DCS控制系统在砂石骨料生产线上的应用与实践

王林平 商九坤 高国防 王 立 慎建军 颜 妍

1焦作千业新材料有限公司（454150）2河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450000）

0 前言

据调查研究发现，近几年建设的小规模砂石骨料生产线自动化控制系统多数采用PLC+上位机模式，实现了简单的远程和逻辑控制。随着市场形势和国家对资源开采和环境保护的不断强化，新建砂石骨料生产线规模越来越大，原有模式已经无法满足目前的控制要求，应用先进的DCS系统成为必然选择。

1 DCS控制系统简介

DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System)，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统，是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示和控制等4C技术，其控制基本形式是分布式控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS控制系统具有以下优点。

1.1 可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性得到提高。

1.2 开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

1.3 灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系，从控制算法库选择适用的控制规律，从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

1.4 易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

1.5 协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

1.6 功能齐全

控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

2 DCS控制系统在砂石骨料生产线的应用研究与实践

基于原料岩性和产品标准等原因，各家骨料生产线的生产工艺并不一致，DCS控制系统配置方案也不尽相同。文章中以焦作千业新材料有限公司的2 500 t/h砂石骨料生产线为例，详述该系统的应用研究与实践。

2.1 工艺流程

根据市场调研及行业发展形势，经中国砂石协会组织专家论证，本项目选用“颚破+反击破+立轴整形破+二级筛分”“砂石同出”的干法生产工艺，并且产品粒型、比例、产量等柔性可调，具有多线并行、单线开路和闭路等生产模式。

2.2 系统选型

本项目选用的是基于ABB AC900F控制器的Freelance DCS分布式控制系统，极大简化了工程组态、调试、维护和总线管理等工作,直观的操作员人机界面让整个系统的操作和诊断变得轻松容易。

图1 DCS拓扑图

2.3 应用研究

本项目DCS系统主要用到以下控制类型:

2.3.1 开环控制系统

在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，按顺序进行逻辑控制的系统称为顺序控制系统。顺序控制系统由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控制的设备仪表所组成，主要应用于一级破碎和输送等过程。

2.3.2 闭环控制系统

闭环控制系统也称反馈控制系统，是建立在反馈原理基础上，利用输出量与期望值的偏差对系统进行控制，可以得到较好的控制性能，主要应用于消防泵的恒压供水自动控制系统。

2.3.3 恒值控制系统

恒值控制系统中，给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值。如生产过程中的温度、压力、流量、物位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统，主要应用于成品储存库。

2.3.4 随动控制系统

给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值变化。

2.3.5 程序控制系统

给定值按一定时间函数变化。如液位、仓位、风机转速等。

2.3.6 PID控制

根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。如机制砂脱粉工序防离析拌湿系统的恒水分喷水控制。

图2 一级破碎工序收尘器组、风机组组起组态交互界面

3 应用实践

1）完善基础的测控仪表、在线监测仪表等的控制系统，提高基础自动化投用率，实现给料、输送、料液位、温度、压力、流量、转速等环节优化控制，稳定生产过程，提升产品质量，减少人为干预，降低人员劳动强度，减员增效。

2）建立关键工序设备组的运行模型，采集工序设备实时起动、运行数据，通过组态优化实现关键工序设备的组操作指令执行，在保证设备安全的前提下，压缩生产线设备空载运行时间，提高操作效率。

①对一级破碎系统收尘器，主机设备空载，重载运行时间，各输送工序实时产量、班累计、总累计等编程组态及交互界面实施并优化。

②对二级破碎系统主机设备空载，重载运行时间，各输送工序实时产量、班累计、总累计等编程组态及交互界面实施并结合运行情况优化。

③对一级筛分系统收尘器、风机组、带式输送机组、二筛系统收尘器、风机组、带式输送机组等组操作编程组态及交互界面实施并结合运行情况优化。

④对水泵站深井泵、生产用水泵、远程液位自动控制编程组态实施，消防水泵组、生活水泵组恒压自动控制编程组态实施并结合运行情况优化。

⑤对成品库顶转接皮带组、库顶收尘器、风机组等组操作编程组态实施并结合运行情况优化。

⑥根据生产实际工艺，利用历史能耗数据建立关键工序能耗定额，实时监测设备能耗，合理安排生产调度，实现管理节能降耗。

⑦根据生产工艺的调整优化，结合历史运行数据，对自动化控制系统的工艺连锁、安全连锁实时进行优化调整，保障生产工艺控制安全可靠。

⑧对一些影响生产效率提升或需要人为频繁干预的关键工序和设备实施智能化、自动化改造，达到精确作业、简化远程操作流程，减少人工出错概率的目的。

4 效果及推广前景

DCS控制系统在焦作千业新材料有限公司时产2 500 t砂石骨料生产线上的应用和实践，极大地提高了砂石骨料生产线控制可靠性和自动化程度，在解决生产需求和提效率、降成本、保安全的同时，探索出一条适合砂石生产企业的技术升级道路，推广应用前景广阔，对加快砂石骨料行业转型升级，走绿色、智能化、自动化的可持续发展道路起到了积极的作用。