1  引  言

　　水泥生產做為傳統產業，已有160多年的發展歷史，其生產技術從最早的立窯、回轉窯、立波爾窯發展到了預分解窯技術，從而使水泥工業生產技術有了重大突破。立磨、輥壓機、原料預均化、生料均化以及X射線熒光分析等技術的發展和應用使水泥生產的熟料質量明顯提高，能耗進一步降低，由于應用了電子計算機和自動控制技術，許多先進的水泥廠都已經采用了全廠集中控制，巡回檢測的方式，在礦山開采、生料和燒成車間、以及包裝和發運等工序都實現了自動控制。隨著水泥企業生產結構調整，截至2007年底新型干法生產技術的比例已達55％。大多新型干法廠生產工藝流程多采用技術成熟的DCS(Distributed Control System)即分散性控制系統，也稱集散型控制系統。DCS是以分散的控制設備來適應分散的過程對象，并將它們通過數據高速公路與基于CRT的操作站相連接，一起實施實時工業過程的控制與監視，實現了控制系統的功能分散、負荷分散，從而危險也分散，克服了集中式計算機控制系統的負荷集中、危險集中的弱點。

　　從80年代以來DCS經歷了四個發展階段，隨著控制技術、計算機技術、網絡技術和信息技術的發展，各種控制技術融合、集成的DCS系統不斷被應用到生產實踐中，在水泥行業出現了基于PLC(可編程控制器)的DCS系統、基于現場總線技術的DCS系統等分布式控制方式，另外先進的智能控制技術例如模糊控制等也應用到了水泥生產控制中，隨著計算機、通信網絡等信息技術的飛速發展，水泥工業的自動控制系統正向著智能化、數字化和網絡化方向邁進，傳統的集散控制系統和計算機分層控制方式也開始向智能終端與網絡結合的現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)方向發展。

　　本文討論了目前最先進的基于PLC和現場總線技術的水泥生產DCS控制模式，同時提出了應用于新型干法水泥生產的FCS的結構型式。

　　2  基于PLC和現場總線技術的DCS

　　2．1 PLC技術的應用

　　PLC(Programmable Logic Controller)是采用微電腦技術制造的通用的自動控制設備，在工業自動化領域得到了相當廣泛的應用，被公認為現代工業自動化三大支柱(PLC、機器人、CAD／DAM)之一。PLC主要由CPU、存儲器(ROM和RAM)、I／O接口以及編程器四部分組成。PLC系統主要特點是：工作可靠，運行速度快；積木式結構，組合靈活；良好的兼容性；程序編制及生成簡單、豐富；網絡功能強。PLC系統能很好地完成工業實時順序控制、條件控制、計數控制、步進控制等功能；能夠完成模／數(A／D)、數／模(D／A)轉換、數據處理、通信聯網、實時監控等功能。

　　由于水泥生產線的自動化控制開關量約占總的輸入輸出點的75％，且控制過程主要以順序控制、連鎖控制為主，而且，近年來開發了具有智能I／O模塊的PLC，它可以將順序控制和過程控制結合在一起，實現對生產過程的控制，因此PLC可以作為DCS系統的過程控制層的控制站。

　　2．2  現場總線技術

　　控制、計算機、通信、網絡等技術的發展，導致了自動化領域的深刻變革。信息技術的飛速發展，使得自動化系統結構逐步形成全分布式網絡集成自控系統。現場總線(fieldbus)正是順應這一形勢發展起來的新技術。現場總線是應用在生產現場、微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。目前，比較具有影響力的現場總線有：基金會現場總線(FF，Foundation Fieldbus)、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是當前最為流行的現場總線技術之一，也是最適合應用于生產過程控制的一種總線型式，而且為全數字化現場總線協議。

　　PROFIBUS是德國90年代初制定的國家工業現場總線協議標準。代號DINl9245。PROFIBUS于1996年成為歐洲標準EN50170，1999年底成為國際標準IEC61158的組成部分，已被全世界接受。

　　現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測控制儀表中，使它們各自都具有數字計算和數字通訊能力，采用可進行簡單連接的雙絞線作為總線，把多個測量控制儀表連接成網絡系統，并按公開、規范的通訊協議，在位于現場的多個微機化測控設備之間以及現場儀表與遠程監控計算機之間實現數據傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統。

　　2.2.1  現場總線系統的技術特點

　　(1)系統的開放性

　　開放是指對相關標準的一致性、公開性。一個開放系統可以與世界上任何遵守相同標準的其他設備或系統連接。通信協議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現信息交換。現場總線的開發就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統，用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統，通過現場總線構筑自動化領域的開放互連系統。

　　(2)互可操作性與互用性

　　互可操作性是指能實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實現點對點、一點對多點的數字通訊，而互用則意味著不同廠家的性能類似的設備可以實現相互替換。

　　(3)現場設備的智能化與功能自治

　　它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備就可以完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷并上傳設備的運行狀態。

　　(4)系統機構的高度分散性

　　由于現場設備本身已可以完成自動控制的基本功能，使現場總線構成一種新的全分散性控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統的體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。

　　(5)對現場環境的適應性

　　工作在生產現場前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為現場環境而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現供電與通訊，并可以滿足本質安全防爆要求等。

　　2.2.2 現場總線的優點

　　由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統結構的簡化，使控制系統從設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現出優越性。

　　(1)節省硬件數量與投資

　　由于現場總線系統中分散在現場的智能設備能夠直接執行多種傳感控制報等和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的調節器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資。并可以減少控制室的占地面積。

　　(2)節省安裝費用

　　現場總線系統的接線非常簡單，一對雙絞線或一根電纜上通常可以將整個控制系統的測量控制設備物理連接，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原來的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。

　　(3)節省維護開銷

　　由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行、診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統結構變化，連線簡單而減少了維護工作量，節約了維護費用。

　　(4)用戶具有高度的系統集成主動權

　　用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統，避免了因選擇某一品牌的產品而被“框死”了使用設備的選擇范圍，不會為系統集成中不兼容的協議、接口而一籌莫展。系統集成過程中的主動權牢牢掌握在用戶手中。

　　(5)提高了系統的準確性和可靠性

　　由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精度，減少了傳送誤差。同時由于系統的結構簡化，從設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號餓往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。

　　2.3  基于PLC和現場總線技術的DCS系統

　　隨著PLC技術、單片機技術和現場總線技術的發展，多種控制技術集成的DCS作為向FCS過渡的控制技術在現階段顯示出了其優異的控制性能。目前最為完善的就是基于PLC和現場總線技術的第四代DCS。

　　2．3．1系統的層次結構

　　如圖l所示。整個DCS系統分為三層，最上層為操作管理級，由監督計算機、工程師站、操作員站和CRT等設備組成，第二層為控制管理級，由PLC組成兩個控制站，第三層為采用現場總線技術的過程控制級組成。根據水泥生產的特點，分成了生料磨、煤磨、窯尾廢氣處理、窯頭和水泥磨五個過程站。

圖1  基于PLC和現場總線的DCS結構

　　2．3．2 系統的設計組成

　　根據水泥生產線的工藝特點，我們在窯尾預熱器、窯頭篦冷機等熱工測控點集中的區域，原料立磨、原料調配秤等數據量較大的配套設備中局部采用現場總線方案，而在測控點較為分散的其它區域仍采用傳統的DCS分布式控制。這樣就可以充分發揮現場總線技術的優勢和特點，減少大量隔離器、端子柜、I／O模塊及大量電纜和電纜橋架，而且現場總線技術的應用還可以提高信號的測量、傳輸和控制精度，以及系統與設備的性能，真正形成分散在現場的完整的控制系統，增強控制系統運行的可靠性，同時也不會造成對原有DCS系統中儀表和控制設備的大量浪費，同時彌補了傳統DCS系統的開放性問題、系統和現場儀表的通信問題。

　　系統網絡采用以太網和現場總線混合型結構，現場層的通信采用PROFIBUS-DP主／從協議，使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質，不同的子網和不同介質之間可通過藕合器或接口模塊連接。

　　過程監控層使用以太網協議，通過帶有雙網卡的PLC進行通信協議的轉換，一塊網卡為PROFIBUS-DP網卡，另一塊為以太網卡。因此，PLC作為現場總線中的一個站，又作為以太網上的一個站點，而操作員站計算機和工程師站計算機不作為現場總線網絡中的站點。只作為以太網中的節點，此網上的各站點相互之間的數據交換通過以太網進行，而現場的信息也通過以太網從PLC的寄存器中讀取，控制現場的參數也由以太網送到DP主站PLC的寄存器中，再通過主／從協議傳送到現場總線中的各從站。

　　生產管理層的通信采用TCP/IP協議，為了隔離用于控制生產的以太網。服務器上也帶有兩塊網卡，一個網卡用于監控層之間的數據傳輸，另一塊網卡與其他的局域網相連。這樣局城網中的遠程計算機，一方面直接訪問監控層中的服務器上的動態監視界面，訪問數據庫中的歷史信息，還可與其他的系統如工資、人事系統等連接，實現所有信息共享，形成現代化企業的MIS系統。

　　這樣可以將水泥企業的經營管理、計劃調度、現場控制集成起來，進行綜合信息處理。同時，為了優化通信，減少信號的往返傳遞，盡可能將同一個控制系統中信號相關的現場設備就近安排在同一總線段上，用現場總線開放性好、可靠性高以及可以高度分散控制等優勢，來彌補DCS布線復雜、開放性差的缺陷；用PLC可靠性高、價格便宜、配置靈活、適合用于工業控制現場等優勢，來彌補現場總線智能現場測量、控制設備價格較高的缺陷；用DCS編程運算好、易于組態的優勢，來彌補PLC不適用于復雜網絡控制的不足，充分發揮三種控制技術的各自特點，達到取長補短，優勢互補。

　　3  FCS在新型干法水泥生產中的應用

　　現場總線控制系統FCS(fieldbus control system)，是繼基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統DCS后的基于現場總線的新一代控制系統。

　　現場總線是指制造、生產過程中從控制室到現場儀表裝置之間的數據總線，實現現場儀表與計算機控制之間的全數字化、高性能、兩線制、多支路的通信網絡。

　　現場智能儀表使控制系統的接線變得簡單。由于每個現場儀表就是一個控制站，測量和控制在現場由現場儀表來完成，而不依賴于系統的操作，與上位監控系統相對獨立，這樣，現場儀表與系統的接線就簡化了。從控制現場到控制中心只需要標準的網絡線連接，而且可以多臺儀表共用一對電纜，這樣大大節約了電纜，以及相應的接線盒等硬件資源，同時也為系統的硬件維護提供了方便，減少了出現問題的可能性。

　　3．1 FCS的結構模式

　　圖2  現場總線控制系統

　　如圖2所示，FCS通過現場總線技術由DCS的三層控制模式改變為由上位機到生產現場的二層控制模式。系統由過程控制級、操作管理級和系統網絡組成。

　　(1)  過程控制級

　　現場過程控制級以過程控制站PS(Proces sion Station)作為硬件基礎，主要由完成自動控制功能的控制單元、實現各環節數據采集功能的輸入輸出站及智能現場總線設備三部分組成。

　　在水泥生產過程中為了便于控制，將生產過程按工藝流程劃分成五個PS，即煤磨站、生料磨站、窯尾廢氣處理站、窯頭站和水泥磨過程站，各個子系統的設備啟停及工藝參數均由相應站控制，各過程站既相對獨立又相互關聯，組成一個有機的現場控制層，完成對水泥生產的自動化實時控制。各控制單元可以選擇掛接多類現場總線協議設備的總線控制器，它是由帶CPU的基本單元及各功能插件組成。整個控制站通過現場總線網采集現場智能儀表的信號，并對這些信號進行自動處理，各PS的數據構成統一的系統實時數據庫，經處理后再通過現場總線網輸出到現場總線設備，同時通過以太網上傳到操作管理層。

　　(2)操作管理級

　　操作管理級類似于DCS系統，由監督計算機、工程師站(ES)、操作員站(OS)和通信設備組成。操作員站是用于生產控制和監視，操作時通過訪問工程師站完成對現場設備的監控；工程師站主要用于設計、組態、調試、監視整個系統，正常生產時完成與操作員站和現場站的數據傳輸，用于設計時，根據工藝要求設計各種控制策略，并將編制的程序下載到現場站。

　　(3)系統通訊網絡

　　系統通訊網絡分為系統網絡和現場控制網絡，連接所有水泥生產的自動控制設備，使各層之間、各層內部智能設備之間既相對獨立又有機聯系。

　　系統網絡實現OS、ES和PS間的數據通訊，一般采用TCP／IP協議以太網實現，傳輸介質大多采用抗干擾能力強的光纖。

　　現場控制網絡主要實現PS中的控制器與相應I／O站及總線儀表之間的通訊。可采用Profibus協議的現場總線網實現，傳輸介質采用Profibus標準通信電纜。

　　3．2 FCS的控制過程

　　PS站的現場總線智能儀表實時采集現場過程信息，并由控制單元進行信號分析和處理，通過系統通訊網絡連接操作管理級，在操作管理級通過人機交互設備控制生產過程。整個系統實現了全數字化智能控制。

　　4  結論

　　目前，由于現場總線在國際上尚沒有一個統一、唯一的標準，另外總線智能儀表的價格很高，工程投資費用也是一個大問題，而且水泥行業具有調節回路較少、監視參數多的特點，所以FCS完全替代DCS還有一個過程，所以有學者提出傳統儀表與現場總線的兼容，即采用標準信號——現場總線轉換器把由傳感器采集來的DC 4～20mA的模擬信號轉換為符合總線協議的數字信號。完成計算、控制等基本控制任務，還對設備的運行狀態實時地在線診斷；另外使用現場總線——標準信號轉換器將符合總線協議的信號轉換為CPU能夠識別的信號，再進行計算處理，最后轉換為DC 4～20mA的模擬信號，輸出到執行機構。