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PLC控制系统在水泥生产线上的应用

时间:2011-07-20 来源:未知 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

1 现状

  近十几年来,随着计算机技术的迅猛发展,PLC的功能和结构不断改进,应用范围从原来的逻辑控制发展到连续和分批量过程控制,以高可靠、低成本的特点,深受广大用户好评,特别是以PLC为基础的DCS发展更快,目前PLC与DCS相互渗透,相互融合,相互竞争,已成为当今工业控制系统的生力军。
  
全国现有的大部分水泥企业生产设备落后,能源消耗高,污染较严重,自动化控制水平低,仍然采用常规的继电器、接触器加模拟仪表控制方式,影响了产品质量的提高。
  
目前由于纯DCS控制系统侧重于多种PID算法、比值控制、串级调节等功能,成本较高,而基于PLC的DCS控制系统(下称PLC控制系统)侧重于顺序控制等功能,成本相对较低。对于整个控制过程中以开关量输入、输出约占80%的中小型水泥厂来讲,从节省投资的角度来考虑,选择PLC控制系统是比较合理的。例如:目前700t/d的水泥厂控制系统采用DCS的投资大约需要250万元,而采用PLC控制系统只需190万元,节约投资约24%。表1列出了江西珠山水泥厂PLC计算机控制系统I/O点数分布情况,该厂PLC计算机控制系统开关量输入、输出占79.6%,投资为180万元。

水泥厂从项目立项开始到建成投产,通常要经过可行性研究、初步设计、施工图设计、软件设计、工程施工、单机试车、软件调试、联动试车、试生产等各阶段工作,其中施工图设计和软件设计阶段对整体控制水平起着决定性作用,软件调试阶段是通过对设计的修正和完善,达到设计目标。同样,若采用PLC控制系统,也必须做好这些工作,才能实现水泥厂各阶段的过程衔接,使工程项目有条不紊地进行下去,从而保证顺利建成投产。下面我们结合实例,重点从施工图设计、软件设计、软硬件安装调试方面进行分析和探讨。

2 施工图设计

  
2.1 控制方式及设备选型
  
水泥厂生产过程自动化控制包括顺序控制和过程控制两方面。顺序控制主要是实现对全厂进入PLC电动机、电控设备进行成组起动、停车以及设备运行时的相互联锁等;过程控制主要是实现对全厂进入PLC的温度、压力、速度、流量、料位等工艺参数进行采集,并通过对诸如阀门开度、速度给定等对生产过程进行调节和控制。

2.1.1 控制方式选择
  水泥厂的电动机控制方式有两种,集中优先控制方式和机旁优先控制方式。
  选择集中控制方式时,计算机根据工艺流程图及保护要求,将按预先安装好的程序,由操作员对需要的分组进行起停控制。
  选择机旁控制方式时,人工在机旁单独开、停机,以利于单机试车。
  选择零位控制方式时,集中和机旁均不能开车,以确保检修人员的安全。
  设备出现严重异常或伤害事故时,机旁可以立刻停车;同样,中控室可以进行一个子系统范围内的紧急停车。
2.1.2 电气设备选型
  
本着技术成熟、运行可靠、指标先进、经济合理的原则,又充分考虑到国内电气设备的制造水平及现状,主要电气设备及元器件采用进口产品或引进技术生产制造的产品。对要求调速的场合,目前较多采用交流变频调速装置,滑差电磁调速装置已逐步趋于淘汰。少数容量大且对起动力矩要求较高的地方,如窑主传动、冷却机等可采用直流调速装置。
  
为了提高可靠性,随设备配带的控制箱、控制柜,如稀油站、除尘器、水电阻柜以及高压开关柜等均采用小PLC或常规的继电器完成其自身必要的顺序控制和过程控制,并安装控制方式选择开关,提供给计算机远方控制方式接口,以尽量减少主控系统的开销,并可就地试车。

2.1.3 自动化设备选型
  
压力变送器尽量选用测量范围大的产品,减少型号种类,以方便日常维护或备件准备。一般场合的温度测点选用热电阻、热电偶监测元件,大型机械设备或大型电动机的保护热电阻温度信号,如回转窑托轮、主电动机绕组温度等热电阻信号,全部进入计算机由中控室集中监视。窑筒体测温装置、窑尾预热器一级筒出口处气体分析仪、生料质量控制系统、窑头和篦冷机用监控工业电视系统通常为独立完整的监控系统,其部分必要的信号应进入计算机。

2.2 计算机控制系统
  
计算机系统应选用开放性集散型控制系统。目前PLC控制系统已经完全能够实现集散控制的功能。
  
表2例举了PLC集散控制系统在水泥工业中一些实际应用情况,这些厂现均已正式投产,计算机控制系统运行状况良好。
由于各厂的系统构成很相似,下面以某700t/d水泥厂为例作简要介绍。
  
系统采用美国Modicon公司的Quantum系列可编程控制器组成集散控制系统,对主要工艺流程生产线的设备进行控制。结合本厂工艺流程及生产特点,全厂共设四个现场站和4个操作站(含工程师站),控制范围从工艺生产线的原料调配站、生料制备、烧成系统、煤粉制备至水泥制成车间,各现场站及中控室均配有UPS备用电源

2.2.1 计算机运行环境及系统配置
  操作系统:Microsoft WindowsNT中文版
  组态软件:Monitor Pro开发版
  运行软件:Monitor Pro运行版
  系统配置:Pentium-II400,64M内存,4.3G硬盘,3.5″软驱,32速光驱,
  Philips 21″彩色显示器
  通讯网络:Modbus+(Modbus Plus)
  下位机软件:Concept Version2.1 XL

2.2.2 控制管理级
  控制管理级是由1个中央控制室和1个局部控制室的多台操作站、工程师站等组成。
  中央控制室:设置3台操作站,分别作为生料粉磨、烧成窑尾及烧成窑头工艺过程的监视、控制用,操作站间互为备用。其中1台操作站兼作工程师站,可用于软件开发和调试之用。
  
局部控制室:由于水泥粉磨车间位置距离中央控制室较远,且工艺上独立性较强,因此单独设置一台操作站,作为水泥粉磨工艺过程的监视、控制用操作站,该操作站仅限于本车间操作之用,中央控制室的工程师站作为备用,经授权能够实现该操作站的操作、软件开发和调试任务。

2.2.3 过程控制级
  过程控制级包括生料粉磨控制站、烧成窑尾控制站、烧成窑头控制站和水泥粉磨控制站,实现对所辖设备的过程控制和顺序控制。

2.2.4 通讯网络
  计算机网络系统将过程控制站、操作站以及工程师站相连,达到集散控制系统的分散控制、集中监视和操作管理的目的。

3 软件设计

  计算机系统的软件应具有以下功能:
  1)开关量和模拟量数据的采集和处理;
  2)电动机和成套电控装置的顺序起动、顺序停车、故障复位以及设备联锁等;
  3)PID回路的控制及参数修改;
  4)阀门控制及各种给定操作回路的控制;
  5)具有动态参数和动态符号的工艺流程图画面的显示;
  6)实时趋势曲线和历史趋势曲线画面的显示;
  7)异常工况的报警窗口显示及报警报告打印;
  8)工厂日、月、季、年及随机报告打印。
  
计算机系统的需要安装的软件通常分为两部分:上位机组态监控运行软件和下位机运行软件,一般由计算机制造商负责提供。软件的编制设计也就相应分为上位机和下位机两部分进行。1)~3)项通过下位机软件编制实现,4)~8)项由上位机软件设计完成,这两部分应充分衔接。
  
该计算机控制系统的软件功能及特点如下:操作员通过操作站上显示的工艺流程及控制画面,可随时监视全厂的电气设备运行情况,在起动画面内对各车间的电气设备分组进行集中起停控制,必要时可由工程师站在线监控、强制电气设备运行和修改有关设定参数;对全厂的热工参数和电气设备的运行状况进行监视、控制,并可以通过打印机输出各种生产报表和报警信息。

3.1 流程画面
  流程画面是操作的主要界面,操作员可在流程画面上对每一个过程参数进行实时监控,并作出相应操作以保证正常生产。画面上部分设备具有动态显示效果,操作员可在操作站上对全厂生产过程进行监控。画面的切换方式是通过用鼠标点按相应的流程画面切换按钮,或利用功能键来快速切换。
  
以不同颜色的箭头线表示气流、料流的方向;储库与料仓剖面图形中的填充色显示料位的变化,并设有料位报警;参数的位号及量程范围实时显示;阀门操作面板可显示现场测量值和开度设定,并具有超时报警和复位功能;转速操作面板可显示测量值和速度设定值。

3.2 配料控制
  
生料和熟料配料系统均可完成系统起停、选秤、显示运行状态、瞬时流量、设定流量等功能。

3.3 设备起停
  
通过工艺流程画面,打开相应的“设备起停”控制面板,可实现对各车间的设备进行分组起动和停止,并通过电动机上的指示灯来显示各设备电动机的运行状态。按工艺要求的不同每个操作站分为若干组进行起停操作,并且开停机均设有必要的时间间隔。

3.4 电气联锁
  设备控制方式分为机旁单机控制和集中联锁控制两种。正常生产时,每组电气设备均须切换至集中联锁控制方式,程序中设有设备状态检查、设备组状态检查、起动及运行中设备过程联锁控制等。参加联锁控制的某台电气设备在起动或停机出现误操作时,该组设备均不能起动或停机。

3.5 紧急停机
  可按车间实现紧急停机,先弹出一个确认子窗口,按确认键使操作生效,或按取消键取消该操作。

3.6 报警窗口
  
报警窗口位于各流程画面的底部,显示当前报警信息。报警窗口包括报警显示、报警信息确认键及报警综合画面切换键。

3.7 报警一览画面
  包括报警设备名称、工艺编号、电气编号及日期时间,分为报警信息显示区、报警信息筛选区和信息确认区。可实现对报警信息选择、确认、滚动查找,按故障类型或区域筛选和排序。对新到、已确认、已消失的报警信息条采用不同的颜色显示。

3.8 实时趋势和历史趋势曲线
  可观测到相应测点的实时趋势曲线。在相应车间的历史趋势模式下,可对以前15d的测量数据按日期和时间进行查询,可实现曲线平移、曲线放缩、用显示网格方式观察曲线上某点的测量值大小。

3.9 分解室喂煤量自动调节回路
  该调节回路通过对窑尾分解室、混合室及五级预热器出口温度的监测来控制分解室喂煤量,从而使窑系统工作于正常温度范围内,节省用煤量,提高热效率,稳定熟料质量。该调节回路还通过对煤粉仓煤粉密度的给定来计算给煤量,显示有关参数的趋势曲线图,并设有手动方式。

3.10 系统功能画面
  系统任务分为共享和用户两种。共享任务包括:共享任务运行指令、数据保留、计时器、解释性程序、报警登录、报表打印、EDI(外部设备接口)、计数器、数据库和打印机等;用户任务包括:用户任务运行指令、图形运行、数据保留、报警一览、解释性程序、计数器、趋势记录和数据库等。
  此外还有屏幕打印和报表打印功能。

4 软、硬件安装调试步骤

  1)按设计选型及配置要求检查到货硬件;
  2)按规范和计算机自身要求处理系统接地和屏蔽接地,以避免对系统干扰;
  3)按规范和计算机自身要求完成接线工作并核对接线的正确性;
  4)对计算机系统硬件进行通电测试检查,发现问题及时处理;
  5)安装系统软件,进行网络通讯调试;
  6)安装已编制好的工控应用软件,并进行组态和下装;
  7)采用在线监控和强制方式进行开关量和模拟量数据采集回路的测试,发现问题及时查找原因和处理;
  8)如条件允许可全部或部分进行模拟控制运行试验;
  9)系统投入运行,进行联动试车,并对其技术性能进一步补充和完善;

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