可編程系統、集散系統及現場總線系統在水泥生產中的應用
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在水泥生產中，過程控制系統完成生產工藝參數的檢測、顯示、記錄、調節、控制、報警等功能，它對提高水泥生產線的作業率，改善產品質量及縮短新產品、新工藝的開發周期起著極其重要的作用。其特點是對生產實時過程進行控制，控制過程復雜，工藝滯后，監控參數多且數據變化快，數據處理及貯存量大。根據過程控制系統的特點及不同生產工藝過程控制要求，應用不同的控制系統才可以既安全可靠又經濟高效地完成生產任務。目前，國內先進的大、中型過程控制系統基本上以采用PLC 和DCS 為主。早期水泥行業的生產控制主要是采用常規儀表加繼電保護聯鎖控制，在現場設置電氣柜、儀表柜及操作臺?？刂剖覂燃锌刂平Y合機旁單機控制。使得硬件數量和投資大量增加，安裝與維護不便，影響了生產效率。上世紀80年代，由于可編程控制器(PLC)的應用，使水泥工業的自動化程度得到提高，每個車間單獨用PLC進行控制，直至90年代初，可編程控制器與計算機構成的集散控制系統(DCS)開始應用，這在一定程度上提高了水泥工業的自動化生產水平，改善了生產管理，而且，在相當長的時期內，各企業仍然會采用DCS系統。但是，隨著計算機、通信網絡等信息技術的飛速發展，水泥工業的自動控制系統正向著智能化、數字化和網絡化方向邁進，傳統的集散控制系統和計算機分層控制方式也開始向智能終端與網絡結合的現場總線控制系統（Fieldbus Confrol System）方向發展[1]。
下面簡要分析一下PLC、DCS 及FCS 在水泥生產過程控制中的不同應用特點及選擇原則。同時,解決好傳統儀表與現場總線的兼容問題。
2 各種控制系統的特點
2.1 PLC 系統
PLC 系統主要特點是：工作可靠，運行速度快；積木式結構，組合靈活；良好的兼容性；程序編制及生成簡單、豐富；網絡功能強。PLC 系統能很好地完成工業實時順序控制、條件控制、計數控制、步進控制等功能；能夠完成模/數（A/D）、數/模（D/A）轉換、數據處理、通訊聯網、實時監控等功能。
2.2 DCS 系統
DCS 是目前工業過程控制領域里應用很成熟的一類控制系統, 與常規控制系統和集中控制系統相比, 它具有很好的適應性和擴張性, 控制功能主要由軟件實現, 具有很高的靈活性和完善的控制能力, 由于系統采用模塊化結構和各種冗余技術, 系統的可靠性高, 加上完善的在線故障診斷技術, 系統的可維修性好, 因此DCS 在工業過程控制領域得到了廣泛的應用和發展, 而且也取得了很好的控制效果。然而, 隨著控制技術和計算機技術的發展, 仍有一些問題有待解決。一是系統的開放性的問題。目前, DCS 通常都是由一個供應商提供整個系統的所有部件, 包括軟硬件, 各廠家都有自己的通信協議, 產品之間不能兼容, 這實際上造成了系統的封閉, 也在一定程度上制約了DCS 的發展。另一個重要的問題是系統與現場儀表的通信問題。目前, 現場測量儀表、執行器與DCS 之間仍然是采用一對一的DC4～20mA 的標準模擬信號。這種傳統的檢測、傳送和輸出方式存在以下缺點。
①每路信號必須使用一對信號線, 這一結構的特點是信號線數目隨著測點的增多而增多, 給系統的擴充和維修帶來一點困難, 且信號線的長度受到限制。②每路模擬信號之間必須有良好的隔離, 保護措施, 以防止互相干擾。③現場儀表本身沒有自檢功能, 無法向計算機報告儀表的狀態, 由于接線不良所引起的誤差無法自動檢測。④各個現場檢測儀表的標識與定位是通過接線確定的, 這是一種隱式的定義, 很容易發生錯誤,而且查找困難。⑤儀表的輸出信號一般不能直接共享, 而必須在進入計算機并成為數字信號后才能共享。在這樣的背景下, 現場總線控制系統應運而生, 它很好地解決了DCS 中開放性的問題以及系統與現場儀表的通信問題[2]。
2.3 現場總線控制系統
現場總線技術是20 世紀80 年代后期出現的,現場總線是指制造、生產過程中從控制室到現場儀表裝置之間的數據總線, 實現現場儀表與計算機控制之間的全數字化、高性能、兩線制、多支路的通信網絡。
現場智能儀表使得控制系統的接線變得簡單,由于每個現場儀表就是一個控制站, 測量和控制在現場由現場儀表來完成, 而不依賴于系統的操作,與上位監控系統相對獨立, 這樣, 現場儀表與系統的接線就簡化了, 從控制現場到控制中心只需要標準的網絡線連接, 而且可以多臺儀表共用一對電纜, 這樣大大節約了電纜, 以及相應的接線盒等硬件資源, 同時也為系統的硬件維護提供了方便, 減少了出現問題的可能性。
①系統具有很好的開放性。開放性是指對相關標準的一致性、公開性。一個開放的系統, 是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設備和系統連接, 通信協議一致公開, 各不同廠家的設備之間可實現信息交換?，F場總線就是這樣的一個工廠底層網絡的開放系統。
②互可操作性與互用性?；タ刹僮餍允侵富ミB的設備或系統之間可以互傳信息, 互用性即可替換性, 即不同廠家的同性能的產品可以互相替換。
③現場設備的智能化與功能自治性。現場智能儀表自身就可以完成計算與自動控制等基本功能,只有一些高級的控制任務才交給上位機來完成。同時, 它還可以隨時診斷設備的運行狀態。
④系統結構的高度分散。在DCS 控制系統中,分散與集中相結合, 雖然利用基本控制單元把控制任務分散, 但是仍然有很多的控制功能的實現依賴高層計算裝置, 而現場總線實現了控制功能的徹底分散, 簡化了系統結構, 提高了可靠性。
⑤對現場環境的適應性?，F場總線是一種廣泛應用于工廠低層的網絡, 是專為現場環境而設計的, 可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等, 具有較強的抗干擾能力, 能采用兩線制實現供電與通信, 并可以滿足本質安全防爆等要求[3]。
3 傳統儀表與現場總線的兼容
在工業自動化領域, 現場總線已經得到了越來越廣泛的應用, 而且隨著大家對它的認識的增多,對它的認可程度也大大提高, 現場總線將有著廣闊的前景。但是, 由于現場總線的出現時間比較短,特別是在產品開發上面, 還沒有形成一個豐富的完善的產品市場, 而且由于目前協議的眾多, 更加分散了產品開發的力量, 使得現有的產品還不能完全滿足用戶的需要。對于用戶來說, 盡管現場總線系統有著這么多的優點, 但工程費用也是他們是否采納該產品的考慮因素之一。目前智能儀表的價格都比較高, 用戶要全部采用這些新產品, 工程費用會很大。對此,一個很好的解決的辦法是把傳統儀表“掛接”到總線上來, 這樣, 利用了總線的控制和通信技術, 同時又節省了硬件開支, 特別是對于系統改造的用戶來說, 很好的利用了他們的已有設備。實現傳統儀表與現場總線兼容的設備就是標準信號―現場總線轉換器和現場總線標--準信號轉換器。標準信號―現場總線轉換器的主要功能是把由傳感器采集來的DC4～20mA 的模擬信號轉換為符合總線協議的數字信號, 完成計算、控制等基本控制任務, 還對設備的運行狀態實時的在線診斷。可以3 路或是4 路多路輸入, 減少每一路的成本。現場總線―標準信號轉換器的功能主要是將符合總線協議的信號轉換位CPU能夠識別的信號, 再進行計算處理, 最后轉換為DC4～20mA 的模擬信號, 輸出到執行機構[4]。
4 控制系統的選擇
由于現場總線FCS 系統仍處于發展階段，標準未統一，各設備生產廠家處于觀望狀態，現有總線標準的智能設備價格明顯偏高（如變送器2 萬元）。水泥行業具有調節回路較少、監視參數多的特點，現場總線FCS 控制系統應用較少，部分應用也是作為PLC系統的遠程終端，一般采用Profibus 總線。這里主要介紹DCS 與PLC 控制系統的選擇。隨著微電子技術尤其是個人計算機技術的飛速發展，PLC 和DCS 的性能都有了極大的改進。PLC大大提高了數據處理功能和通訊與監控功能，DCS 系統向開放性發展，操作站采用工控機，操作系統采用通用的Windows NT 操作平臺，PC 機豐富的軟件資源得以利用，因而大大降低了系統繁瑣程度和價格，提高了系統的性價比。PLC 和DCS 在搶占市場的過程中，兩者相互借鑒、滲透、融合，極大地增加了用戶在設計和使用中的選擇性。同時，由于各種控制系統生產制造廠家較多，產品更新換代快，也給系統選擇帶來一定困難?，F依據PLC 系統和DCS 的不同特點，在水泥建設和改造項目中，對過程控制系統的設計選型和應用歸納總結以下原則進行選擇。
4.1 按過程控制系統的控制規模及復雜程度
不同的水泥生產過程，過程控制系統控制規模與復雜程度不同，通常在過程控制系統規模較大、復雜程度較高時優先選擇DCS。因為該系統是根據過程控制系統的特點發展而來的，它對大量的模擬量數據信息能較好地進行處理、分析、運算，能完成各種復雜、繁瑣的調節控制計算，因此能夠完成規模大、復雜程度高的過程控制系統的工作。2002 年在貴陽水泥廠二期工程設計中，根據此項原則過程控制系統采用了日本橫河?XL DCS 取得了較好的效果，系統配置如圖1 所示。
4.2 按投資規模和項目經濟效率合理選擇
在一些中小型改造項目中，投資較少，規模較小的儀控系統應優先選擇價格相對低廉、性價比較好的PLC 系統。如在2003年，重慶水泥廠技改工程設計中，根據此項原則在過程控制系統中選用了美國德州儀器（TI）公司生產的TI-545 系列PLC 系統，也取得了很好的效果。該系統配置如圖2 所示。BA 機架 RBC 遠程控制器 PS 電源模塊 CPU 處理器 AI 模擬量輸入模塊 AO 模擬量輸出模塊 DI 開關量輸入模塊 DO 開關量輸出模塊 NIM 網絡連接模塊。
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