印尼STAR5000TPD熟料水泥项目电气及自动化设计特点

2018-03-28金葆文

四川水泥 2018年11期

金葆文

（合肥水泥研究设计院有限公司，安徽合肥 230051）

1 项目概况

印尼PT.Sinar Tambang Arthalestari日产5000吨熟料水泥生产线（一期）（以下简称印尼STAR水泥项目）是印尼STAR集团投资的一条5000t/d熟料水泥生产线。项目位于印度尼西亚爪哇岛东南，于2013年11月1日开工建设，项目于2015年12月8日实现了点火运行。合肥水泥研究设计院有限公司为该项目EPC工程总承包商。在电气和自动化设计中，针对项目具体情况和业主要求做了大量特殊处理，优化设计，尽可能使项目功能、经济效益和寿命周期成本达到最优。

2 电气设计中的特点

在电气设计中，我们将变压器和电气室尽可能设在靠近负荷中心处，以降低线路损耗。选用高性能的节能型变压器，以减少自身的损耗，采取高低压电容补偿的方式，使系统负载的实际功率因子在0.92~0.95左右，从而达到降低线路损耗、减小导线截面的目的，在设计期间最大程度地考虑降低生产线的长期运行成本。根据印尼当地特点和生产控制的要求，电气专业设计有以下主要特点：

2.1 大功率设备采取变频或软启动器进行拖动控制

回转窑、磨机、破碎机及大型风机等大功率设备采用可控硅为主要器件、单片机为控制核心的智能型电动机拖动设备，采用软起动器或变频器起动。大型风机和部分工况变化较大的或特殊场合的风机采用变频装置调速，节能效果比较显著。据以往生产统计，采用变频调速控制，比简单的风门控制节约电能在 30%以上。

2.2 优化大型风机运行参数，采取PID在线自动控制，提高风机运行效率

水泥工厂大量的电能消耗在风机设备上，风机运行参数不合理，将会带来不小的电耗损失。电气设计中，我们根据工艺操作需要，优化运行参数，对篦冷机风机、窑尾排风机、窑头排风机等设备采取 PID控制。通常，操作员人工控制情况下，不能对系统进行实时的连续跟踪控制，势必造成对能效的浪费，采用 PID控制后，系统根据参数变化实时对设备进行连续调节控制，从而减少电能的消耗。我们对于PID控制的参数采用西门子最新PCS7参数自整定功能，长期在线自动调整PID参数，并结合经验对PID参数进行优化，达到在不同工况下，PID控制设备的稳定运行。

2.3 大量选用先进可靠的节能型电气设备

生产线主要电气设备选用节能型M系列变压器、Y系列高效率电机、智能电控设备等；同时根据各生产工段及自控要求，采用DCS系统自动控制，避免机电设备长时间空转现象。

2.4 建筑照明多采用自动控制，节约电耗

各场所的建筑照明采用更加节能环保的LED灯具，结合整个生产系统的DCS自控要求，采用声控或光控等方式控制，避免常明灯现象。中控室操作员可以控制全厂车间照明配电箱的启停，做到自动控制与人工控制相结合。

2.5 针对当地雨多降水量大的处理措施

印尼当地雨水多，雨季降水量大。针对当地实际情况，在厂区和各控制室电缆沟内预留足够数量的集水井，并在电缆沟底部做合适的散水坡度，以便在大量降水时能及时把电缆沟内积水强制排出至厂区排水沟内。避免由电缆沟将雨水带入控制室。

2.6 防雷安全技术措施

印尼雷电多发，地下水位较高，容易腐蚀地下接地体。对此，设计中将分散在各子项建筑物的避雷带、引雷装置和接地体做整体考虑，将相近车间的地下接地体相连，形成全厂防备接地网络。以防止在局部接地体锈蚀后接地不良的情况出现。同时也大大降低了接地电阻，起到了更好的接地和等电位连接效果。

2.7 充分利用现场施工用临时变压器，减少工程投资

在项目前期，业主负责的110kV总降压站建设进度非常缓慢，将直接影响生产线的调试和投产。为此，我们将场内主要负荷按照工艺分为熟料段和水泥段，并预留接口，以便能够采用业主已有的2台22kV、25000kVA变压器分别为烧成工段及水泥工段配电，并在施工期间同时解决施工用电。事实上，到生产线正式投产时，110kV总降压站也没有建成。这一方案在110kV总降压站尚未建成的情况下，使项目调试、试生产得以顺利进行，没有受到总降压站进度的影响，保证了工程项目的总体工期。同时，设计方案在接口上考虑了与110kV总降系统最大程度上的兼容，避免重复投资和浪费。

3 自动化设计中的特点

按照合同的要求，全厂的电能计量需要在中控集中抄表。在设计中，我们创新式的大规模采用Modbus RTU网络连接全厂的电能计量与考核所需计量表，并转换为profibus网络后与DCS系统相连接。在本次项目的方案中，最大的特色就首先是利用了成本较低的自带 Modbus RTU通讯协议的多功能数字显示型仪表。Modbus RTU通讯协议具有以下几个特点：

（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus RTU协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。因此自带Modbus RTU通讯协议的多功能数字显示型仪表从成本上考虑是最佳选择。

（2）Modbus RTU通讯协议可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。

（3）Modbus RTU通讯协议的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

（4）Modbus RTU通讯协议不是 SIMATIC家族的通用协议，需要大量的组态与编程。这点算是Modbus RTU通讯协议的缺点。

为了发挥Modbus RTU通讯协议的优点，避免Modbus RTU通讯协议的缺点，我们将Modbus RTU通讯协议转换成了Profibus通讯协议。与其它现场总线系统相比，Profibus协议的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。它包括了加工制造、过程和数字自动化等广泛的应用领域，并可同时实现集中控制、分散控制和混合控制三种方式。该系统分为主站和从站：主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信息。在Profibus协议中主站也称为主动站。从站为外围设备，典型的从站包括：输入/输出装置、阀门、驱动器和测量发射器。它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。从站也称为被动站。由于从站只需总线协议的一小部分，所以实施起来特别经济。

为了能够使用Profibus通讯协议，我们采用了成熟稳定的Modbus RTU通讯协议与Profibus通讯协议转换的接口协议转换器，它能使处于通信网上采用不同高层协议的主机仍然互相合作，完成各种分布式应用。协议转换是一种映射，就是把某一协议的收发信息(或事件)序列映射为另一协议的收发信息序列。需要映射的信息为重要信息，因此协议转换可以看作是两个协议的重要信息之间的映射。

使用以上方案后，我们做到在中央控制室集中抄表，进行电耗考核。获取数据由原来的人工抄表每天3~4次，增加到现在的每1s获取一次数据。并且现在的方案简化了抄表难度，并利用DCS系统自动存储抄表数据，较以往人工抄表有了本质的进步。现在采用DCS系统将数据存储于服务器中SQL数据库，为今后在现有基础上拓展为管理信息系统（MIS系统）提供了硬件上的保障。在未来项目中，为了进一步简化系统，优化配置，我们考虑将Modbus RTU通讯协议转化为以太网协议，这样可以直接进入更高级工厂网络，直接面向用户管理、决策层面。

全厂DCS控制系统采用西门子最新PCS7完全无缝集成的自动化解决方案，使用现场总线PROFIBUS DP将原料磨、篦冷机、煤磨等主要设备的现场PLC与DCS相连，同时用PROFIBUS PA将预热器、熟料冷却工段的现场仪表接入DCS系统.采用PA 现场总线的优势之一是：在生产现场，总线型现场设备按照不同的网络结构进行连接，并由总线直接供电，不再需要额外的供电电源。另外，由于采用总线连接设备而节约了大量的电缆、电源箱、配电柜、汇线槽、接线柜、端子箱、安全栅或隔离电路，也不再需要传统的 I/O 模块，因此将节省一笔可观的费用。近两年来，随着现场总线技术的推广和普及，总线型仪表的制造成本也在逐年下降。采用 PA 现场总线的仪表在中控室工程师站提供了图形化的仪表参数修改整定界面，并提供了全面的仪表诊断界面。能够大大简化仪表整定的工作量，并对判断仪表状态和可能存在的问题有了全面的数据支持，并有仪表实际工作环境与时间预警，在仪表尚未损坏就发出更换提醒。