一、水泥行業(yè)自動(dòng)化簡介： 　　建材行業(yè)是一個(gè)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，它與人類的生活息息相關(guān)。在建材行業(yè)中水泥是一個(gè)主要的組成部分。中國對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的大力投資對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)的水泥提供了持續(xù)的需求。 經(jīng)過長期的發(fā)展，我國水泥產(chǎn)量已多年居世界首位，年產(chǎn)量超過6億噸。但我國并非一個(gè)水泥強(qiáng)國，高標(biāo)準(zhǔn)的水泥依然供不應(yīng)求，能耗指標(biāo)相對(duì)較高。由于落后的生產(chǎn)工藝，水泥制造對(duì)環(huán)境也帶來了不利的影響。為此，國家有關(guān)主管部門提出了用先進(jìn)技術(shù)的新型干法水泥生產(chǎn)來淘汰落后的立窯生產(chǎn)，提出了控制總量、調(diào)整結(jié)構(gòu)、淘汰落后的方針。 現(xiàn)代水泥生產(chǎn)工藝設(shè)備的單機(jī)容量大，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，而且生產(chǎn)過程要求較高的快速性和協(xié)調(diào)性。為了提高企業(yè)競爭力，自動(dòng)控制的實(shí)施至關(guān)重要。自動(dòng)控制能保證生產(chǎn)穩(wěn)定、提高質(zhì)量、降低能耗、降低勞動(dòng)強(qiáng)度以及減少環(huán)境污染。同時(shí)，先進(jìn)的生產(chǎn)控制管理，也要求有可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)和完善的控制技術(shù)水平做為前題和保證。 　　水泥的生產(chǎn)過程通?？煞譃槿齻€(gè)階段：石灰石、粘土質(zhì)原料與少量校正原料經(jīng)破碎后，按一定比例配合、磨細(xì)并調(diào)配為成分合適、質(zhì)量均勻的生料，稱為生料的制備；生料在水泥窯內(nèi)煅燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主的熟料，稱為熟料煅燒；熟料加適量石膏、混合材料共同磨細(xì)成粉狀的水泥，并包裝或散裝出廠，稱為水泥制成及出廠。 　　下圖為水泥廠水泥生產(chǎn)典型工藝流程圖： 水泥生產(chǎn)自動(dòng)化已成為水泥生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展所不可缺少的環(huán)節(jié)。水泥生產(chǎn)及工藝自動(dòng)化水平的提高，將使生產(chǎn)過程穩(wěn)定在一個(gè)更合理的的工藝參數(shù)和工藝條件下，以取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。 　　水泥生產(chǎn)的自動(dòng)化系統(tǒng)具有很強(qiáng)的分布性，一個(gè)典型的水泥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由如下幾個(gè)部分組成： 　　■原料粉磨控制站：完成從石灰石進(jìn)廠、石灰石預(yù)均化、原料調(diào)配、原料粉磨及 生料入庫輸送所有設(shè)備的控制。 　　■煤粉制備控制站：完成從輔助原料進(jìn)廠、輔助原料堆場、煤粉制備、煤破碎及 輸送和生產(chǎn)循環(huán)水泵站的控制。 　　■窯尾控制站：完成燒成窯中、燒成窯尾、生料入窯系統(tǒng)、空壓機(jī)站、廢氣處理。 　　■燒成窯頭控制站：完成燒成窯頭、熟料庫及水泥輸送等。 　　■水泥磨控制站：完成水泥粉磨、水泥調(diào)配站、水泥庫、石膏破碎及輸送、水泥包裝及散裝、水泥磨空壓機(jī)的控制。 　　最早的水泥生產(chǎn)自動(dòng)化從馬達(dá)開停邏輯控制和儀表控制開始，隨后發(fā)展為分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代的水泥自動(dòng)化一般采用EIC綜合化的解決方案，所謂EIC綜合化，即E(Electrical)電控、I(Instrumentation）儀控與C(Computer）計(jì)算機(jī)的綜合化?，F(xiàn)階段，順序控制和回路控制在控制器級(jí)別實(shí)現(xiàn)了集成。EIC綜合化的進(jìn)一步目標(biāo)是要與計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)相結(jié)合，最終達(dá)到在系統(tǒng)體系上亦即在硬件和系統(tǒng)軟件上實(shí)現(xiàn)真正的集成化。 　　二、水泥行業(yè)采用變頻控制系統(tǒng)的必要性： 　　回轉(zhuǎn)機(jī)械、風(fēng)機(jī)、水泵、攪拌機(jī)械、破碎機(jī)械等設(shè)備在水泥行業(yè)應(yīng)用十分普遍。這些設(shè)備的容量一般較大，且大多數(shù)是常年連續(xù)運(yùn)行，故進(jìn)行節(jié)能和自動(dòng)化改造的潛力非常大。 　　由于這些設(shè)備不能排除在滿負(fù)荷狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)只能按最大工作需求決定電機(jī)的容量，故設(shè)計(jì)裕量一般偏大。在實(shí)際運(yùn)行過程中輕載運(yùn)行的時(shí)間所占的比例是非常高的，如無調(diào)速裝置對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，電機(jī)的軸功率不能變化而導(dǎo)致的能源浪費(fèi)是非常嚴(yán)重的。 　　　根據(jù)流體力學(xué)原理我們可以知道：風(fēng)機(jī)水泵等設(shè)備的流量Q與電機(jī)的轉(zhuǎn)速n成正比，壓力H與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的平方成正比，電機(jī)的軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。用公式表達(dá)為：Q ∝ n；H ∝ n2；Ps ∝ n3。所以當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時(shí)軸功率呈同比立方關(guān)系下降，由此可見節(jié)能效果非常明顯。 　　大功率水泥生產(chǎn)設(shè)備如無變頻器拖動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)的電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊非常大；在工作時(shí)只能進(jìn)行簡單的電氣保護(hù)，不能完全保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，增加了設(shè)備維護(hù)工作量；能源消耗非常嚴(yán)重；嚴(yán)重影響生產(chǎn)工藝的改進(jìn)；設(shè)備工作噪音較大，對(duì)現(xiàn)場工作人員影響較大。鑒于以上原因，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速改造的需求越來越多。隨著交流電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，變頻調(diào)速器及控制系統(tǒng)以其無可比擬的優(yōu)越性正越來越多地應(yīng)用在各種形式的水泥設(shè)備拖動(dòng)系統(tǒng)上并取得了非常好的效果。 　　三、變頻器的工作原理： 　　交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n用公式表示為： 　　n=60f（1-s）/p 　　式中：n為每分鐘電機(jī)轉(zhuǎn)速 f為電機(jī)接受頻率 　　p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)； s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率 　　由公式可見：只要改變電機(jī)的供電頻率即可達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，這比改變電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率更簡便可行而且有效的多。 　　交—直—交型變頻器的工作原理為：將輸入的單相或三相交流電通過整流單元變成直流電，直流電進(jìn)行濾波后通過逆變單元逆變?yōu)檩敵鲭妷汉皖l率可調(diào)的交流電。隨著電子元器件、電力功率器件、計(jì)算機(jī)微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，無速度傳感器矢量控制方式正成為先進(jìn)變頻器控制領(lǐng)域的主導(dǎo)方式。它可分別對(duì)電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測和控制，并實(shí)時(shí)自動(dòng)改變變頻器輸出電壓和頻率從而達(dá)到精確的矢量控制效果。這種控制方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩/信號(hào)響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、低速狀態(tài)下啟動(dòng)力矩大、電動(dòng)機(jī)工作噪音小、節(jié)能效果更加理想、保護(hù)功能強(qiáng)等。 　　五、自動(dòng)控制系統(tǒng)功能簡介： 　　A、風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)： 　　風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)采用就地變頻運(yùn)行和遠(yuǎn)程控制（可手操，也可接收控制系統(tǒng)的通訊和控制指令）的方式對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速及控制。變頻器一般安裝在控制柜內(nèi)，系統(tǒng)原有的自耦降壓啟動(dòng)裝置仍然保留。 系統(tǒng)在變頻器輸出側(cè)加裝雙向轉(zhuǎn)換刀閘或電氣旁路，如變頻器需要維護(hù)檢測或出現(xiàn)故障時(shí)可人工或自動(dòng)將風(fēng)機(jī)切換至原自耦降壓啟動(dòng)裝置工頻運(yùn)行，這樣可充分保證系統(tǒng)可靠不間斷運(yùn)行。 　　下圖為風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)原理示意圖： B、 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)： 　　變頻恒壓供水控制系統(tǒng)以出口總管網(wǎng)水壓、流量或溫度差為控制目標(biāo)，以供水時(shí)間、季節(jié)、生產(chǎn)狀態(tài)為參考值，合理組合開泵臺(tái)數(shù)，減少開停泵次數(shù)，達(dá)到穩(wěn)定水壓、節(jié)電供水之目的。 　　1、 通過調(diào)節(jié)開、停泵組數(shù)量和變頻控制水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)管網(wǎng)水壓/流量目的，穩(wěn)定供水壓力/流量。 　　2、 調(diào)節(jié)精度：-0.01Mpa～+0.01Mpa。 　　3、 以24小時(shí)為周期，根據(jù)水泥生產(chǎn)用水量的不同和用戶的需要分段設(shè)定供水壓力/流量，控制系統(tǒng)內(nèi)的PLC依據(jù)設(shè)定值自動(dòng)運(yùn)行。 　　4、 水泵機(jī)組均為軟啟動(dòng)工作方式。軟啟動(dòng)方式減少了單泵啟動(dòng)電流、沖擊和水泵機(jī)械磨損，延長設(shè)備的使用壽命。 　　5、 以“先入先出”為準(zhǔn)則，對(duì)水泵進(jìn)行優(yōu)化組合，循環(huán)投切。通過對(duì)變頻機(jī)組負(fù)荷的實(shí)時(shí)計(jì)算，確定各泵的開、停時(shí)間，使各泵在高效區(qū)段工作并磨損均勻。 　　6、 通過PLC精確控制，使泵組的變頻和工頻運(yùn)行實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，并保證各泵的磨損均勻。 　　7、 通過對(duì)供水量的計(jì)算，限制水泵組在臨界狀態(tài)的頻繁起停。 　　8、 每臺(tái)泵組后備手動(dòng)軟起控制功能，確保故障的情況下不間斷供水。 　　9、 水壓異常報(bào)警，水池水位過低自動(dòng)停機(jī)，用水量極小時(shí)自動(dòng)停機(jī)。 　　10、PLC可與上位監(jiān)控站（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、觸摸屏人機(jī)界面等）和下級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等）進(jìn)行通訊。 　　11、設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行組合控制方式，其中手動(dòng)運(yùn)行為最高優(yōu)先權(quán)。 　　12、監(jiān)測所有設(shè)備的相關(guān)參數(shù)：電機(jī)電壓/電流/溫度、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)、出口水壓、出口流量、循環(huán)水溫度差等。 　　下圖為變頻恒壓供水控制系統(tǒng)原理示意圖： C、 DCS控制系統(tǒng)： 　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展、成本的大幅降低以及可靠性的不斷提高，使計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)在水泥生產(chǎn)控制領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用，分散控制系統(tǒng)—DCS（ Distributed Control System ）亦隨之誕生。 DCS系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、測量控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和CRT/TFT圖象顯示技術(shù)為一體，在結(jié)構(gòu)上將管理監(jiān)控、實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集等功能分散到不同的計(jì)算機(jī)中，每臺(tái)計(jì)算機(jī)均采用高性能的專業(yè)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，必要時(shí)采用冗余熱備技術(shù)，從而保證了系統(tǒng)的可靠性。利用計(jì)算機(jī)組態(tài)和圖形化技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的模塊化組態(tài)，以適應(yīng)不同工業(yè)過程的控制要求和算法，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試和投運(yùn)。DCS系統(tǒng)又可以記載過程數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)缴a(chǎn)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成化的管理和控制。 　　現(xiàn)代水泥廠是大約有數(shù)千個(gè)開關(guān)量、數(shù)百個(gè)模擬量測點(diǎn)和數(shù)十個(gè)PID 調(diào)節(jié)回路的控制對(duì)象，也就是說是需要一個(gè)以開關(guān)量為主，模擬量為輔并伴有少量調(diào)節(jié)回路的控制系統(tǒng)。由于水泥生產(chǎn)的連續(xù)性高，現(xiàn)代水泥生產(chǎn)企業(yè)要求設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到90%以上，這樣就對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的可靠性提出了很高的要求。在DCS硬件設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的抗干擾性，同時(shí)也應(yīng)考慮水泥生產(chǎn)現(xiàn)場高粉塵的環(huán)境，以保證系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)現(xiàn)場可靠運(yùn)行。 　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，管理信息系統(tǒng)—MIS也逐步在水泥廠中推廣應(yīng)用。生產(chǎn)控制DCS子系統(tǒng)也被納入MIS 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)部分，相互間進(jìn)行通訊及信息交換。 水泥自動(dòng)控制系統(tǒng)在硬件配置和軟件編程應(yīng)具備以下的功能和特點(diǎn)： 　　■中控室與操作站之間互為備用，任何一臺(tái)或幾臺(tái)的硬件故障都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。工程師在任何操作站上只要輸入自己的姓名和密碼，就可以進(jìn)入操作系統(tǒng)，生產(chǎn)車間只可在系統(tǒng)授權(quán)范圍內(nèi)進(jìn)行控制和操作。 　　■主干通訊網(wǎng)采用光纜作為介質(zhì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，避免高壓設(shè)備、變頻控制設(shè)備及通訊設(shè)備等可能造成的信號(hào)干擾。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用環(huán)行結(jié)構(gòu)，具有冗余功能，當(dāng)環(huán)路一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開時(shí)，系統(tǒng)能自檢故障并正常運(yùn)行。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)做到結(jié)構(gòu)簡單、可靠、硬件維護(hù)方便。 　　■上位機(jī)操作畫面集監(jiān)視、報(bào)警、操作、報(bào)表等功能于一體。采用三維彩色畫面，形象逼真、顯示直觀、操作方便。操作可用鼠標(biāo)操作相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，配合鍵盤修改工藝參數(shù)值。當(dāng)工況發(fā)生異常情況，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，上位機(jī)可以通過歷史數(shù)據(jù)的記錄分析故障原因，尋找最佳的解決方案。 　　■由于水泥廠用電設(shè)備功率大、類型雜，為了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)方便，全廠所有信號(hào)在進(jìn)入現(xiàn)場處理單元或上位機(jī)之前應(yīng)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一信號(hào)，模擬量一般采用直流4-20 mA,所有數(shù)字量均為交流220V，保證整個(gè)控制系統(tǒng)的I/O模板僅為四種。 　　■設(shè)備采用組啟停方式。由于水泥廠各種設(shè)備情況不一且功率較大，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝要求保證開關(guān)順序正確，應(yīng)最大限度縮短啟停設(shè)備的時(shí)間。 　　■為了便于工廠管理，控制系統(tǒng)應(yīng)能編制班報(bào)/日?qǐng)?bào)/月報(bào)/季報(bào)/年報(bào)等多種報(bào)表。操作和管理人員可查詢?cè)?、燃料消耗量、半成品、成品的產(chǎn)量、設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間等，這樣可對(duì)設(shè)備管理和人員考核提供一定的參考依據(jù)。對(duì)于報(bào)警歷史、事件記錄及歷史數(shù)據(jù)，除了可以通過顯示器在線查詢外，還必須可以拷貝留存。 　　DCS系統(tǒng)一般由控制站、操作員站、工程師站、通訊/控制網(wǎng)、過程控制單元和控制軟件組成。 　　下圖為水泥廠DCS控制系統(tǒng)及MIS管理系統(tǒng)原理示意拓?fù)鋱D： 六、系統(tǒng)可靠性分析： 　　水泥設(shè)備變頻控制系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)內(nèi)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、強(qiáng)弱電回路控制器件、顯示及控制儀器儀表、控制軟件的性能、電線電纜的質(zhì)量和相互匹配性能。本公司采用的所有電氣元器件、組態(tài)軟件、智能儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為國內(nèi)外知名品牌，產(chǎn)品制造體系均已通過了國際和國內(nèi) ISO9001認(rèn)證，其可靠性得到市場的廣泛認(rèn)可。通過大量的水泥行業(yè)業(yè)績分析，本公司所選用的產(chǎn)品和系統(tǒng)使用壽命一般在10年以上。 　　由于變頻控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，變頻器又是精密電力電子產(chǎn)品，其對(duì)工作環(huán)境的要求較為嚴(yán)格。系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的大致要求如下：環(huán)境溫度：-10℃～50℃；濕度：25%～90RH（無凝結(jié)）；振動(dòng)：5.9m/s2(0.6G) 10～55Hz；無刺激腐蝕性氣體；無灰塵；無靜電；海拔高度低于1000米（注：如使用現(xiàn)場海拔高度高于1000米，海拔高度每高1000米應(yīng)將變頻器的功率放大一個(gè)等級(jí)）等。