干法水泥生产线的DCS实现.docx
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干法水泥生产线的DCS实现
干法水泥生产线的DCS实现
整套系统的是用ABB的控制系统的工程开发工具CBF进行开发的。
CBF是一个集组态，工程调试和诊断功能为一体的工具软件包，其中组态包括硬件配置、控制策略、人机接口等，能方便的完成自动化组态，同时也是一个高性能的过程调试工具。
组态来源于英文单词Configure，指的是配置、设定，用户在进行组态开发时，可以通过类似搭积木的组合进行开发，无需进行过多的程序编写，这就是组态的由来，也称为二次开发，而且该软件还支持对外部模块的调用，提供了标准化的通信接口，方便用户进行功能扩展。
整套水泥生产线的所需的各种控制算法和策略都可通过CBF来实现组态的，而且CBF还是完成控制策略开发与组态画面编辑并下载到对应站点的工具。
1控制系统实现
项目树是用于管理和调试整个用户程序的框架，因此也是组态内容的核心内容。
整条生产线所有项目的各种组态均用树状结构显示，可通过项目树方便的访问系统组态的任意部分，与我们常用的MicrosoftWindows操作系统中的文件管理模式类似，结构直观，简单易懂。
新建好的组态开始时包含两个项目级，一个为刚才键入的某水泥厂有限公司，一个为暂存池项目级，暂存池主要用于临时存放项目程序或者未经检查的程序内容，我们需要点击编辑菜单栏下的插入下一级钮，完成插入下一级功能块的工作，选择配置对象，键入名称烧成窑尾，点击时区配置按钮，检查并配置时区。
在某泥厂有限公司项目下，按照功能与现场配置，需要插入各种功能模块。
其中包括:
冗余过程站级资源AC800F，当未分配给现场过程站时，显示的是D-PS/RED;用户功能模块库P-FB，该功能块是用来存放用户用标准功能块编辑的特殊控制程序的，命名为自定义模块;操作员站级资源VIS，主要是只在操作员站运行Digivis，未将该资源分配给操作员站是显示的是D-OS;公共显示池P-CD，该模块主要完成的是公共显示部分的编辑，可以在操作员站显示。
按照之前的系统配置，完成功能块编辑命名后的项目树界面见图4-1，其中包括6个操作站，1个工程师站，工程师站与趋势服务器公用，同时还兼有操作站功能，与之前中央监控网的设计一致。
图1系统项目树
CBF的组态开发包括硬件组态与软件开发，硬件组态就是完成硬件在软件上的映射，在功能菜单下，将硬件设备的连接反映到软件上，每个控制器的组成，设备型号，IP配置等。
软件开发组要完成参数转换，逻辑控制，报警设定等，还包括监控画面的组态开发以及显示参数的对应。
所有的操作站与控制站，都连接在一个路由器上，为了保证通信的顺利进行，为了不出现通讯冲突，需要为每个操作站与控制站配置一个独有的ID，而且在操作站的CBF软件初次安装启动时，需要对软件进行通用设置，其中就包括了IP地址，还包括Digivis部分，还需要配置资源ID数，这两点都需按照资源分配表进行填写，对于IP与站点资源的分配见表1，配置结果见图2。
操作站的IP地址，是通过设置电脑的网络连接中的IP实现的，因此也许将电脑的IP按照资源分配表设置。
图2网络配置
1.1控制器配置
在CBF组态编辑时，项目树中所定义的所有资源，都会有相对应的一个实际硬件，该实际的硬件，例如AC800F控制器，但是每个控制站，会依照不同的功能，配置不同的功能块，所以需要在软件中实现与实际配置相同的对应，因此需要在系统功能菜单下的硬件结构功能下完成对硬件的组态。
下面以图6所对应的烧成窑头控制站下的煤粉磨工艺控制电器柜为例，介绍硬件组态实现。
首先需要在硬件结构功能下插入一个AC800F控制器，命名为FI830F，安装位置选为3，控制器名将显示在标签列表中，右键点击选择配置参数，CPU选为PM803F,再右键点击控制器名，选择资源指定，在弹出的窗口中选择烧成窑头控制站对应的2。
双击硬件结构图中的对应控制器，按照硬件组成，在P卡槽插入SA811F电源模件，E2卡槽插入EI813F以太网模件，F1卡槽插入FI830FProfibus通讯模件。
FI830FProfibus通过与CI801S800模件进行通信，读取I/O口数据。
窑尾电气室的该电气柜的CI801S800主站功能块下接入了12个功能块，从上而下为9个DI810功能块，3个D0810功能块。
在标签列表下依次插入各功能块选择对应型号，还需更改定义每个功能块输入口的信号范围，数据类型。
设置好后的硬件组态图与实际硬件图见图3:
图3控制器与控制器组
1.2I/0口配置
ControlBuildF的组态模块在块功能菜单下，其中包括模拟量块，开关量块，一般我们所认为的液位开关、压力开关的开断也可以认为是1和0,，也就与我们常认为的数字量一致。
块功能下有众多的子模块，见图4，包括了:
模拟量;开关量;常量;采集;转换;运算等。
本文以模拟量为例，简要介绍各常用的模拟量功能块:
模拟输入累积，完成把模拟值加上一个校正信号后转换为数字值;线性化，将热电偶所输出的电阻值按标准协议转换为对应温度值;设定点控制器，用于无控制器功能的模拟值输入，可选择自动输入方式或手动输入方式;模拟量输入转换，把无符号整形的模拟输入变量转换为实数形式，可定义信号范围是0-20mA还是4-20mA。
图4模拟量组态模块
现在通用的传感器，一般都是选用数字量或模拟量作为信号源，因此输入输出就存在一个数字量与模拟量相互转换的问题，因为模拟信号都是统一选用的4-20mA，而每个传感器所测量的量程范围不同，每个运行设备的控制信号也不同，所以同样大小的信号所代表的数值并不相同，因此需要在进行组态选用合适的模块，依照设备的不同，确定相应的转换关系模拟量模块以旋风分解筒的出口压力采集转换为例做简单介绍，C1旋风筒的出口压力采集变换组态图见图5首先将从I/O模块过来的采用长命名方式命名为PIS1C1P01的压力信号，接入RE模块，RE模块的功能是将一个INT型数据转成REL型的，再接入SCAL功能块一模拟量转换功能块。
模块引脚IN为信号输入端，EN为功能块控制端，通过置0或置1控制功能块，该功能块的主要完成量程变换，对于0-20mA对应的量程为028480，对于温度信号则为-30000至30000图中所示例的模块，028480对应的是压力-80000至0，输出的监测量引入变量监测报警模块M_ISICIPOIC，设置上下限的值，实现对变量值的监控报警，同时输入参数块PISICIPOIC，方便显示调用。
AO模块与AI模块使用方法类似。
图5A工模块组态
数字量模块以DO模块为例做介绍，模块图见图6，组态模块为
M1F2_1_lODO，因为系统选用的是16路的开关量转换开关，因此有组态模块包括16路输入，外加一个ST信号输入端，将16路监测点的信号:
生料入库提斗驱动;生料入库提斗辅助传动驱动;均化库顶斜槽风机驱动;均化库顶袋收尘风机驱动;启动信号板一区驱动;窑尾收尘器拉链机驱动;启动信号板一区驱动;氨逃逸电磁阀二区驱动;入V型选粉机气动三通阀关驱动;入V型选粉机气动三通阀开驱动;出辊压机斗提软启动驱动;生料输送斜槽1#风机驱动;生料输送斜槽2#风机驱动;入仓回灰斗提辅助传动驱动;出辊压机斗提辅助传动驱动依次接入DO模块，模块的输出从OUT端引出。
图6DO模块组态
1.3连锁工艺配置
在各生产工艺的控制当中，需要若干设备进行协调工作才能完成，这些过程中设计到设备的启动连锁、运行互锁等，而这些的设备的启动，又与自身环境有关，还需要结合设备的启动规则进行保护，因此需要对设备设计完善的连锁控制逻辑，如果连锁保护设计不到位，容易导致设备损坏，或是使用寿命短，影响生产线的连续运行，造成经济损失。
在烧制之前，需要准备足够数量的煤粉，才能开始进行烧制，对于燃烧所需要的煤风，也需要机器对醋煤进行处理，常选用辊压机与粉磨机，煤粉的好坏，以及供应量的持续程度，对回转窑与分解炉的炉温控制至关重要。
煤磨主电机型号为YRKK710-8，电机功率为1400kW，额定电压为lOkV，煤磨因为内含钢球，因此仓重很大，因此电机功率很大，因此启动时需要电机提供很大的转矩，考虑到启动电流过大的问题，提出了一种采用液阻柜启动电机的方案，所设计的煤磨控制电路见附录1与附录2。
液阻柜，就是采用特殊介质的水溶液作为电阻，一般将液阻介质存在液阻柜中，针对电机的类型不同，将液阻柜串联入电机的定子回路或转子回路中，绕线式电机一般采用转子串联的方式。
在电机启动时，通过改变两极板之间的距离或者电解液的浓度，来改变电阻的大小，从而使电机以最合理的方式启动。
在主电机启动后45s，如液体变阻柜启动完毕信号还未到，则需要停主电机，对于大型电机，在潮湿地区，还配备了辅助加热器，辅助加热器工作在电机停止工作的时间段，通过加热空气，保持电机干燥，防止电机内部生锈，起到对电机的保护作用，本设备的保护设计，在主电机停机状态下，主电机加热器根据定子温度自动启停，三相定子温度不高于500C时，则启动主电机辅助加热器。
对于通过粉磨设备磨后的煤粉，还需通过煤磨选粉机进行筛选后才能作为最终的燃料，煤粉随风机吹入的空气从下而上进入煤磨选粉机中，经内锥体整流后沿外锥体与外锥体之间的通道，在重力的作用下，减速上升，未达重量要求的煤粉，将会掉落在在收集器中，重新进入煤磨进行粉磨，对于符合粗细要求的煤粉，进入收尘袋中，再进入煤粉仓中，因为煤粉时以风为动力进行输送，因此煤磨也称为风扫煤磨，煤磨机组的设备名称与编号见表1:
表1煤磨控制机组设备
煤磨在正常工作时，在需要启动启动之前，需要确定是否启动了选粉风机，选粉风机的启动逻辑见图7，对应设计的电气图见附录1，在运行过程中，还需要实时监控煤磨入口、出口的温度，收尘组是否正常工作，一氧化碳的含量等参数。
对于对于粉磨设备，还需注意主轴的温度，在主轴温度过高时，不能启动机器，在运行过程中，当煤磨主机停机，而煤磨入口温度≥400℃，磨出口温度≥80℃或收尘袋入口温度≥80℃时，需要将控制煤磨冷风入口的挡板开度调制最大，并关闭热风挡板，而在收尘袋中的CO含量高时，为了防止爆炸事故的发生，需要停止煤磨的工作，CO含量降低到允许值以下时，方可再行启动设备。
图7煤磨选粉机变频器启动逻辑
煤磨机的启动逻辑见图8，所设计的主电机电气图见附录2，对于煤磨，选用的是滑履轴承管磨机，管磨机相对于球磨机，其生产能力强，煤粉细度好，且密封性更为出色，对环境污染小。
管磨机分为多种，小型管磨机一般采用中空支撑的方式，本系统选用了直径在3.8m以上的大型管磨机，因此采用滑履轴承技术，滑履轴承技术就是依靠滑履轴承支撑回转筒，在管磨机工作时，筒体会在滑履轴承上进行滑动，滑履轴承一般采用特殊材料制成以减小摩擦，但是滑履轴承对温度非常敏感，不耐高温。
因此对于滑履轴承管磨机，有两个需要监测的重要部件，一个为主轴承，一个为滑履轴承，既需要对两个轴承提供润滑，还需实时监控两个轴承的温度，电机轴承温度高温高报为80℃,滑履轴承温度高温高报为65℃,温度及滑履轴承温度作安全连锁报警，保证煤磨的安全运行。
图8煤磨主电机启动逻辑
需按照上述所介绍的煤磨电机的启动规律配置启动延时，组态图以及延时配置参数见图9M7303为电机控制模块，依次将输入量:
主电机备妥;主电机运行;主电机气动连锁;主电机运行连锁;主电机安全连锁;储能结束;保护跳闸;连锁跳闸;主电机电流;自动组启动;自动组停止;紧急停止;系统复位信号接入电机控制模块，再配置各引脚信号进入后的连锁逻辑。
TP_DS7303为主电机机合闸驱动模块，输出合闸信号DS7303TPDE7303为主电机分闸模块模块，输出分闸信号DE7303HF7303为故障信号，BELL7303为响铃信号。
图9煤磨主电机启动组态
1.4PID控制配置
因为PID控制是工业控制中常见的选择，因此CBF软件中有功能完善的PID功能块，有连续标准PID，以均化库下料流量阀为例，ADJZY5205cZ01为简单连续标准（C_CS）PID控制模块，PID的设定值采用内部设定模式，不提供外部更改，因此修改的输入引脚不接入，PV引脚作为给定量的输出引脚，out脚输出的是控制量，将阀位控制量输送到量程转换块TZY5204cZ01的IN引脚，再将INT型转换为Real型数，发送给流量阀，组态图见图4-10。
对于稍微复杂的连续通用（C_CU）PID控制的参数整定，如燃气阀的控制，需要综合考虑煤量与空气量，因为两者需按照一定比例混合，因此C_CU类型的PID，可以采用自整定（（TUNE）功能块进行参数整定，将过程变量的PV值同时接入CCU模块与TUNE模块的PV引脚，将PID模块的输出值接入TUNE的PIV引脚，PID模块设置为跟踪模式，具体接线方法与原理不做赘述。
图10均化库下料流量阀组态
1.5模糊控制配置
对于分解炉的模糊控制部分见图11，本文自行开发了模糊控制模块
图11分解炉模糊控制组态
S_MAN_Ctrl,TIAS101TO1为分解炉出口温度与设定值的偏差值，RE模块为型号转换模块，温度偏差值大于5℃时启动微分模块，S_MAN_Ctrl只有当两输入引脚都有信号时才启动，PV引脚为温度偏差微分信号，IN为温度信号，MV为转子秤控制模块，ZIC5204cZ01为转子秤控制量。
模糊控制模块S_MAN_Ctrl，本文所用的模糊控制器，使用的是Matlab中的Fuzzycontrol函数库为基础进行的二次开发，由于Matlab访问硬件能力较弱，我们采用了Matlab与Delphi混合编程的方法，由Matlab提供强大的计算支持，由Delphi提供方便的人机界面和硬件访问、应用进程通讯等功能，CBF软件在开发初期就提供了与标准通信协议程序通信的能力，因此只要混合编程后的模糊
控制程序的对外接口，按照标准通信协议进行封装，就能与CBF软件进行通信。
为此，我们首先构建了一个MatlabRuntimeServer，命名为MatlabX.exe，配置好相关的Java环境，自行注册成一个Service，然后Dephi在调用Matlab计算功能前，创建一个不可见的MatlabOLE对象，通过封装我们实现了常用的函数，如initlay,netprod,clear,ddotprod,newrb,newrbe,dnetsum,calcgrad,calcgx,initnw,dmse,purelin,learngdm,trains,dotprod,mse,tansig,logsig,interpn,ndgrid,ppval,eye,logspace,ones等约200个，这些函数可直接调用。
对于其他函数，则通过strin将函数名直接提交matlab6后台运行。
主要实现方法，可参考以下程序。
2界面开发及优化
随着软件技术的发展，人们对软件的使用要求己经不仅仅局限在软件的功能要求上了，还对软件的易用性以及使用时的舒适度都提出了很高的要求。
人机界面作为一个软件与用户最直接的交流，能直接的影响到用户的体验感，因此在设计时一般需要从交互、输入、显示这几个方面考虑，因此在做软件界面开发时，就需要提前考虑好交互界面的使用舒适性，在满足功能的前提下，而且还需要加入一些帮助与提示信息，引导用户进行正确操作，并减少多余的操作。
本文在设
计界面时，首先遵循水泥生产的工艺流程，将最主要设备放置在显眼位置，监控参数置于设备左右，达到读取参数方便的效果。
选用设备图形时，依照设备实际形状，选择最为接近的图形作为替代，达到一目了然的效果，也能方便用户口后的培训操作，防止因图标不清晰而产生的误操作。
按照统一的设计要求，对于物料，采用带黄色的带箭头的实线表示流向，对于气体的流向，用紫色的带箭头的虚线表示，监控人员能很清晰的从监控画面中了解运行现场物料运输的方向。
对于显示的画面，主要包括三部分:
一部分为设备图形，这部分图形时不会发生变化的，用来代表设备，在固定流程里一定会出现的，但是电机会根据工作状态的不同，改变工作状态显示器的颜色，另一部分为点击设备后弹出的操作画面，此部分各设备有所不同，另一部分为监控参数显示部分，如温度，压力，流量等，该部分会随底层数据的更新而实时更新，需要显示的参数需要在界面组态开发时做好与底层数据的对应关系。
对于整套系统的开发，操作界面颜色的选取，设备名称的标准等内容，需要在设计之初就做出决定，通常需要满足简单易懂，便于记忆等原则，减轻开发人员的编辑压力，同时也使操作人员能够直观的从显示界面上了解所需信息，不容易被误导，接下来简要介绍主要的几个设计规则。
由于操作界面主要可以分为以下几个类型:
流程图画面;启停组画面;趋势图;事件与报警图像。
因此在流程图当中，色标的定义为:
黑色:
作为人机界面的背景色;
紫色:
表示高温气体输送线;
深蓝色:
表示水流;
褐色:
表示原煤及煤粉输送线;
红色:
表示高级别报警;
绿色:
表示设备“运行”状态;
黄色:
表示低级别报警以及熟料、熟料输送线;
绿色闪烁:
表示设备正在启动过程中
灰色:
表示设备实体;
白色:
设备轮廓和低温气体输送线。
因为生产线当中主要以电机作为各设备的动力来源，而电机有多种工作状态，因此在流程图中，需要有明显的颜色区别，让操作人员判断电机的工作状态，因此，对于流程图中的电机状态的色标定义为:
白色:
表示设备“备妥”，等待启动;
灰色:
表示设备“未备妥”状态;
红色:
表示设备“备妥”但是有“故障”;
绿色:
表示设备“运行”为中控启动;
暗绿色:
表示设备“运行”为现场启动。
流程图的总体数量为8幅，分别为原料磨操作站3幅:
石灰石及辅材输送过程数据图;原料磨系统过程数据图;辊压机系统画面1幅;煤磨操作站1幅;煤磨系统过程数据图。
窑操作站4幅:
烧成系统总貌图;均化库及窑喂料过程数据图;窑头过程数据图;成品熟料入库及汽车散装输送过程数据图。
操作站对设备的操作方式分为两种:
单机启停，在监控画面中双击选中设备，调出选中设备的调节画面，选择“手动”状态，可在操作面板上选择“启动/停车”，从而完成对单台设备的起、停操作;联锁启停，依照调用监控流程画面的方式调用控制组或启停组，在组操作面板上，通过选择“启动”、“停止”“紧停”按钮，进行设备间的连锁运行操作。
按照工艺流程，启停画面总共7幅:
石灰石及辅材输送启停组1幅;原料粉磨启停组2幅;煤磨启停组1幅;烧成系
统启停组2幅;熟料输送启停组1幅。
对于设备控制器的参数的调节，常用的就是在流程图中，点击需要调节的设备，在弹出的调节面板上进行控制器的参数给定。
对于数据的记录图，常采用的是表格记录的方式，对程过信号、过程目标或计算信号的值进行定时采样后的数据，存储在表格当中。
而对于报警画面，可以分类为事件和报警，指的是在生产过程中或控制系统本身，当有不正常的数据激发报警后，会在DCS流程图上弹窗显示对应的窗口，提醒操作人员结合具体情况采取必要的应对措施。
过程报警和过程事件，都可以定义为报警的过程事件引起的，包括设备跳停和保护报警、速率报警、偏差报警、差值报警等非正常状态和过程值。
在界面组态时，以之前介绍的煤磨控制为例，煤磨辅传电机为编号73033在画图里面选择代表辅传电机的图形，再在动态功能栏里面选择插入增加变量，做好该变量与需要显示的数据之间的对应关系，也就是将所需显示的数据代号输入该变量参数界面选项中，包括煤粉制备界面的显示组态编辑件图见图12:
图12煤粉制备界面组态
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