王林平 商九坤 高國防 王 立 慎建軍 顏 妍

1焦作千業(yè)新材料有限公司（454150）2河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450000）

0 前言

據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，近幾年建設(shè)的小規(guī)模砂石骨料生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)多數(shù)采用PLC+上位機(jī)模式，實(shí)現(xiàn)了簡單的遠(yuǎn)程和邏輯控制。隨著市場形勢和國家對(duì)資源開采和環(huán)境保護(hù)的不斷強(qiáng)化，新建砂石骨料生產(chǎn)線規(guī)模越來越大，原有模式已經(jīng)無法滿足目前的控制要求，應(yīng)用先進(jìn)的DCS系統(tǒng)成為必然選擇。

1 DCS控制系統(tǒng)簡介

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫(Distributed Control System)，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)，是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)、通訊、顯示和控制等4C技術(shù)，其控制基本形式是分布式控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.1 可靠性

由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，因此某一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其他功能的喪失。此外，系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對(duì)需要實(shí)現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計(jì)算機(jī)，從而使系統(tǒng)中每臺(tái)計(jì)算機(jī)的可靠性得到提高。

1.2 開放性

DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)采用局域網(wǎng)方式通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí)，可將新增計(jì)算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)的工作。

1.3 靈活性

通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號(hào)及相互間連接關(guān)系，從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律，從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報(bào)警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。

1.4 易于維護(hù)

功能單一的小型或微型專用計(jì)算機(jī)，具有維護(hù)簡單、方便的特點(diǎn)，當(dāng)某一局部或某個(gè)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下在線更換，迅速排除故障。

1.5 協(xié)調(diào)性

各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

1.6 功能齊全

控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

2 DCS控制系統(tǒng)在砂石骨料生產(chǎn)線的應(yīng)用研究與實(shí)踐

基于原料巖性和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等原因，各家骨料生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝并不一致，DCS控制系統(tǒng)配置方案也不盡相同。文章中以焦作千業(yè)新材料有限公司的2 500 t/h砂石骨料生產(chǎn)線為例，詳述該系統(tǒng)的應(yīng)用研究與實(shí)踐。

2.1 工藝流程

根據(jù)市場調(diào)研及行業(yè)發(fā)展形勢，經(jīng)中國砂石協(xié)會(huì)組織專家論證，本項(xiàng)目選用“顎破+反擊破+立軸整形破+二級(jí)篩分”“砂石同出”的干法生產(chǎn)工藝，并且產(chǎn)品粒型、比例、產(chǎn)量等柔性可調(diào)，具有多線并行、單線開路和閉路等生產(chǎn)模式。

2.2 系統(tǒng)選型

本項(xiàng)目選用的是基于ABB AC900F控制器的Freelance DCS分布式控制系統(tǒng)，極大簡化了工程組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)和總線管理等工作,直觀的操作員人機(jī)界面讓整個(gè)系統(tǒng)的操作和診斷變得輕松容易。

圖1 DCS拓?fù)鋱D

2.3 應(yīng)用研究

本項(xiàng)目DCS系統(tǒng)主要用到以下控制類型:

2.3.1 開環(huán)控制系統(tǒng)

在開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制，按順序進(jìn)行邏輯控制的系統(tǒng)稱為順序控制系統(tǒng)。順序控制系統(tǒng)由順序控制裝置、檢測元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控制的設(shè)備儀表所組成，主要應(yīng)用于一級(jí)破碎和輸送等過程。

2.3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)也稱反饋控制系統(tǒng)，是建立在反饋原理基礎(chǔ)上，利用輸出量與期望值的偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以得到較好的控制性能，主要應(yīng)用于消防泵的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.3.3 恒值控制系統(tǒng)

恒值控制系統(tǒng)中，給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、物位高度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等自動(dòng)控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)，主要應(yīng)用于成品儲(chǔ)存庫。

2.3.4 隨動(dòng)控制系統(tǒng)

給定值按未知時(shí)間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值變化。

2.3.5 程序控制系統(tǒng)

給定值按一定時(shí)間函數(shù)變化。如液位、倉位、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。

2.3.6 PID控制

根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。如機(jī)制砂脫粉工序防離析拌濕系統(tǒng)的恒水分噴水控制。

圖2 一級(jí)破碎工序收塵器組、風(fēng)機(jī)組組起組態(tài)交互界面

3 應(yīng)用實(shí)踐

1）完善基礎(chǔ)的測控儀表、在線監(jiān)測儀表等的控制系統(tǒng)，提高基礎(chǔ)自動(dòng)化投用率，實(shí)現(xiàn)給料、輸送、料液位、溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等環(huán)節(jié)優(yōu)化控制，穩(wěn)定生產(chǎn)過程，提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少人為干預(yù)，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減員增效。

2）建立關(guān)鍵工序設(shè)備組的運(yùn)行模型，采集工序設(shè)備實(shí)時(shí)起動(dòng)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過組態(tài)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序設(shè)備的組操作指令執(zhí)行，在保證設(shè)備安全的前提下，壓縮生產(chǎn)線設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)間，提高操作效率。

①對(duì)一級(jí)破碎系統(tǒng)收塵器，主機(jī)設(shè)備空載，重載運(yùn)行時(shí)間，各輸送工序?qū)崟r(shí)產(chǎn)量、班累計(jì)、總累計(jì)等編程組態(tài)及交互界面實(shí)施并優(yōu)化。

②對(duì)二級(jí)破碎系統(tǒng)主機(jī)設(shè)備空載，重載運(yùn)行時(shí)間，各輸送工序?qū)崟r(shí)產(chǎn)量、班累計(jì)、總累計(jì)等編程組態(tài)及交互界面實(shí)施并結(jié)合運(yùn)行情況優(yōu)化。

③對(duì)一級(jí)篩分系統(tǒng)收塵器、風(fēng)機(jī)組、帶式輸送機(jī)組、二篩系統(tǒng)收塵器、風(fēng)機(jī)組、帶式輸送機(jī)組等組操作編程組態(tài)及交互界面實(shí)施并結(jié)合運(yùn)行情況優(yōu)化。

④對(duì)水泵站深井泵、生產(chǎn)用水泵、遠(yuǎn)程液位自動(dòng)控制編程組態(tài)實(shí)施，消防水泵組、生活水泵組恒壓自動(dòng)控制編程組態(tài)實(shí)施并結(jié)合運(yùn)行情況優(yōu)化。

⑤對(duì)成品庫頂轉(zhuǎn)接皮帶組、庫頂收塵器、風(fēng)機(jī)組等組操作編程組態(tài)實(shí)施并結(jié)合運(yùn)行情況優(yōu)化。

⑥根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工藝，利用歷史能耗數(shù)據(jù)建立關(guān)鍵工序能耗定額，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備能耗，合理安排生產(chǎn)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)管理節(jié)能降耗。

⑦根據(jù)生產(chǎn)工藝的調(diào)整優(yōu)化，結(jié)合歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工藝連鎖、安全連鎖實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保障生產(chǎn)工藝控制安全可靠。

⑧對(duì)一些影響生產(chǎn)效率提升或需要人為頻繁干預(yù)的關(guān)鍵工序和設(shè)備實(shí)施智能化、自動(dòng)化改造，達(dá)到精確作業(yè)、簡化遠(yuǎn)程操作流程，減少人工出錯(cuò)概率的目的。

4 效果及推廣前景

DCS控制系統(tǒng)在焦作千業(yè)新材料有限公司時(shí)產(chǎn)2 500 t砂石骨料生產(chǎn)線上的應(yīng)用和實(shí)踐，極大地提高了砂石骨料生產(chǎn)線控制可靠性和自動(dòng)化程度，在解決生產(chǎn)需求和提效率、降成本、保安全的同時(shí)，探索出一條適合砂石生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)升級(jí)道路，推廣應(yīng)用前景廣闊，對(duì)加快砂石骨料行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，走綠色、智能化、自動(dòng)化的可持續(xù)發(fā)展道路起到了積極的作用。