銜接，使工程項目有條不紊地進行下去，從而保證順利建成投產。下面我們結合實例，重點從施工圖設計、軟件設計、軟硬件安裝調試方面進行分析和探討。 

2　施工圖設計 

　　 
2.1　控制方式及設備選型 
　　
水泥廠生產過程自動化控制包括順序控制和過程控制兩方面。順序控制主要是實現對全廠進入PLC的電動機、電控設備進行成組起動、停車以及設備運行時的相互聯鎖等；過程控制主要是實現對全廠進入PLC的溫度、壓力、速度、流量、料位等工藝參數進行采集，并通過對諸如閥門開度、速度給定等對生產過程進行調節和控制。 

2.1.1　控制方式選擇 
　　水泥廠的電動機控制方式有兩種，集中優先控制方式和機旁優先控制方式。 
　　選擇集中控制方式時，計算機根據工藝流程圖及保護要求，將按預先安裝好的程序，由操作員對需要的分組進行起停控制。 
　　選擇機旁控制方式時，人工在機旁單獨開、停機，以利于單機試車。 
　　選擇零位控制方式時，集中和機旁均不能開車，以確保檢修人員的安全。 
　　設備出現嚴重異?；騻κ鹿蕰r，機旁可以立刻停車；同樣，中控室可以進行一個子系統范圍內的緊急停車。 
2.1.2　電氣設備選型 
　　
本著技術成熟、運行可靠、指標先進、經濟合理的原則，又充分考慮到國內電氣設備的制造水平及現狀，主要電氣設備及元器件采用進口產品或引進技術生產制造的產品。對要求調速的場合，目前較多采用交流變頻調速裝置，滑差電磁調速裝置已逐步趨于淘汰。少數容量大且對起動力矩要求較高的地方，如窯主傳動、冷卻機等可采用直流調速裝置。 
　　
為了提高可靠性，隨設備配帶的控制箱、控制柜，如稀油站、除塵器、水電阻柜以及高壓開關柜等均采用小PLC或常規的繼電器完成其自身必要的順序控制和過程控制，并安裝控制方式選擇開關，提供給計算機遠方控制方式接口，以盡量減少主控系統的開銷，并可就地試車。 

2.1.3　自動化設備選型 
　　
壓力變送器盡量選用測量范圍大的產品，減少型號種類，以方便日常維護或備件準備。一般場合的溫度測點選用熱電阻、熱電偶監測元件，大型機械設備或大型電動機的保護熱電阻溫度信號，如回轉窯托輪、主電動機繞組溫度等熱電阻信號，全部進入計算機由中控室集中監視。窯筒體測溫裝置、窯尾預熱器一級筒出口處氣體分析儀、生料質量控制系統、窯頭和篦冷機用監控工業電視系統通常為獨立完整的監控系統，其部分必要的信號應進入計算機。 

2.2　計算機控制系統 
　　
計算機系統應選用開放性集散型控制系統。目前PLC控制系統已經完全能夠實現集散控制的功能。 
　　
表2例舉了PLC集散控制系統在水泥工業中一些實際應用情況，這些廠現均已正式投產，計算機控制系統運行狀況良好。 
由于各廠的系統構成很相似，下面以某700t/d水泥廠為例作簡要介紹。 
　　
系統采用美國Modicon公司的Quantum系列可編程控制器組成集散控制系統，對主要工藝流程生產線的設備進行控制。結合本廠工藝流程及生產特點，全廠共設四個現場站和4個操作站(含工程師站)，控制范圍從工藝生產線的原料調配站、生料制備、燒成系統、煤粉制備至水泥制成車間，各現場站及中控室均配有UPS備用電源。 

2.2.1　計算機運行環境及系統配置 
　　操作系統:Microsoft WindowsNT中文版 
　　組態軟件:Monitor Pro開發版 
　　運行軟件:Monitor Pro運行版 
　　系統配置:Pentium-II400，64M內存，4.3G硬盤，3.5″軟驅，32速光驅， 
　　Philips 21″彩色顯示器 
　　通訊網絡:Modbus+(Modbus Plus) 
　　下位機軟件:Concept Version2.1 XL 

2.2.2　控制管理級 
　　控制管理級是由1個中央控制室和1個局部控制室的多臺操作站、工程師站等組成。 
　　中央控制室:設置3臺操作站，分別作為生料粉磨、燒成窯尾及燒成窯頭工藝過程的監視、控制用，操作站間互為備用。其中1臺操作站兼作工程師站，可用于軟件開發和調試之用。 
　　
局部控制室:由于水泥粉磨車間位置距離中央控制室較遠，且工藝上獨立性較強，因此單獨設置一臺操作站，作為水泥粉磨工藝過程的監視、控制用操作站，該操作站僅限于本車間操作之用，中央控制室的工程師站作為備用，經授權能夠實現該操作站的操作、軟件開發和調試任務。 

2.2.3　過程控制級 
　　過程控制級包括生料粉磨控制站、燒成窯尾控制站、燒成窯頭控制站和水泥粉磨控制站，實現對所轄設備的過程控制和順序控制。 

2.2.4　通訊網絡 
　　計算機網絡系統將過程控制站、操作站以及工程師站相連，達到集散控制系統的分散控制、集中監視和操作管理的目的。 

3　軟件設計 

　　計算機系統的軟件應具有以下功能: 
　　1)開關量和模擬量數據的采集和處理； 
　　2)電動機和成套電控裝置的順序起動、順序停車、故障復位以及設備聯鎖等； 
　　3)PID回路的控制及參數修改； 
　　4)閥門控制及各種給定操作回路的控制； 
　　5)具有動態參數和動態符號的工藝流程圖畫面的顯示； 
　　6)實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線畫面的顯示； 
　　7)異常工況的報警窗口顯示及報警報告打印； 
　　8)工廠日、月、季、年及隨機報告打印。 
　　
計算機系統的需要安裝的軟件通常分為兩部分:上位機組態監控運行軟件和下位機運行軟件，一般由計算機制造商負責提供。軟件的編制設計也就相應分為上位機和下位機兩部分進行。1)～3)項通過下位機軟件編制實現，4)～8)項由上位機軟件設計完成，這兩部分應充分銜接。 
　　
該計算機控制系統的軟件功能及特點如下:操作員通過操作站上顯示的工藝流程及控制畫面，可隨時監視全廠的電氣設備運行情況，在起動畫面內對各車間的電氣設備分組進行集中起停控制，必要時可由工程師站在線監控、強制電氣設備運行和修改有關設定參數；對全廠的熱工參數和電氣設備的運行狀況進行監視、控制，并可以通過打印機輸出各種生產報表和報警信息。 

3.1　流程畫面 
　　流程畫面是操作的主要界面，操作員可在流程畫面上對每一個過程參數進行實時監控，并作出相應操作以保證正常生產。畫面上部分設備具有動態顯示效果，操作員可在操作站上對全廠生產過程進行監控。畫面的切換方式是通過用鼠標點按相應的流程畫面切換按鈕，或利用功能鍵來快速切換。 
　　
以不同顏色的箭頭線表示氣流、料流的方向；儲庫與料倉剖面圖形中的填充色顯示料位的變化，并設有料位報警；參數的位號及量程范圍實時顯示；閥門操作面板可顯示現場測量值和開度設定，并具有超時報警和復位功能；轉速操作面板可顯示測量值和速度設定值。 

3.2　配料控制 
　　
生料和熟料配料系統均可完成系統起停、選秤、顯示運行狀態、瞬時流量、設定流量等功能。 

3.3　設備起停 
　　
通過工藝流程畫面，打開相應的“設備起?！笨刂泼姘澹蓪崿F對各車間的設備進行分組起動和停止，并通過電動機上的指示燈來顯示各設備電動機的運行狀態。按工藝要求的不同每個操作站分為若干組進行起停操作，并且開停機均設有必要的時間間隔。 

3.4　電氣聯鎖 
　　設備控制方式分為機旁單機控制和集中聯鎖控制兩種。正常生產時，每組電氣設備均須切換至集中聯鎖控制方式，程序中設有設備狀態檢查、設備組狀態檢查、起動及運行中設備過程聯鎖控制等。參加聯鎖控制的某臺電氣設備在起動或停機出現誤操作時，該組設備均不能起動或停機。 

3.5　緊急停機 
　　可按車間實現緊急停機，先彈出一個確認子窗口，按確認鍵使操作生效，或按取消鍵取消該操作。 

3.6　報警窗口 
　　
報警窗口位于各流程畫面的底部，顯示當前報警信息。報警窗口包括報警顯示、報警信息確認鍵及報警綜合畫面切換鍵。 

3.7　報警一覽畫面 
　　包括報警設備名稱、工藝編號、電氣編號及日期時間，分為報警信息顯示區、報警信息篩選區和信息確認區?？蓪崿F對報警信息選擇、確認、滾動查找，按故障類型或區域篩選和排序。對新到、已確認、已消失的報警信息條采用不同的顏色顯示。 

3.8　實時趨勢和歷史趨勢曲線 
　　可觀測到相應測點的實時趨勢曲線。在相應車間的歷史趨勢模式下，可對以前15d的測量數據按日期和時間進行查詢，可實現曲線平移、曲線放縮、用顯示網格方式觀察曲線上某點的測量值大小。 

3.9　分解室喂煤量自動調節回路 
　　該調節回路通過對窯尾分解室、混合室及五級預熱器出口溫度的監測來控制分解室喂煤量，從而使窯系統工作于正常溫度范圍內，節省用煤量，提高熱效率，穩定熟料質量。該調節回路還通過對煤粉倉煤粉密度的給定來計算給煤量，顯示有關參數的趨勢曲線圖，并設有手動方式。 

3.10　系統功能畫面 
　　系統任務分為共享和用戶兩種。共享任務包括:共享任務運行指令、數據保留、計時器、解釋性程序、報警登錄、報表打印、EDI(外部設備接口)、計數器、數據庫和打印機等；用戶任務包括:用戶任務運行指令、圖形運行、數據保留、報警一覽、解釋性程序、計數器、趨勢記錄和數據庫等。 
　　此外還有屏幕打印和報表打印功能。 

4　軟、硬件安裝調試步驟 

　　1)按設計選型及配置要求檢查到貨硬件； 
　　2)按規范和計算機自身要求處理系統接地和屏蔽接地，以避免對系統干擾； 
　　3)按規范和計算機自身要求完成接線工作并核對接線的正確性； 
　　4)對計算機系統硬件進行通電測試檢查，發現問題及時處理； 
　　5)安裝系統軟件，進行網絡通訊調試； 
　　6)安裝已編制好的工控應用軟件，并進行組態和下裝； 
　　7)采用在線監控和強制方式進行開關量和模擬量數據采集回路的測試，發現問題及時查找原因和處理； 
　　8)如條件允許可全部或部分進行模擬控制運行試驗； 
　　9)系統投入運行，進行聯動試車，并對其技術性能進一步補充和完善； 
　　10)系統驗收交接，由廠方操作人員獨立進行日常操作和維護。 
　　在現場實際施工過程中，電氣設備單機試車與計算機系統的安裝調試大多同步進行，要求在軟件編制過程中，熟練掌握好軟件編制的方法，以便迅速完成現場調試過程中的修改和完善工作。 

5　結束語 

　　對于國內許多新建或準備改造的中小型水泥廠，采用基于PLC的DCS控制系統，對生產線上的主要車間進行集中管理、分散控制，可降低一次性投資，減少管理環節，提高生產線運行的可靠性，降低企業產品綜合成本，提高產品在市場上的競爭能力。另外，隨著PLC技術水平的提高，其計算能力、響應速度、聯網能力、靈活性和可維護性已經達到或超過了傳統的DCS，性能價格比有了更大的提高，從而進一步推動了PLC控制系統在中小型水泥廠的應用。