自动化新技术

1、自动化新技术在水泥工业中的应用自动化与电气工程学院 电气0803班曹栩20080302003在这学期的课上，我了解到了水泥工业和其他流程工业一样，未来的十年 将面临着市场和能源、清洁生产和环境保护、高效和规范、负责和协调的挑战。 节能、环保、安全、高效是每一个水泥厂必须要面对的课题，而自动化技术和 这四大目标又是紧密相连。将就当今自动化领域内和水泥行业有关的最新发展 趋势做一简述，以便为我国水泥工业发展，搭建更为广阔的交流和沟通平台。一、现状及问题随着电子技术，特别是计算机技术的迅猛发展，于1975年出现了 DCS（分 散型控制系统），随后又出现了 PLC（可编程控制系统），这些新的控制系统无

2、论 是功能、系统灵活性、升级等多方面均优于传统的单体仪表和继电器控制，因 此得到了广泛的应用。在水泥行业，目前新建的水泥厂基本上都采用了 DCS或 PLC控制，一些老厂也进行了相应的技术改造，提高了控制水平。但目前的DCS 或PLC系统仍然存在不少缺陷，如：目前的DCS或PLC系统，绝大部分的DCS或PLC制造厂的产品由各自的 硬件和软件构成自己产品的体系，其中多少都含有自己的专利技术，彼此封锁， 只能通过网关等接口才能与其他厂商的系统进行通信，通讯速度普遍偏低。传 统的DCS或PLC系统，是将现场的IO（AI、AO、DI、DO等），全部接入系统的 IO卡件，当系统规模增大，如此众多的检测信号

3、汇集到DCS或PLC的入口处， 不可避免地会出现“瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统的安全性和可靠 性。有的DCS或PLC系统仍然采用自己的数据库，不利于其他系统的访问（如管 理系统等）发展以太网将成为工业控制网的主流，甚至取代其他网络。1990年以太网成为国际标准，以前大多数业内人士认为，它是为用于信息 工业而设计的，采用碰撞检测方式进行通信的，当甲方需要与乙方进行通信时， 如乙方正与丙方在通信，则甲方就必须等待，当再次检测到乙方已经通信完毕， 甲乙双方才能进行通信，不能满足工业控制在实时性上的要求。但随着网络技 术的发展，以太网的通讯速度以从10MB发展到了 100MB、数100MB、甚

4、至上 1000MB，再加上交换设备（交换机）的出现，大大减少了碰撞的机率，网络实时 性不再成为问题。而且，它是一个开放性很好的通讯协议，各大DCS或PLC厂 商均推出了相应的以太网产品，在实际的工业控制系统也取得了良好的效果（如 我院设计的拉法基-都江堰水泥厂8000余点的大型控制系统）管控一体化随着管 理水平的提高，管理意识的增强，希望从管理中增加效益，现代企业管理者希 望从DCS或PLC控制系统中得到相关的数据，如数据记录、报警记录、设备状态 记录、操作记录等，根据历史数据记录和其强大的数据分析能力，可计算各个 车间的日平均产量和耗电、耗煤量，以及一个月的总产量、耗电量和耗煤量等， 这为提

5、高总产量降低总成本提供了科学依据。通过其数理统计功能可对历史数据进行统计分析，通过报警记录分析对潜 在的质量问题发出警告，使用管理人员和技术人员以从专注于质量程序的改进 阶段中解放出来。当生产线事故发生后，可根据报警记录、操作记录及时查清 事故原因。并各台工艺设备的运行时间、起动次数和故障次数进行统计分析， 当设备使用期已过时发出警告信号，可在检修期内及时更换，避免在生产中频 繁故障。并能通过Web网关功能使管理人员能够在世界上的任何地方通过 Internet访问工厂的数据。工厂管理人员在办公室，家里或是宾馆房间，获取 工厂的生产数据就象打一个电话那样简单，使工厂管理人员能随时掌握工厂生 产的

6、实际情况（这些数据的获取必需通过密码确认后才能进入，确保系统安全）。数据库的标准化目前一些DCS或PLC制造商已经采用了国际上通用的数据库系统（如 Microsodt SQL）,并提供了相应的API接口。现场控制总线FCS系统现场总线是用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向 通信与多站的通信系统。现场总线在企业网（Intranet）内仅处于最低层的控制 系统（Infranet）。检测和控制的点数不断增加时，使众多的检测信号汇集到 DCS的入口处，不可避免地会出现“瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统 的安全性和可靠性。而且如此大量点到点的电缆，不但增加了线路敷设设计的 难度和施

7、工的复杂性，同时也增加了投资和安装、调试与维护的费用。因此用 户迫切需要现场总线与智能化的现场仪表，以便将60-80%的控制功能下放到现 场仪表，减少DCS处理信息的压力，增强系统的可靠性和安全性，同时也可减 少电缆及其相关费用。二、解决方法1、信息技术推动企业实现自动化控制以信息技术改造水泥行业，以信息 化推进自动化，自动化再促使节能、环保、安全、高效四大目标的实现，已成 为业界的共识。在当今自动化领域内，从工艺现场层到工厂（集团）管理层可 经由以太网，基本实现信息的畅通无缝流通，所谓的“现代集成生产工艺”是 将信息技术、网络技术和现代新工艺相结合，并应用于企业产品生命周期的各 个阶段，通过

8、信息的无缝集成、过程优化和资源优化，实现物流、信息流、价 值流的集成，以缩短企业新产品的开发周期（T）、提高质量（Q）、降低成本 （C）、改进服务（S）和改善环境（E），从而提升企业市场的应变能力和竞争 能力，以此开发出一系列管理层软件，如ERP、MRP、MIS、PES等，并越来越显 示其巨大的经济效益。国内某水泥集团在新建的水泥生产线做自动化控制系统 配置时，在现场级和过程控制级（PCS）的上端，还增加了制造执行系统（MES） 层，并正在策划和运作ERP，即企业资源规划和管理层，它包括有生产管理系 统、质量控制系统、采购管理系统、仓库管理系统、销售子系统、设备管理系 统、财务管理系统、办公自

9、动化管理系统和综合管理子系统等。在水泥市场供 大于求，竞争激烈的形势下，由于该集团初步实现了 MES的运营，集团化管理 的控制力和执行力明显提高，精细化运行方式使得物流成本和原材料成本得到 控制，实现了综合效益的大幅增长，净利润比去年同期增加了 12.76% .笔者认 为该集团的MES运营还是初期的，要把生产调度和企业领导的决策统一成为真 正的企业管理级（ERP）还需要进一步开发。现今计算机技术、网络技术和先 进的控制技术相结合，已不再停留在理论和实验阶段，如模型预测、神经元和 神经网络、模糊控制、多变量控制。自适应和自寻优等先进控制算法已进入实 践，并用于DCS、PLC等控制器中，而且这种趋

10、势在加快。在水泥工业用于窑和 磨的模糊控制、多变量控制以及专家系统早在上世纪就有应用，但这些大多是 由水泥设备供应商自行开发的，如FLS、KHD等，他们提供的仅是独立的软件， 和系统几乎没有任何联系。而现在是控制系统的供应商已将先进控制算法用于 DCS和PLC等控制器中，如Siemens公司专门为水泥工业开发的CEMAT集成化 标准软件，它具有水泥工厂过程控制优化的功能块，还包括窑的煅烧和磨的负 荷优化控制，该软件包并集成于Siemens公司的过程控制系统PCS7中；ABB公 司的Opti-mizeIT优化专家则集成于IndustryIT中，它通过集成大量已验证的 先进控制技术及广泛的专家知识

11、库，如模糊逻辑、控制模型、神经元和模糊控 制等，来对水泥生产过程进行控制及实施优化决策管理。IT技术与自动化结 合的另一热点是公共数据库、局域网、互联网、无线技术等渗透控制系统使控 制系统扁平化，实现了跨平台，跨地区的控制。2、自动化技术的互补与渗透DCS、PLC、IPC是自动控制领域的三大支柱， 它们之间竞争激烈，但又取长补短和相互渗透，相互融合，因而形成了具有混 合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，某咨询集团把其称之为PAC.水泥行业作 为较典型的流程工业决定了其开关量逻辑控制的主导地位，同时模拟量的处理 多为简单的显示和给定，控制回路基本上为并不复杂的单回路调节，这些特点 适合于H

12、CS的应用。目前市场以PLC为主导地位的Siemens、Schneider、 Rockwell等公司纷纷推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，已作 为主导产品在水泥行业推广，并取得不俗的业绩。混合系统HCS的主要特点是: 构建一个公共的、集成的开发环境，提供通用开发平台、共用标签和单一数据 库，以满足多领域自动化系统设计和集成的需要；同时它采用了可自由组合的 模块化的硬件架构，减少系统升级带来的开销。它支持IEC61158等现场总线国 际标准以实现高度分散的自动化环境，也支持事实上的工业以太网标准，可方 便地和上一级的ERP、MIS、MES集成。3、自动化系统更注重功能和信息安

13、全安全生产越来越引起人们的关注， 人的生命高于一切，已成为衡量现代工业的重要指标，对于安全事故多发的我 国，意义更为重要。自动化控制系统主要考虑的安全有：电气安全、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、黑客入侵等系统的安全性; 功能安全是指控制系统所执行的安全功能失效引起的可能危险。目前已相继出 台的国际标准有IEC61508-电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全标 准，IEC61511是关于过程工业领域安全仪表系统的功能安全标准，一般以整体 安全等级SIL来评估风险程度，共有4级，安全等级SIL越高，风险就越低。 水泥行业已大多采用新型水泥干法工艺，它是连续性很强

14、的工艺过程，并已实 现了计算机系统的顺序和连锁控制，笔者认为新型干法工艺其安全等级是较高 的。要进一步提高整体安全等级必须增强故障诊断环节；人机操作界面要便于 故障的监测；对生产规模越大的生产线，如日产万吨熟料的生产线系统配置要 提高冗余度，另外信息安全也必须高度关注，要特别增强煤磨车间的防爆安全 等级，对于设置低温余热发电的企业，整体安全等级SIL要高于一般企业。在 自动化领域内纷纷出台了相应的标准产品，如Siemens的故障安全容错S7F/FH 系统，Rockwell的GruardPLC等，有的公司则配置专用的安全模块和相应的组 态软件，并由被动的维护、诊断发展到预防性安全措施，与此相适应

15、还出台了 许多安全协议，如PROFIsafe、CIPsafety等。4、控制系统由集中向分散化发展智能化分布式I/O是将某一部分I/O 组成一个有自治能力的节点，其本身带有处理器，独立完成某一部分的控制。 由于组合在一个框架内，它可直接安装在现场，甚至空间十分有限的地方，但 它同时又可链接到中央计算机，从而将控制系统从传统的三层结构简化为二层 结构。许多有名的PLC厂商大都推出了分布式I/O,如Siemens的ET200系列， Rockwell 的 FlexAr-morI/O，Wago 的 WAGO-SPEEDWAY767 等高速智能 I/O.智能 化分布式I/O将使水泥生产线的系统配置可更趋

16、扁平化，原设置的远程I/O场 合，如矿山、预配料站等可用智能化分布式I/O替代，以节省I/O安装电缆和 控制系统整体的开销。5、无线通讯技术进一步渗透控制领域无线通讯技术作为有线控制系统 的补充，正方兴未艾地用于工业自动化系统中，也是工业自动化产品的一个新 增长点，运行于2.4GHz1SM波段的跳频扩频（FHSS）无线传输技术具有优良的 抗干扰性和高可靠性，无线局域网和无线网状网络扩大了无线传输的覆盖范围。 无线通讯的数据安全性是人们所关心的，但可以通过加安全密码和加密密码等 一系列措施来确保数据的安全传输。据悉HART基金会将在近期推出HART无线 通讯新协议。在水泥行业，有的大集团局部辅助

17、流程采用了无线技术，如冀东 水泥集团在循环水泵站已采用了无线控制，浙江有些水泥厂采用无线控制装卸 散装水泥船等，考虑到有些水泥厂占有的物理空间很大，有些工艺测量的位置 难于安装，而有些工艺测量点环境十分恶劣，用传统的硬连线安装器件成本又 过高，如果改用无线通讯能够节约能源，减少配线和维护费用。6、人机界面更趋人性化人机界面已全系列化，包括手持式、面板式、 台式和PC机式。今后的人机界面已不仅仅局限于SCADA以及编程、监控和诊断 等，在工业自动化领域，人机界面可以为操作和管理人员提供越来越多的信息， 功能强大的模块化软件和多客户机/服务器结构，使人机界面成为企业实时生产 信息以及商务垂直集成的

18、统一的软件平台，它也是连通到外部世界的媒介。通 过驱动器或OPC来驱动各种I/O模块，总之人机界面已演变为一个完整的系统。 某水泥集团MES的运营，集团化管理的控制主要依靠是多种人机界面，通过 OPC实现了集团内各个水泥生产线之间的信息交换，也实现了主控系统和各子 控制系统的互连，如生料质量控制系统等。7、变频器性能更加扩展变频器的应用领域已从常规的风机、泵类等拓 展到输送、喂料机械等，在行业应用面上也越来越广，因而其功能也进一步提 升并多样化，一方面是全数字化、功能齐全、能够补偿负荷变化的自适应、调 谐技术，特别是分布式具有通信、联网功能和集成PLC的高端变频器。另一方 面是简易或专用的变频器，以及机电一体化的变频器。就开展控制技术而言， DTC直接转矩控制、无传感器矢量控制是发展方向。目前速度响应约为2ms，电 流响应能达到0.10.5ms.速度调节的发展趋势是提高速度的控制精度，一般 在闭环时，对应于全范围，调速比为1： 100或更高时，速度控制精度高达 0.05%.另外变频器性能在低速时的过载能力，稳定的