PCS7在水泥自动生产线上的应用

颜全生，马昊旻，杜江

（深圳职业技术学院 工业中心，广东 深圳 518055）

1 引言

水泥是建筑中的主要材料。水泥生产是建材业中生产的能耗大户，降低能源消耗，提高产品质量是提高企业竞争力和经济效益的重要措施。节能降耗成为每个企业管理者所关心的重点。水泥生产是一个连续复杂的理化反应生产过程，环节多，控制对象复杂、同时具有较大的惯性，纯滞后，非线性的特点，系统工况复杂，且受干扰影响大。自动控制能保证生产稳定，降低能耗减少污染降低生产强度[1]。

水泥的生产是将开采的石灰石与煤等进行锻烧，温度在1 200～1 600 ℃，锻烧后进行强冷，就出现大小不一的块状与粉末，称为熟料。将熟料、石膏、碎石、砖渣、粉煤灰等按一定的比例配比进行研磨成粉状，就成为水泥。磨料的磨称 为“开路磨”，这个磨是用厚钢板做成的直径约4.2 m，长度13 m 的滚筒式，两端各有一个孔，一端进料、一端出料。内部分成3 个区域，各区域的功能不同，每个区域放的钢球大小不一样，有大球区域就是在粗料仓，中球区域就是在中料仓，小球区域就是细料仓，每个区域用衬板隔开但是有一定的高度，用研磨体对物料的破碎和研磨，但中间有一定的直径是通的。当水泥料进料口就进入“开路磨”当磨转动起来，球与水泥料互相碰撞，当这些水泥料由大块研磨细小达到一定的量时，就通过磨的通道就到磨的中间区的中球区，中间区用中球继续与水泥料进行碰撞，当这些水泥料由细小块研磨成粗粉时就到了小球区域，小球区域用小球继续与水泥料进行碰撞成为细粉，其颗粒小于20 µm，在出口有抽风机将这些粉末抽出，就完成了水泥的磨粉。就进入装袋程序，完成了水泥的生产如图1所示。

图1 水泥生产线控制系统 Fig.1 Cement production line contol system

2 水泥生产线自动控制构成[2]

水泥生产所用的熟料是石灰石，这种石头是在石头山所具有的，因此生产熟料是在能挖出石灰石的所在地。另外锻烧熟料对环境有污染，所以将熟料与水泥都分开生产，特别是一些中小水泥生产厂都是购买熟料进行生产水泥的，阳江胜利水泥厂就是这样的企业。

水泥生产线的控制采用西门子的PCS7 系统对水泥生产线进行自动监控。系统要求以“安全、可靠、实用”为原则，及时掌握了解生产过程中的各种参数的变化和设备运行的状态，保证生产过程安全和质量稳定，能优化工艺流程，提高管理水平，取得最佳效益[3]。在结构设计上考虑到“稳定性、通用性、先进性”，设计成集中管理分布式控制[4]系统，网络拓扑如图2所示。

图2 网络拓扑图 Fig.2 Network topology

水泥生产线自动控制系统是对水泥的配料、粉碎、装袋进行自动控制与监控，系统采用冗余的中央操作分别对厂变配电系统、生产的监控、报警、记录、存储、报表的生成及管理功能进行监控。整个系统配置了4 台操作员站分别对不同的生产工段进行控制，其中有一台兼有工程师站的功能，可以对系统的编程、组态工作，系统设有报警装置、打印机等，对系统可以实时、定时、随时进行打印。操作站通过以太网与厂管理系统进行资源共享，了解专家的建议。

操作站采用Dell 工业级电脑，10/100Mbit/s 以太网通信卡。控制站采用西门子S7-400H 系列PLC，双CPU 主从结构，主CPU（414-4H）进行系统控制、从CPU（CP443-1）进行网络通信管理，双交换机（EDS8-R）、双温度模块（PT100）、双电源（SITOP）双接口电路；模拟量输入AI8 10 块，模拟量输出AO45块；数字量输入DI22 块，数字量输出DO11 块，中间继电器MY2NJ 120 个，4 台机柜，2 台仪表显示盘。整个系统共计1 100 个控制点，用PCS7 系统进行软件开发，控制画面用WICC 进行设计，系统的硬件由西门子的PLC﹑变频器﹑传感器组成，通讯采用PROFIBUS + PROFINET 结构，用PROFIBUS 接口构成PROFIBUS 网络控制设备，读取PROFIBUS 总线上各I/O 站的数据。同时配有PROFINET 接口，可与上位机通讯，实现与上位机的高速数据监视与控制功能。

2.1 配料控制系统

水泥生产首先是配料。因为水泥的标号不同各种材料的组成就不同，如325 号水泥的所用的材料；熟料58%；石膏4.5%；填充料29%；石子8%；助磨剂等组成。它是有5 个料仓出口，按比例出料。在每个料仓的出口都是由双螺旋绞刀控制出料，控制双螺旋绞刀的运转的角度和转速，同时在出口下方有称重的电子皮带秤进行称重，皮带秤的荷重传感器和变频器的速度信号通过流量积分仪转换为电信号输入给PLC，由PLC 转换成数字信号送到上位机显示，同时与PLC 设定值进行比较，用PID算法对螺旋绞刀进行闭环控制，保证输出的每种原料有足够的精度，使误差控制在允许的范围内如图3所示。

图3 水泥配料PID 混合控制框图 Fig.3 The frame chart of cement commix PID control

生产每一种标号的水泥其配方的比例都是不同的，根据市场的销售情况进行生产。针对购进的水泥熟料和各种配料的情况进行配比。PCS7 系统在配料系统中建立各种材料的数据库，将各种材料的成分含量存入数据库。水泥配方常有5 种材料，要根据水泥的标号和熟料和各种配料的数据进行配料，配料中有3 种选择；1)自主选择，设置最高限额和最低限额参数；2)专家建议自动控制参数；3)经验选择参数，上次生产的参数和数据库中记录参数。同时采用在线分析仪进行分析，为了提高合格率[5]只要选择水泥的标号和总重量及熟料与各种原料的数据，其它在生产运行中经过在线检测进行配料调整[6]如图4所示，水泥生产线配料系统。

图4 水泥生产线配料系统 Fig.4 Batching system of cement production line

2.2 磨机的控制系统

在水泥加工中这是最主要的工序。配料系统将配好的料，通过传送皮带机送到滚筒式的“开路磨”磨成粉状的水泥。“开路磨”在运行时总的重量是260 t，用3 500 kW 的电机进行驱动，日产600 t 水泥。“开路磨”在起动时是将滚筒两端支撑的滚动架进行喷油，油嘴有两个；低压油嘴和高压油嘴，低压油嘴喷出的油作为润滑的功能，高压油嘴喷出的油作为滚筒和瓦型支架的润滑油膜及冷却的用途。在“开路磨”起动时油泵工作两个油嘴同时喷油，正常运行时高压油嘴停止。

2.2.1 “开路磨”的散热控制

当滚筒运行时，筒内的钢球与水泥料进行碰撞会产生大量的热量。当温度达到80°时高压油嘴喷出的油对传动机构进行散热。同时对滚筒的外部进行浇水散热。同时对滚筒内外不同的部位进行温度检测控制。如图5所示。水泥的各种材料要成为粉状，必需将材料中的水分蒸发掉，在滚筒内有加温的装置。当滚筒内达到一定的温度后成为所需的 粉状水泥，滚筒系统中有8 个温度检测点。在大球区域设有三个测温点，当滚筒运行一定的时间后，水泥材料就要达到规定的温度就可进入中球区，在中球区域设有两个测温点，当水泥材料进入小球区这是最关键的成品区，在这个区域设有3 个测温点，保证水泥质量和效率，温度低出粉率低需要更多的研磨时间，温度高对产品的质量及设备也有损坏。

图5 开路磨温度检测图 Fig.5 Temperature detection of open circuit grinding

2.2.2 滚筒式的水泥生产控制

在滚筒内水泥的原料装齐后开始启动，将原料磨成粉状。钢球经过滚筒16 r/min，运转的碰撞将水泥磨成粉状，用风机的管道将粉状的水泥抽出成为产品。风机的风量有一定的规定，风量过大将会把颗粒状的抽出，影响水泥的质量；风量小会影响水泥的产量。在滚筒运行不同的时间段对风量有不同的要求，采用变频器进行改造抽风系统。是在保留原控制系统上增加一套变频调速系统与原控制系统并联，形成的双回路控制系统。其特点是双控制回路是互为备用可靠性高，控制电路检修时不用停机，保障了生产的连续进行。通过改变电机的转速来改变系统供风量，从而达到节能降耗的目的。

由于使用变频器能任意调节电机的转速，因此可按所需风量准确调节风量的大小，大大降低因风机引起的噪音，减少水泥粉尘污染，抽风机采用90 kW 的变频器经过多次测试设定在40～30 Hz 之间，这样抽风机的节能在40%左右。

2.3 生产过程的控制

水泥生产是从原料仓进行检测，根据水泥生产的需要进行配料的准备，如图6所示。

图6 水泥生产线流程图 Fig.6 Cement production line flow

3 水泥装袋的控制

成品水泥通过管道的抽风将粉状的产品吸入成品仓，完成生产的过程后进入包装的工序。装袋有4 道工序，取袋、打开袋口、装水泥、袋的缝口等。水泥包装是在一个转盘上完成，首先是取袋，将装水泥的袋子用机械手取出到装袋机上。转盘转动一个角度是第2 步，用两个吸盘将袋子的口打开用。转盘再转动一个角度是第三步，将转盘上方的水泥出仓口对准打开的袋子口，装袋的水泥需要保证重量，在料仓的出口用双螺旋绞刀控制出料，用PID 算法控制双螺旋绞刀的运转的角度和转速，同时有称重的传感器作为反馈的依据。转盘再转动一个角度是第四步，将装好水泥的袋子进行缝口。最后将水泥袋子推到传送带送到成品仓库或汽车上，水泥包装流程图如图7所示。

图7 水泥包装流程图 Fig.7 Cement packing flowchart

4 网络通讯设计

4.1 水泥生产线的通讯网络的设计

通讯网络主要完成中央控制室操作员和各现场控制站的数据通讯，采用TCP/IP 协议。水泥生产线有大功率的电动机的启动运行的干扰，用穿钢管进行屏蔽保护。西门子的PROFIBUS 现场总线网络产品具有非常好的可靠性，只要连接各个控制站的网络信号线路正确，网络通信就能正常工作，而且网络的组态也很简单，只要配置好参数就可以进入正常的通信[7]。

4.2 数据服务器与主站通讯软件设计

数据服务器作为所有控制站信息的交汇点，拥有整个系统的状态信息。根据主站所需要完成的任务，采用模块化的软件设计，分为：初始化模块，通讯模块，故障诊断模块。

在初始化模块中，每次PLC 重新启动时，首先运行组织块中的指令集，因此程序初始化的功能块的作用主要是给一些输入映像区和存储区赋初始值，所运行简单指令。

在通讯模块中，主站的主要功能是实现与其它站之间的信息共享，这种共享是通过网络通讯实现的。

在故障诊断模块中，当系统中的某一个从站与主战不能通讯时，不管是什么原因引起的，都会在操作界面上显示出来。在操作界面上有对应的图像显示状态，当发现某一个从站不能通信时，对应的设备的图像用红色闪烁，并同时用声音发出。

5 系统软件设计

系统软件分为上位机由WICC 组态软件设计和下位机，现场控制软件设计。上位机是整个系统过程控制软件包括：生产总貌图，控制流程图，过程画面显示和管理图表，报警信息的图表，生产记录的报表管理和打印功能，参数列表显示图，过程数据输入输出，连续控制调节，顺序控制，历史数据的存储，人机接口控制及实时数据处理功能。这些集中操作、监视层，通过WICC 完成。

现场控制软件，主要是逻辑控制。完成设备的启停和相关的故障处理。生产线上所有设备集中控制运行方式有连锁控制、单机控制[8]。在正常生产过程中，设备处在集中控制的连锁模式下。电机和各种阀门按程序进行启停控制。连锁运行方式是指顺序启动，因为系统启动时有功率较大的设备，启动时间长，启动电流大，所有设备不能同时启动。 根据水泥生产的工艺，编制控制流程。生产水泥的标号、总量、各个原料配比数量，其中水泥配料控制采用闭环数字PID 控制。对研磨机进行自动控制。到成品的包装等。

6 结论

通过对水泥生产线的自动控制的改造。水泥抽风机采用变频控制节电40%左右。整套系统实现自动控制后，可以有效的控制各个生产环节，在电脑前可以对整个系统进行监控，减轻了生产强度和减少了人员的数量。同时对水泥生产的配料用专家系统进行决策，大大地提高配料的科学性，提高了水泥的质量。这套系统经过两年多的运行，生产水泥的质量稳定可靠，大大地提高了经济效益和企业的名誉。

[1] 魏军，赵敏.水泥生产线混合型控制的设计与实现[J]计 算机测量与控制，2004，12（8）；741-743.

[2] 王孝红，韩斌.现场总线技术的用于水泥厂计算机监控系统 [J]中国水泥，2004，5（3）：55-56.

[3] ZhonguCun Wang；CementGrindingTechnology[M]Peiking：ChinaBuilding Materials Industry Press.2004.

[4] 魏军，赵敏，徐海标.水泥生产线混合型控制系统的设计与 实现[J].计算机测量与控制，2004，12（8）：741-743

[5] 赵向东，关生林.γ-MAatric在线分析仪在水泥行业的应用[J].中国水泥，2004（7）：59-61.

[6] 陈勇，王敬巨.物料的配比是现各种配料的自动化控制[J].山东建材，2004，25（5）：28-29.

[7] 白焰.分散控制系统与现场总线控制系统[M].北京：中 国电力出版社，2001.

[8] 徐淑萍，苏小会.基于PROFIBUS水泥生产线控制系统的设 计与实现[J].测控技术，2009，28（12）27-30.