CEMAT系統(tǒng)在大型水泥企業(yè)中的應(yīng)用
中圖分類號：TP393．07文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1002—9877(2004)10—0062—03
某水泥公司建設(shè)了一條5000t／d生產(chǎn)線，其DCS系統(tǒng)采用了SIEMENS公司專門為水泥行業(yè)開發(fā)的CEMAT系統(tǒng)。筆者有幸參與了整個自動化控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試和編程組態(tài)，總結(jié)一點心得如下。
1 基于SIMATIC PCS7的CEMAT系統(tǒng)
1．1 SIMATICPCS7簡介
SIEMENS公司近年新推出的SIMATIC PCS7系列產(chǎn)品已在水泥和鋼鐵工業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用，而基于SIMATIC PCS7系列的西門子全集成自動化系統(tǒng)(TIA)則是集成功經(jīng)驗與最新技術(shù)于一體的、全新概念的、面向工業(yè)過程控制的自動化系統(tǒng)。
SIMATIC PCS7系統(tǒng)采用具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、功能強大的關(guān)系型、分布式數(shù)據(jù)庫作為平臺，作為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)過程控制管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫支撐系統(tǒng)。關(guān)系型、分布式數(shù)據(jù)庫平臺不同于一般的數(shù)據(jù)庫支撐系統(tǒng)，它能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、一致性和系統(tǒng)各個部分數(shù)據(jù)的同步性，具備多種形式的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)索引方式。所以在對系統(tǒng)組態(tài)時，所有的數(shù)據(jù)和設(shè)置都自動地連入一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中。
1．2 CEMAT系統(tǒng)
CEMAT是英語CEMent AuTomation的縮寫，是在SIMATIC PCS 7基礎(chǔ)上設(shè)計的，CEMAT系統(tǒng)在啟動之前可獲得整個系統(tǒng)詳細的狀態(tài)報告，不會出現(xiàn)任何不合理的驅(qū)動系統(tǒng)或組的啟動，該系統(tǒng)采用似然性邏輯，不會發(fā)生不合理的路由選擇。操作員可輸入每個單獨事件的注意事項，并由其他操作員讀取。
CEMAT系統(tǒng)采用集成的全局數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)一的組態(tài)工具，即SIMATIC程序管理器。在項目管理上，SIMATIC程序管理器從系統(tǒng)硬件和水泥生產(chǎn)工藝兩個視角，同時進行管理。這兩個視角在程序管理器中分別稱為標(biāo)準(zhǔn)分級(Standard Hierarchy)和工藝分級(Plant Hierarchy)。其中標(biāo)準(zhǔn)分級主要管理系統(tǒng)的硬件，而工藝分級主要管理水泥工藝過程，它將整個水泥廠按工藝過程的要求，分為各個子系統(tǒng)，按水泥廠的實際結(jié)構(gòu)采用分層的形式將各個子系統(tǒng)映射到控制器上。與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的模塊相比，CEMAT系統(tǒng)的組態(tài)直接面向水泥工藝過程，且模塊的I／O參數(shù)數(shù)量較少，工程與組態(tài)非常容易，可以顯著減少編程錯誤，同時可以大大避免系統(tǒng)中資源的浪費。
CEMAT系統(tǒng)有一個專門針對水泥行業(yè)開發(fā)的特征模塊數(shù)據(jù)庫，通過它能知道怎樣去運作一個水泥廠，怎樣通過診斷將故障停機時間降到最低，以及怎樣將電動機、節(jié)氣閥、傳送帶和工廠的測量結(jié)果互相結(jié)合起來。CEMAT系統(tǒng)還集成了CEMAT-KCS回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制系統(tǒng)和CEMAT-MCS磨機優(yōu)化控制系統(tǒng)。
2 SⅡMATⅡCCEMAT系統(tǒng)配置
SIMATICCEMAT系統(tǒng)配置如圖l所示。整個系統(tǒng)分為中控室操作管理層、現(xiàn)場控制室控制層以及本地和遠程I／O設(shè)備現(xiàn)場層3個層次。
圖1 SIMATICCEMAT系統(tǒng)配置
1)操作管理層：由4臺操作員站(OS)、1臺工程師站(ES)、打印機、UPS及質(zhì)量控制系統(tǒng)等組成。操作管理層與控制層之間通過工業(yè)以太網(wǎng)Industrial Ethernet實現(xiàn)現(xiàn)場站(AS)、操作員站、工程師站等之間的通信。
2)現(xiàn)場控制層：由4臺現(xiàn)場站(1臺AS414-3和3臺AS416-3)組成。控制層與現(xiàn)場層之間通過現(xiàn)場總線ProfibusDP和ProfibusPA進行通信。
3)現(xiàn)場層：由①本地I／O站ET 200M、②遠程I／O站ET 200M、③DP／PA鏈接器、④現(xiàn)場中低壓智能保護器、⑤交直流傳動設(shè)備、⑥調(diào)速秤變頻裝置、⑦電動執(zhí)行機構(gòu)、⑧現(xiàn)場智能儀表包括總線式壓力／差壓變送器、⑨總線式溫度變送器組成。通過ProfibusDP與現(xiàn)場站進行通信；⑧和⑨通過ProfibusPA與現(xiàn)場站通信。
3 CEMAT—KCS回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)的工程師站、操作員站及現(xiàn)場站的功能特點，與常用的DCS系統(tǒng)相比，大同小異，不再贅述。
對回轉(zhuǎn)窯采用自動化技術(shù)面臨著幾個重要的問題：回轉(zhuǎn)窯控制的目的是控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料燒成的溫度，而窯內(nèi)溫度無法進行直接測量，這就給控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來很大的難度。由于回轉(zhuǎn)窯是一個復(fù)雜的工業(yè)對象，具有非線性、純滯后、不確定性的特點，系統(tǒng)工況復(fù)雜多變，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的控制方法難以獲得理想的控制效果，而該控制系統(tǒng)對窯具有良好的控制功能。
該控制系統(tǒng)是通過火焰溫度、窯主電動機電流和篦床主電動機電流，對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的煅燒進行控制。其原理框圖見圖2。
圖2 CEMAT-KCS回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制原理
該控制系統(tǒng)有3個輸入變量：窯主電動機電流、篦床主電動機電流和窯內(nèi)火焰溫度；有4個輸出調(diào)節(jié)變量：窯尾喂料信號、窯速信號、篦床篦板運行速度及窯頭尾喂煤信號。整個系統(tǒng)有3個大的反饋閉環(huán)和2個反饋內(nèi)環(huán)組成，通過系統(tǒng)中的智能模塊和運行程序，對整個窯系統(tǒng)進行最優(yōu)化調(diào)節(jié)控制。
CEMAT系統(tǒng)首先利用攝像機攝取窯內(nèi)火焰溫度的圖像，通過圖像處理判斷火焰的溫度，并以這個溫度為控制對象進行控制。另外，由于窯的主電動機電流和篦床主電動機電流在一定的情況下，能夠比較準(zhǔn)確的反映窯內(nèi)物料燒結(jié)的溫度情況，當(dāng)溫度偏高時，物料的流動性會變差，在物料進料不變的情況下，滯留在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料增多，電動機負荷加大，窯主電動機電流變大，而篦床主電動機電流變?。环粗?，溫度偏低，物料流動加快，窯主電動機電流變小，篦床主電動機電流變大。故此，CEMAT系統(tǒng)又以這2項為控制對象進行控制口通過CEMAT-KCS回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制系統(tǒng)對窯主電動機電流、篦床主電動機電流和窯內(nèi)火焰溫度的綜合控制，解決了由于物料流速變化使窯主電動機電流和篦床主電動機電流對窯內(nèi)溫度的反應(yīng)存在滯后性，和窯況不好時窯內(nèi)粉塵很濃造成火焰分析溫度誤差較大等問題。整個回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)運行穩(wěn)定，熟料產(chǎn)量平均高達210t／h。
4 系統(tǒng)調(diào)試中的問題
1)處理好整個系統(tǒng)的接地問題。DCS系統(tǒng)的供電電源十分重要，而電源是DCS系統(tǒng)一個重要的干擾源。防止電源干擾主要是要做好接地線，接地電阻要小于2Ώ。系統(tǒng)在調(diào)試運行期間，曾出現(xiàn)了幾次不明原因的誤發(fā)信號，這與接地系統(tǒng)不好有很大關(guān)系。
2)系統(tǒng)要定期維護。由于系統(tǒng)使用的是服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)器需要長期的讀寫硬盤，這樣就造成硬盤中碎片、垃圾文件太多，硬盤空間變少，嚴重的造成硬盤出現(xiàn)壞磁道和壞扇區(qū)，久而久之，就會造成硬盤容量不夠，服務(wù)器死機。為此，我們的系統(tǒng)維護人員要定期對服務(wù)器進行系統(tǒng)優(yōu)化和碎片整理。
3)加強系統(tǒng)的防干擾措施。在設(shè)備調(diào)試過程中，我們曾遇到這樣一個問題：拖動回轉(zhuǎn)窯的直流電動機，在DCS沒有發(fā)出驅(qū)動信號的情況下，幾次出現(xiàn)自起現(xiàn)象，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，原因是由于調(diào)試人員的對講機在通話中靠現(xiàn)場站模塊距離太近所致。后規(guī)定，現(xiàn)場人員使用對講機、手機等通訊工具必須距DCS設(shè)備lm以上。
5 結(jié)束語
CEMAT系統(tǒng)能簡單、方便地完成整個水泥廠的控制、管理，是用于水泥企業(yè)理想的DCS系統(tǒng)。該系統(tǒng)規(guī)模變換靈活，可以實現(xiàn)從一個單元的過程控制，到全廠范圍的自動化集成。該系統(tǒng)于2003年6月投入運行以來，穩(wěn)定可靠，在線修改和調(diào)試方便，給操作人員和維護人員帶來了很大方便，在高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、降低能耗和安全環(huán)保等方面發(fā)揮廠很大作用，達到了設(shè)計預(yù)期效果，創(chuàng)造了最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。
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