基于ABB AC500系列PLC的水泥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)
2008/5/8 18:09:00
1．引言
水泥企業(yè)作為大規(guī)模生產(chǎn)的制造企業(yè)，是建材行業(yè)的三大支柱之一。隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對水泥的需求日益增加。一方面，水泥生產(chǎn)總量不能滿足需求，尤其是優(yōu)質(zhì)水泥更是供不應(yīng)求；另一方面，中國雖然是水泥生產(chǎn)大國，但已有生產(chǎn)線大部分采用的是落后生產(chǎn)工藝，浪費能源污染環(huán)境，需要淘汰。目前國內(nèi)外各大水泥企業(yè)紛紛在華興建大型干法旋窯水泥生產(chǎn)線，這為水泥行業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的機遇。ABB公司已經(jīng)為您的水泥生產(chǎn)線準備了最佳的工業(yè)自動化解決方案，幫助您建設(shè)具有國際先進水平、高產(chǎn)出、低消耗、環(huán)保高效的生產(chǎn)線。
2．水泥生產(chǎn)工藝簡述
一般來講，水泥行業(yè)生產(chǎn)的是硅酸鹽水泥，硅酸鹽水泥是一種細致的、通常為灰色的粉末，它由鈣( 來自石灰石)、硅酸鹽、鋁酸鹽( 黏土) 以及鐵酸鹽組成。在一個硅酸鹽水泥工廠中,水泥生產(chǎn)工藝的主要過程是原料破碎粉磨后制成生料，然后再把生料送入到高溫窯爐中用燃料將其煅燒成熟料，最后將熟料與適量石膏混合磨細制成水泥，需要經(jīng)過礦山開采、原料破碎、黏土烘干、生料粉磨、熟料煅燒、熟料冷卻、水泥粉磨及成品包裝等多道工序，見圖1所示。
水泥企業(yè)作為大規(guī)模生產(chǎn)的制造企業(yè)，是建材行業(yè)的三大支柱之一。隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對水泥的需求日益增加。一方面，水泥生產(chǎn)總量不能滿足需求，尤其是優(yōu)質(zhì)水泥更是供不應(yīng)求；另一方面，中國雖然是水泥生產(chǎn)大國，但已有生產(chǎn)線大部分采用的是落后生產(chǎn)工藝，浪費能源污染環(huán)境，需要淘汰。目前國內(nèi)外各大水泥企業(yè)紛紛在華興建大型干法旋窯水泥生產(chǎn)線，這為水泥行業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的機遇。ABB公司已經(jīng)為您的水泥生產(chǎn)線準備了最佳的工業(yè)自動化解決方案，幫助您建設(shè)具有國際先進水平、高產(chǎn)出、低消耗、環(huán)保高效的生產(chǎn)線。
2．水泥生產(chǎn)工藝簡述
一般來講，水泥行業(yè)生產(chǎn)的是硅酸鹽水泥，硅酸鹽水泥是一種細致的、通常為灰色的粉末，它由鈣( 來自石灰石)、硅酸鹽、鋁酸鹽( 黏土) 以及鐵酸鹽組成。在一個硅酸鹽水泥工廠中,水泥生產(chǎn)工藝的主要過程是原料破碎粉磨后制成生料，然后再把生料送入到高溫窯爐中用燃料將其煅燒成熟料，最后將熟料與適量石膏混合磨細制成水泥，需要經(jīng)過礦山開采、原料破碎、黏土烘干、生料粉磨、熟料煅燒、熟料冷卻、水泥粉磨及成品包裝等多道工序，見圖1所示。
圖 1 水泥工廠的典型生產(chǎn)流程
總之，其生產(chǎn)過程通?？筛爬?ldquo;三磨一窯”，可分為四個步驟：
1、生料制備：即將石灰質(zhì)原料、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、磨細并調(diào)配為成份合適、量質(zhì)均勻的生料。
2、煤粉制備：水泥生料煅燒所需的煤炭，必須制備成煤粉，提供煤粉燃燒所要求的粒度，以便于充分燃燒，得到足夠的燃燒反應(yīng)能力。
3、熟料煅燒：熟料球形結(jié)塊的直徑必須在0.32-5.0cm 范圍之內(nèi)，它們是在原料之間的化學反應(yīng)中產(chǎn)生的。即將生料放在水泥窯內(nèi)煅燒至部分熔融以得到硅酸鹽水泥熟料，并儲存至熟料料倉。
4、水泥粉磨及出廠：即將熟料加入適量石膏、混合材或添加劑共同磨細為水泥，并包裝出廠。粉磨過程在封閉系統(tǒng)中進行，該系統(tǒng)配備了一個空氣分離機，用來按大小將水泥顆粒分開，沒有完全磨細的材料被重新送過該系統(tǒng)。
3.設(shè)計分析
通過對工藝過程的介紹，不難看出這是一個典型的順序控制工程（原材料入庫、輸送—水泥粉磨—水泥出庫及包裝系統(tǒng)）。我們完全可以通過對控制對象—各運轉(zhuǎn)設(shè)備電動機的依次起動、停止和正反轉(zhuǎn)控制，以及各種報警指示、開關(guān)信號和模擬量信號的采集和編程處理來實現(xiàn)對工藝過程的自動化控制。
生產(chǎn)線上主要的設(shè)備控制、監(jiān)視、報警及打印報表等管理功能都由中控室執(zhí)行，控制硬件分布在原料粉磨、窯尾和窯頭3個過程現(xiàn)場站內(nèi)，過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。
依控制要求分為以下主要功能:
數(shù)據(jù)采集功能；
開關(guān)量控制功能；
順序控制功能；
4．系統(tǒng)配置
系統(tǒng)的構(gòu)成包括過程控制站、操作員站、工程師站以及通訊系統(tǒng)（Modbus,ProfiBus DP/PA）。
AC500系統(tǒng)PLC的功能靈活、可拓展性強。傳統(tǒng)PLC產(chǎn)品的小型、中型和大型的軟硬件差別非常大，系統(tǒng)的拓展性很有局限。而我們AC500僅通過3、4種不同內(nèi)存和速度的CPU中央處理單元就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的全面升級，這樣可以保護客戶的現(xiàn)有投資。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)原理如圖2所示：
1、生料制備：即將石灰質(zhì)原料、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、磨細并調(diào)配為成份合適、量質(zhì)均勻的生料。
2、煤粉制備：水泥生料煅燒所需的煤炭，必須制備成煤粉，提供煤粉燃燒所要求的粒度，以便于充分燃燒，得到足夠的燃燒反應(yīng)能力。
3、熟料煅燒：熟料球形結(jié)塊的直徑必須在0.32-5.0cm 范圍之內(nèi)，它們是在原料之間的化學反應(yīng)中產(chǎn)生的。即將生料放在水泥窯內(nèi)煅燒至部分熔融以得到硅酸鹽水泥熟料，并儲存至熟料料倉。
4、水泥粉磨及出廠：即將熟料加入適量石膏、混合材或添加劑共同磨細為水泥，并包裝出廠。粉磨過程在封閉系統(tǒng)中進行，該系統(tǒng)配備了一個空氣分離機，用來按大小將水泥顆粒分開，沒有完全磨細的材料被重新送過該系統(tǒng)。
3.設(shè)計分析
通過對工藝過程的介紹，不難看出這是一個典型的順序控制工程（原材料入庫、輸送—水泥粉磨—水泥出庫及包裝系統(tǒng)）。我們完全可以通過對控制對象—各運轉(zhuǎn)設(shè)備電動機的依次起動、停止和正反轉(zhuǎn)控制，以及各種報警指示、開關(guān)信號和模擬量信號的采集和編程處理來實現(xiàn)對工藝過程的自動化控制。
生產(chǎn)線上主要的設(shè)備控制、監(jiān)視、報警及打印報表等管理功能都由中控室執(zhí)行，控制硬件分布在原料粉磨、窯尾和窯頭3個過程現(xiàn)場站內(nèi)，過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。
依控制要求分為以下主要功能:
數(shù)據(jù)采集功能；
開關(guān)量控制功能；
順序控制功能；
4．系統(tǒng)配置
系統(tǒng)的構(gòu)成包括過程控制站、操作員站、工程師站以及通訊系統(tǒng)（Modbus,ProfiBus DP/PA）。
AC500系統(tǒng)PLC的功能靈活、可拓展性強。傳統(tǒng)PLC產(chǎn)品的小型、中型和大型的軟硬件差別非常大，系統(tǒng)的拓展性很有局限。而我們AC500僅通過3、4種不同內(nèi)存和速度的CPU中央處理單元就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的全面升級，這樣可以保護客戶的現(xiàn)有投資。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)原理如圖2所示：
圖 2 水泥廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)原理圖
水泥生產(chǎn)的各個控制站極為分散，此時系統(tǒng)的安全很大程度上取決于控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。冗余光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計與采用使得過程控制網(wǎng)絡(luò)極為可靠，大大提高了整個系統(tǒng)的安全系數(shù)。
第一級—監(jiān)控管理
由中央控制室的操作站與工程師站實現(xiàn)。選用工控計算機，以TCP/ IP工業(yè)以太網(wǎng)與PLC系統(tǒng)通訊,實行集中控制。通過工控組態(tài)軟件實時監(jiān)視整個生產(chǎn)線工藝參數(shù)變化、設(shè)備運行、故障發(fā)生等情況，同時負責日常報表打印、事故打印和數(shù)據(jù)記錄等。
第二級—過程控制
由現(xiàn)場的各分系統(tǒng)或成套設(shè)備的控制系統(tǒng)實現(xiàn)。以AC500 PLC系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制核心 ,按場區(qū)配置分站 。通過FBP分布式擴展I/O通訊對流量、壓力、溫度、電機等參數(shù)進行采集、控制。
第三級—單機就地控制
由現(xiàn)場電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)。采用ABB公司的S500系列產(chǎn)品組成分布I/O,采集現(xiàn)場參數(shù),執(zhí)行上一級PLC主站的控制命令?！?
5． 結(jié)束語
以本文的研究結(jié)果為基礎(chǔ)的技術(shù)方案,已在山西某水泥生產(chǎn)線具體實施。由于采用了計算機控制技術(shù)和PLC控制技術(shù)相結(jié)合的方法，大大提高了水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動強度，提高了系統(tǒng)的自動化管理水平,有效的防止了人身意外的發(fā)生，也為公司節(jié)約了大量的資金。
參考文獻:
1.ABB公司.可編程控制器AC500樣本資料，2007.
2.ABB公司.控制系統(tǒng)AC500及AC31樣本資料，2006.
3.湯子瀛,哲鳳屏,湯小丹等 .計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用 成都 電子科技大學出版社.
4.王復(fù)生.現(xiàn)代水泥生產(chǎn)基本知識 中國建材工業(yè)出版社,2004.
5.馬保國.新型干法水泥生產(chǎn)工藝 化學工業(yè)出版社.
第一級—監(jiān)控管理
由中央控制室的操作站與工程師站實現(xiàn)。選用工控計算機，以TCP/ IP工業(yè)以太網(wǎng)與PLC系統(tǒng)通訊,實行集中控制。通過工控組態(tài)軟件實時監(jiān)視整個生產(chǎn)線工藝參數(shù)變化、設(shè)備運行、故障發(fā)生等情況，同時負責日常報表打印、事故打印和數(shù)據(jù)記錄等。
第二級—過程控制
由現(xiàn)場的各分系統(tǒng)或成套設(shè)備的控制系統(tǒng)實現(xiàn)。以AC500 PLC系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制核心 ,按場區(qū)配置分站 。通過FBP分布式擴展I/O通訊對流量、壓力、溫度、電機等參數(shù)進行采集、控制。
第三級—單機就地控制
由現(xiàn)場電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)。采用ABB公司的S500系列產(chǎn)品組成分布I/O,采集現(xiàn)場參數(shù),執(zhí)行上一級PLC主站的控制命令?！?
5． 結(jié)束語
以本文的研究結(jié)果為基礎(chǔ)的技術(shù)方案,已在山西某水泥生產(chǎn)線具體實施。由于采用了計算機控制技術(shù)和PLC控制技術(shù)相結(jié)合的方法，大大提高了水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動強度，提高了系統(tǒng)的自動化管理水平,有效的防止了人身意外的發(fā)生，也為公司節(jié)約了大量的資金。
參考文獻:
1.ABB公司.可編程控制器AC500樣本資料，2007.
2.ABB公司.控制系統(tǒng)AC500及AC31樣本資料，2006.
3.湯子瀛,哲鳳屏,湯小丹等 .計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用 成都 電子科技大學出版社.
4.王復(fù)生.現(xiàn)代水泥生產(chǎn)基本知識 中國建材工業(yè)出版社,2004.
5.馬保國.新型干法水泥生產(chǎn)工藝 化學工業(yè)出版社.
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