1 引言
隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠的可編程控制器（PLC）、數(shù)字調(diào)節(jié)器、智能儀表、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、集散控制系統(tǒng)（DCS）等為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的綜合自動(dòng)化提供了必要的硬件條件，但要實(shí)施CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）和CIPS（計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)）概念下的綜合自動(dòng)化，需投入大量資金，這對(duì)于中小企業(yè)來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現(xiàn)的。采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的低成本綜合自動(dòng)化，對(duì)提高工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化水平具有重要意義。根據(jù)國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策，立窯水泥廠因其固有的弱點(diǎn)，將被逐步淘汰。一些中小型水泥企業(yè)己經(jīng)或正在籌建600~1000t/d規(guī)模的新型干法窯生產(chǎn)線。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
水泥工藝過(guò)程是處理固體和粉狀物料的生產(chǎn)過(guò)程，從過(guò)程控制的角度來(lái)看，是1個(gè)滯留時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)間常數(shù)大、外來(lái)干擾多、相互干擾關(guān)系復(fù)雜的過(guò)程。在水泥制造過(guò)程的3大部分（原料制備、熟料燒成、水泥制成）中，熟料燒成系統(tǒng)是個(gè)互相干擾因素多、控制復(fù)雜、在質(zhì)量和節(jié)能方面占有重要地位的關(guān)鍵過(guò)程。主要流程是：來(lái)自原料制備系統(tǒng)的生料由預(yù)熱器塔頂加入，在5級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)窯內(nèi)與燃燒的高溫氣體進(jìn)行熱交換，經(jīng)過(guò)回窯內(nèi)燒成的熟料由單筒冷卻機(jī)進(jìn)行急冷。因此燒成過(guò)程的3個(gè)部分（預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)）相互干擾，形成反饋的動(dòng)態(tài)情況。有時(shí)為了穩(wěn)定某參數(shù)而采取相應(yīng)操作，其結(jié)果不僅未達(dá)目的，反而對(duì)其他參數(shù)產(chǎn)生不良的影響，因果關(guān)系復(fù)雜。例如：物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燒成狀態(tài)只能由燒成帶溫度、窯傳動(dòng)功率、窯尾廢氣溫度及成分、窯尾溫度、熟料溫度等多種間接參數(shù)來(lái)推定。
3 過(guò)程控制思想
600t/d干法窯生產(chǎn)線過(guò)程控制采用美國(guó)Honeywell公司的SCAN3000中小型DCS，該系統(tǒng)基于客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server）技術(shù)，是適合中小型企業(yè)的高性能、低成本、全開放、模塊化的集散控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模為20~20000點(diǎn)，系統(tǒng)配置十分靈活。
生產(chǎn)線上主要的設(shè)備控制、監(jiān)視、報(bào)警及打印報(bào)表等管理功能都由中控室執(zhí)行，控制硬件分布在生料磨、窯尾和窯頭3個(gè)過(guò)程站內(nèi)，過(guò)程站與中控室之間由數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)提供雙向信息處理和信息傳送。
控制功能分為模擬控制和邏輯控制2大部分，設(shè)在過(guò)程站機(jī)柜內(nèi)的S9000控制器由2個(gè)各自獨(dú)立的CPU構(gòu)成，其中1個(gè)CPU專門用于模擬控制，另1個(gè)CPU則用于邏輯控制。S9000控制器接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各種測(cè)量溫度、壓力、流量、閥位等過(guò)程變量傳感器的信號(hào)，所有過(guò)程站的過(guò)程控制信息由數(shù)據(jù)通道送往中控室，在氣中控室實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的模擬控制和邏輯控制。3臺(tái)帶有彩色CRT的工作站進(jìn)行各種過(guò)程測(cè)量、圖像顯示及報(bào)警顯示；鍵盤和鼠標(biāo)器作為輸入端完成生產(chǎn)線的控制，進(jìn)行各種組態(tài)以及控制參數(shù)的設(shè)定、畫面的調(diào)用、設(shè)備的啟動(dòng)和停機(jī)；2臺(tái)打印機(jī)提供各種報(bào)表和報(bào)警的永久記錄；3臺(tái)工作站中有1臺(tái)兼有服務(wù)器的功能，它提供并維護(hù)1個(gè)高性能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。
4 控制系統(tǒng)描述
SCAN3000控制系統(tǒng)具有控制功能分散、監(jiān)視高度集中的特點(diǎn)，而且在DCS通訊領(lǐng)域中采用了基于Windows NT的客戶機(jī)/服務(wù)器技術(shù)，即以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)支持高效率的操作。運(yùn)行在Windows NT多任務(wù)操作系統(tǒng)下，SCAN3000系統(tǒng)的服務(wù)器執(zhí)行所有主要的系統(tǒng)功能：數(shù)據(jù)收集和處理，報(bào)警和事件管理，歷史數(shù)據(jù)的采集、歸檔和趨勢(shì)顯示，報(bào)表生成，標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)應(yīng)用軟件和用戶生成應(yīng)用軟件的執(zhí)行。600t/d干法窯生產(chǎn)線過(guò)程控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖l所示，主要組成部件虧：服務(wù)器、工作站、S9000控制器、過(guò)程控制網(wǎng)（以太網(wǎng)）。
4.1 S9000控制器
S9000控制器是SCAN3000控制系統(tǒng)的基本部件，集成高速的邏輯控制，綜合的順序控制和精確的連續(xù)控制，具有雙CPU結(jié)構(gòu)，1個(gè)CPU專門用于回路調(diào)節(jié)和順序控制，另1個(gè)CPU則專門用于邏輯控制。S9000控制器完成的4個(gè)主要控制功能是：順序控制、模擬控制、邏輯控制、I/O監(jiān)視，即可以獨(dú)立操作也可以集中利用。
1）調(diào)節(jié)回路功能用于回路調(diào)節(jié)控制和順序控制功能的CPU用來(lái)控制各種不同的連續(xù)和非連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，由現(xiàn)場(chǎng)獲取模擬、數(shù)字等輸入信號(hào)，按照給定的算式和控制順序來(lái)完成各種計(jì)算和控制，并向現(xiàn)場(chǎng)提供模擬和數(shù)字輸出信號(hào)，同時(shí)可以人為地輸入控制策略來(lái)監(jiān)視或改變過(guò)程操作。
S9000控制器可以同時(shí)控制最多32個(gè)PID回路、96個(gè)模擬量輸入、960個(gè)I/O點(diǎn)、32KB邏輯內(nèi)存，在0.5S內(nèi)可以進(jìn)行8個(gè)回路的數(shù)據(jù)處理和控制，還配置了支持與/或修改控制動(dòng)作的輔助控制算法，可完成所有控制策略元件之間的連接，并包含邏輯控制算法。
S9000控制器不僅能滿足在I/O能力、應(yīng)用內(nèi)存、掃描速率等方面的各種要求，還具有ACCUTUNE自整定調(diào)節(jié)功能，能自動(dòng)地調(diào)整過(guò)程控制回路，使之獲得最高的運(yùn)行效能。
分布在生產(chǎn)線上3個(gè)過(guò)程站內(nèi)的S9000控制器分別完成各個(gè)區(qū)域的模擬控制及過(guò)程變量的監(jiān)視。通過(guò)中控室的工作站，操作人員可監(jiān)視S9000控制器各個(gè)回路的測(cè)量值PV和給定值鈕，并隨時(shí)可改變SP設(shè)定值以及手動(dòng)/自動(dòng)控制的切換，S9000控制器還具有趨勢(shì)記錄功能，它為工作站提供過(guò)程參數(shù)的平均值和趨勢(shì)的信息。
2）邏輯控制功能S9000控制器的邏輯控制功能包括接點(diǎn)、鎖存器、順序器、計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器等元件。分布在3個(gè)過(guò)程站內(nèi)的S9000控制器分別完成3個(gè)馬達(dá)控制中心（MCC）的設(shè)備開停機(jī)和聯(lián)鎖順序控制。3個(gè)MCC分別控制以下區(qū)域：①生料配料庫(kù)、生料磨及生料均化庫(kù)頂；②生料均化庫(kù)底、窯尾預(yù)熱器及廢氣處理系統(tǒng)；③回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)及熟料庫(kù)。
邏輯控制主要完成的功能為：①按一定順序分組控制設(shè)備的啟動(dòng)和停機(jī)；②向工作站提供所有數(shù)字量信息，使其顯示出所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；③提供設(shè)備故障分析及報(bào)警。
3）I/O模件S9000控制器配置多種I/O模件：開關(guān)量輸入模件DI、開關(guān)量輸出模件DO、模擬量輸入模件AI、模擬量輸出模件AO、通用模擬量輸入模件（直接與傳感器連接）、熱電阻輸入模件RTD、智能通訊模件Minicop等等。
4）S9000控制器的組態(tài)S9000控制器的組態(tài)可以采用傳統(tǒng)的繼電器梯形邏輯圖和功能模塊的編程方法，也可以采用Honeywell公司創(chuàng)新的連續(xù)控制圖和順序控制圖的編程方法。主要的圖形化組態(tài)工具有下述3項(xiàng)：①連續(xù)控制圖采用SAMA型控制棋塊，以圖形化來(lái)表示連續(xù)控制過(guò)程；②順序控制圖采用圖形化的流程和順序控制模塊，將批量操作組成邏輯步驟；③繼電器梯形邏輯圖采用電氣人員熟悉的邏輯元件及梯形圖編制組態(tài)中的邏輯功能。
4.2 與數(shù)據(jù)高速公路（DHW）的連接
SCAN3000與TDC3000的DHW之間的接口采用低成本更新TDC老系統(tǒng)的方法，使SCAN3000與所有DHW上的設(shè)備共同運(yùn)行，并提供增強(qiáng)型的圖形和報(bào)警、長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)的收集、MIS網(wǎng)絡(luò)連接，以及遠(yuǎn)程工作站等。
4.3 工作站/服務(wù)器
工作站軟件以MS-DOS和Windows3.1為基礎(chǔ)，控制組態(tài)軟件包括連續(xù)控制圖、順序控制圖、梯形邏輯圖、設(shè)定點(diǎn)程序、處方和上/下裝載軟件；監(jiān)控軟件包括預(yù)定義格式畫面、用戶流程圖、報(bào)警和歷史趨勢(shì)及報(bào)表軟件。此外還采用了與Windows 3.1兼容的中文軟件，使系統(tǒng)具有漢化功能。
工作站上的高分辨、彩色三維圖形和完善的窗口技術(shù)為操作員提供了優(yōu)秀的人機(jī)界面，在1個(gè)屏幕上可以顯示多個(gè)窗口，或者為全屏幕固定顯示l個(gè)窗口以防止對(duì)系統(tǒng)的誤操作，窗口環(huán)境能使操作人員快速地訪問(wèn)到各類信息。
SCAN3000系統(tǒng)提供了Microsoft Windows或X Windows/MOTIF用戶界面選擇，在使用現(xiàn)有的硬件上具有很大的靈活性。設(shè)在中控室的工作
站用來(lái)監(jiān)視和操作整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，為控制系統(tǒng)提供通訊、顯示及報(bào)表管理等功能，其結(jié)構(gòu)如同1組子系統(tǒng)模塊的組合，根據(jù)不同工業(yè)控制系統(tǒng)的需要，可以進(jìn)行最基本或最復(fù)雜的子系統(tǒng)組合，控制系統(tǒng)中所有的點(diǎn)都可以在工作站上進(jìn)行顯示和控制。
工作站還提供多種顯示和操作方式，如采用鼠標(biāo)或按鍵，操作員可選擇習(xí)慣方式與控制系統(tǒng)對(duì)話，完成3種主要的操作：顯示、控制、改變過(guò)程參數(shù)。工作站上集成的軟/硬件還可以完成趨勢(shì)、平均值/h、報(bào)警、打印輸出、啟動(dòng)/停機(jī)動(dòng)作，系統(tǒng)和通訊自診斷等功能。3臺(tái)工作站既互相獨(dú)立又可以相互代替。
l）工作站的主要功能①模擬控制、數(shù)字控制以及非控制變量的顯示；②控制回路的操作；設(shè)定值、控制方式、輸出值、自動(dòng)/手動(dòng)選擇；③趨勢(shì)及平均值/h；④產(chǎn)生報(bào)警并顯示；⑤用戶流程圖顯示；⑥報(bào)表和歷史檔案；⑦系統(tǒng)組態(tài)及配置；③系統(tǒng)和通訊自診斷及報(bào)告。
2）工作站上常用的顯示畫面①生產(chǎn)線操作模擬圖和工藝流程模擬圖：用來(lái)操作和顯示生產(chǎn)線上工藝設(shè)備的運(yùn)行情況及過(guò)程變量數(shù)值。主要畫面有組顯示、細(xì)目顯示、單元總貌顯示、單元細(xì)目顯示、用戶流程圖顯示等；②報(bào)警一覽表：即報(bào)警總貌顯示，顯示所有的報(bào)警情況；③趨勢(shì)組顯示；顯示重要的過(guò)程參數(shù)的變化趨勢(shì)曲線；④數(shù)據(jù)通道狀態(tài)顯示；⑤S9000控制器診斷顯示。
3）工作站上主要的控制指令①啟動(dòng)或停止某1個(gè)“順序”；②改變過(guò)程變量的給定值或輸出值；③對(duì)調(diào)節(jié)回路選擇自動(dòng)控制或手動(dòng)控制。
4）歷史數(shù)據(jù)的收集和訪問(wèn)SCAN3000系統(tǒng)具有提供收集、分析和報(bào)告生產(chǎn)過(guò)程及有關(guān)數(shù)據(jù)的綜合性能力。
?、贇v史數(shù)據(jù)收集：以1S到24h的時(shí)間間隔，用瞬時(shí)值或平均值方式來(lái)收集生產(chǎn)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)和其他有關(guān)數(shù)據(jù)（包括點(diǎn)的參數(shù)等），可以在線保存大量的歷史數(shù)據(jù)，并且有自動(dòng)歸檔到外存的優(yōu)點(diǎn)，因此可處理無(wú)限量的歷史數(shù)據(jù)。在趨勢(shì)顯示、用戶流程圖、報(bào)表，以及其他基于SCAN3000的應(yīng)用和基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用均可以使用歷史數(shù)據(jù)；
?、谮厔?shì)：借助強(qiáng)大的的趨勢(shì)功能，可以分析歷史數(shù)據(jù)。通過(guò)簡(jiǎn)單的組態(tài)，趨勢(shì)圖可以各種方式顯示出來(lái)，顯示格式包括：?jiǎn)吸c(diǎn)趨勢(shì)、雙點(diǎn)趨勢(shì)和3點(diǎn)棒狀圖顯示；多筆和多量程曲線圖；x-y分散點(diǎn)顯示；數(shù)據(jù)表格形式顯示及組趨勢(shì)顯示，共5種。在趨勢(shì)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、在線歷史數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的同時(shí)，將當(dāng)前的批量過(guò)程情況及生產(chǎn)過(guò)行參數(shù)與最佳的批量過(guò)程及生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)相比較，操作人員由此找出偏差，從而進(jìn)行正確的操作；
?、蹐?bào)表：SCAN3000系統(tǒng)內(nèi)置了報(bào)表功能格式化和分析數(shù)據(jù)，采用可組態(tài)的自由格式報(bào)表工具，可生成各種用戶化的報(bào)表，對(duì)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)執(zhí)行運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)。主要的報(bào)表包括：生料配料配比及總量班報(bào)表（平均值/h）；主機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速和電流值班報(bào)表（平均值/h）；生料、煤粉、熟料的產(chǎn)（耗）量/h及重要工藝參數(shù)值班報(bào)表（平均值/h）；2磨1窯產(chǎn)量、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、臺(tái)時(shí)產(chǎn)量、運(yùn)轉(zhuǎn)率，以及耗煤量的日、月、年報(bào)表。
4.4 網(wǎng)絡(luò)與通訊SCAN3000控制系統(tǒng)可提供與PC網(wǎng)絡(luò)或其他系統(tǒng)的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的安全通訊。采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通訊協(xié)議及接口，SCAN3000可以與多個(gè)本地/遠(yuǎn)程的工作站，以及MS-DOS、U-NIX或開放的基于VMS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊。在這種聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)上執(zhí)行應(yīng)用，可以下列2種方式存取實(shí)時(shí)的或歷史的數(shù)據(jù)。
1）支持Windows動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）的Windows應(yīng)用，能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)DDE （Net DDE）為Windows客戶軟件獲取“點(diǎn)參數(shù)”數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。
2）其他如調(diào)度、建模、MES和制造資源規(guī)劃等應(yīng)用，可以通過(guò)SCAN3000網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口，讀寫SCAN3000數(shù)據(jù)庫(kù)。 SCAN3000系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程通訊能力，支持的通訊媒體包括：衛(wèi)星、無(wú)線電、微波、對(duì)流層散射、海底電纜、光纖、租用電話線、PSIN、ISDN和X.25等。聯(lián)網(wǎng)和通訊能力為控制系統(tǒng)今后的軟硬件開發(fā)與擴(kuò)展均奠定了良好的基礎(chǔ)。
5 控制策略及應(yīng)用效果
針對(duì)水泥工藝過(guò)程滯后長(zhǎng)、干擾多的難題，在2個(gè)主要環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的控制策略。
5.1 前饋與串級(jí)控制
解決大慣性系統(tǒng)的控制滯后問(wèn)題。在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，生料磨的出磨氣體溫度控制回路是滯后時(shí)間長(zhǎng)的大慣性系統(tǒng)，若采用單級(jí)PID反饋控制，由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后，PID參數(shù)難以整定，其結(jié)果是控制不穩(wěn)定，振蕩劇烈，系統(tǒng)控制品質(zhì)差。解決辦法是：引入入生料磨混合氣體溫度作為串級(jí)控制副回路的PV變量，引入入生料磨熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)閥位的來(lái)乘積作為冷風(fēng)閥位控制的前饋?zhàn)兞浚氤錾夏怏w溫度作為主回路的PV變量，將冷風(fēng)閥位作為控制輸出的主調(diào)節(jié)量。采用上述策略后，系統(tǒng)技運(yùn)順利，控制平穩(wěn)，PID參數(shù)整定方便，系統(tǒng)響應(yīng)快，抗負(fù)荷擾動(dòng)能力強(qiáng)，達(dá)到很好的控制效果，保證生料磨在穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行。
5.2 多變量協(xié)調(diào)控制
解決多參數(shù)多變量綜合控制問(wèn)題。水泥回轉(zhuǎn)窯是水泥生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是1個(gè)滯后時(shí)間長(zhǎng)的多變量控制系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行中要根據(jù)風(fēng)溫、分解率、廢氣溫度等參數(shù)，選擇合適的噴煤量、風(fēng)量、窯轉(zhuǎn)速等操作變量以達(dá)到控制回轉(zhuǎn)窯穩(wěn)定運(yùn)行的目的。由于相關(guān)的參數(shù)和控制變量很多，如：如窯尾溫度、窯頭溫度，5級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器中各級(jí)溫度和壓力、廢氣成分、生料喂料量、噴煤量、風(fēng)量、窯轉(zhuǎn)速、高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、增濕塔出口風(fēng)溫等，這些變量要通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)控制或開關(guān)控制，是個(gè)復(fù)雜的多變量多輸入多輸出系統(tǒng)。
對(duì)此系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)分散控制策略，將系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，將各子系統(tǒng)中最重要的變量分別采用單級(jí)PID調(diào)節(jié)或多級(jí)PID串級(jí)加前饋的算法調(diào)節(jié)，使每個(gè)子系統(tǒng)成為相對(duì)獨(dú)立的穩(wěn)定運(yùn)行的控制回路，采用多變量協(xié)調(diào)算法將各子系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)協(xié)調(diào)控制，形成完整的控制系統(tǒng)。
6 結(jié)語(yǔ)
高性能、全開放、規(guī)模靈活、成本較低，是SCAN3000控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，也是600t/d干法窯生產(chǎn)線過(guò)程控制系統(tǒng)選型的著眼點(diǎn)。該集散控制系統(tǒng)于1998年底完成安裝調(diào)試及試運(yùn)行，現(xiàn)已投入正常運(yùn)行。隨著該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和不斷開發(fā)完善，在生產(chǎn)和管理上起著控制生產(chǎn)設(shè)備、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、加強(qiáng)科學(xué)管理和輔助科學(xué)決策的作用，對(duì)企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)能力，獲取經(jīng)濟(jì)效益將起重要的促進(jìn)作用。
（轉(zhuǎn)載）
