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天津理工大学2013届本科毕业设计说明书1第一章绪论水泥粉磨是水泥制造的随后工序，其采用“多点给料，多点取料，循环粉磨”技术。其耗电量约占工厂总用电量的65%～70%。熟料是组成水泥颗粒的最主要的成分，粉磨的功能是将水泥颗粒中最主要的成分：熟料（及缓凝剂、性能调节材料等）粉磨至适宜的粒度,水泥的分散度（以细度、比表面积等表示），形成一定的颗粒级配，满足水泥浆体的凝结，及硬化要求。1.1概述近十几年来，随着计算机技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器（PLC）的功能和结构不断改进，应用范围从原来的逻辑控制发展到连续和分批量的过程控制，以高可靠、低成本的特点，深受广大用户好评，已成为当今工业控制系统的生力军。该系统由于是技术高端、生产过程很可靠，又能节省生产商的投资、提高效益的指导思想来设计此系统的。在整个生产线上采用的是PLC和集散控制系统（DCS）来共同完成，整个生产线的自动化过程控制[1]。由于整个水泥生产线是以顺序控制、连锁控制为主的自动化控制，PID调节回路和输入输出模拟量控制相对来说是很少的，但是开关量的数量很大，约占总输入输出点数的百分之八十左右，这种以PLC和组态软件为基础构成的自动控制系统，不仅完成了对水泥粉磨整体生产过程的监控，实现检测自动化、过程自动化、管理自动化，而且发挥了可编程逻辑控制器（PLC）在开关量控制方面的技术先进和价格低廉的优势[2]。因此，采用现代PLC和组态软件构成的控制系统比传统的继电器控制系统更适合水泥粉磨系统的控制，也是该系统的创新点所在[3]。1.2国内外发展及研究现状1.2.1国外发展及研究现状自从1842年英国人阿斯普丁发明水泥，并首次大规模应用于泰晤士河隧道工程至今，水泥工业在欧美等发达国家已经发展到了一个很高的阶段并不断完善。目前大量使用节能环保技术是该行业的新形势，在西方为主的发达国家中从事水泥窑纯低温余热发电技术及装备研究、开发、推广应用工作的国家主要有日本、荷兰、以色列、德国等，其中尤以日本钢管（JFE）、日本川崎重工（KHI）的技术装备在国际上推广应用的比重最大，甚至出现了生态水泥，及主要以采用城市焚烧垃圾灰和下水道淤泥作为基本原料生产的水泥。这项技术的应用消纳了大量城市垃圾，年产水泥20万吨的生产线，年处理能力相天津理工大学2013届本科毕业设计说明书2当于500多万居民排放的生活垃圾。这项技术的应用比例在荷兰甚至已达到了72%。不仅如此，国外发达国家的水泥工业的生产规模与技术装备基本实现了集中化、大型化。目前已有日产10000～12000吨的水泥熟料生产线投产，700吨/小时生料粉磨的辊式磨已经投入使用，出现了年产数千万吨以上的水泥企业。目前在国外发达国家水泥行业中还应用了很多比较先进的计算机控制技术，如PLC、DCS等等，并且已经基本得到了普及，成为水泥工业系统不可或缺的重要组成部分，成为了行业现代化的支柱[4]。1.2.2国内发展及研究现状反观我国，虽然水泥产量很大，但是大部分水泥企业生产设备落后，能源消耗高，污染较严重，自动化控制水平低。从全国平均水平来看，仍多是采用常规的继电器、接触器加模拟仪表控制方式，影响了产品质量的提高[5]。目前，国内大中型水泥企业已经认识到了不足，已经积极引进国外先进计算机控制技术，提高国际竞争力。现在，国内大中型水泥厂的计算机控制通常采用集散型控制系统（DCS）来实现，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。虽然集散控制系统以其杰出的特点对广大水泥企业有强大的吸引力，但其昂贵的软件开发费和调度费（国外报价）等，令诸多水泥厂可望而不可及，即使应用软件由国内自行编制，其硬件的费用一般用户也难以承受，从而限制了DCS系统在水泥工业过程控制中的广泛应用，所以降低DCS系统的硬件费用，是计算机控制系统在水泥厂推广应用的前提[6]。在降低控制系统成本方面我国水泥企业已取得了不小的成果。例如，浩良河水泥厂的国产化2000t/d水泥生产线，对这样的大型水泥企业来说，自动控制水平如何，直接影响到达产达标能否顺利进行。经过询价，如对主要生产车间采用DCS系统进行控制，仅硬件设备价格最低的国外供货商也需60万—70万美元。由于该厂资金缺口比较大，全套引进DCS系统对整个生产工艺进行控制是不可能的。为了节省投资，同时又确保了该厂的自动控制水平处于国内领先地位，工程技术人员大胆地将可编程逻辑控制器引进DCS系统，融二者为一体，集成了浩良河水泥厂的分布式计算机控制系统,既发挥了DCS系统处理模拟信号和回路控制的优势以及灵活的组态功能，又发挥了PLC强有力的处理开关信号的能力，在保证控制系统性能满足一定的要求的情况下，较大幅度地降低了系统投资。与国外报价相比，整个集成控制系统价格降低了20%—30%，为该厂节省了100多万元人民币。系统通讯网络和PLC处理器均采用冗余配置，提高了系统的可靠性。该系统1994年底进行现场调试、投运、获得了成功并顺利通过其考核，1997年8月通过了部级验收[7]。实践证明，DCS与PLC组成的集成控制系统是切实可行的。完全能适应2000t/d水泥厂的自动化控制，它不但保持了DCS系统的全部功能，而且降低了系统投资，是值得向大中型水泥厂的自动控制，它不但保持了DCS系统的全部功能，而且降低了系统投资，是值得向大中型水泥企业推荐的控制方案，这种集成控制系统结构已在巴基斯坦2条2000t/d水泥生产线上推广应用，并获得成功。天津理工大学2013届本科毕业设计说明书3再以淮海水泥厂为例，淮海水泥厂3000t/d熟料水泥生产线是60年代从罗马尼亚引进的，其自动化控制亦属配套引进，采用继电器—接触器控制加仪表盘操作的模式，全系统的技术装备很陈旧，可靠性较差、故障多、维修不方便、功能少、控制不灵活、无法真实地反映生产过程的变化。为了使淮海水泥厂摆脱这种困境，面对技改资金严重不足的现状，工程设计人员采用微机两级联网控制系统对整个烧成系统的电气自动化控制进行了全面改造。微机联网控制系统由上位机管理系统和下位机控制系统两部分组成。上位机系统由两台COMPAQ主机，配置键盘、显示器以及两台打印机组成，两台主机是通过NETWORK联成网络，互为热备，共享信息，另设置一台调度管理计算机，通过一对调制解调器（modem）与主机相联；下位机系统采用德国西门子公司的SIMATICS5-135U可编程序控制器，配有主机架、扩展机架、CPU模块、接口模块、自诊断模块、通讯处理器模块和I/O模块；上下位机之间通过串行通讯实现双向数据和信息交换[8]。此微机联网控制系统具有DCS系统的优点，但是它的价格仅为DCS系统价格的30%~50%，对资金短缺的淮海水泥厂的技改工程而言，毫无疑问是既经济实惠，又相对先进的控制系统方案。该系统在1991年9月到现场调试，投入使用，获得了良好的效果，为整个技改工程的成功完全起到了积极的促进作用。微机联网控制系统和NFC分解炉的改造以及篦冷机改造同时通过了国家建材局组织的部级鉴定，并获得了部级科技进步二等奖和国家科技进步三等奖[9]。还有一个是在国内比较具有典型的案例，为福建水泥股份公司重新设计水泥粉磨控制系统。该公司是一个有2台立窑，3台回转窑，年产量100万吨以上的上市公司近年来，公司通过技术改造和优化操作等措施，熟料产量逐年提高，原有的水泥粉磨系统的粉磨能力已经不能满足实际需求，决定新建一条水泥粉磨系统来提高粉磨水泥的能力。该公司原有生产车间电气自动化都是采用常规仪表继电器来控制，为提高控制水平，工程设计人员对水泥粉磨计算机控制系统进行了研究，认为将来很可能扩展为全线的控制系统网络和信息管理网络的子系统，本着安全、可靠、经济、实用的原则，采用了由PLC、工业控制计算机和工控软件组成的水泥粉磨集成计算机控制系统。在此系统中，2台工控机采用的是研华公司的IPC610，PLV采用的是AB公司的PLC-5/30，工控机与PLC通过DH+通讯网络连接，实现双向数据传输。该系统的价格仅是某些具有同样配置的小型DCS系统价格的一半，节省了投资，尤其是将来系统扩展时更能节省大笔费用。该系统毫无疑问是一种具有开放性、灵活性、扩展性的低成本集成计算机控制系统[10]。1.3本课题研究意义可编程控制器（PLC）是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它的出现弥补了传统的继电器控制系统的缺点（设备体积大、速度慢、功能少，只能做简单的控制；特别是采用硬连线逻辑，连线比较复杂，一旦生产工艺或对象发生变动，天津理工大学2013届本科毕业设计说明书4原有的连线和工业控制柜就需要更换）而水泥粉磨设备中有大量的风机和电机，用于原料破碎、物料粉磨和输送设备，对电机和风机的控制对于粉磨出的水泥质量至关重要，如果采用传统的继电器控制不仅效率不高还不节能环保。用PLC控制电机和风机比继电器—接触器控制有着质的提升，据中国水泥协会统计，水泥行业带电机拖动系统的节能改造成以PLC控制的变频调速器控制风机和电机，节电率可达30%以上。例如，根据工艺要求控制系统调节风门的开度来调节风量。导致系统风压偏高，电能浪费严重，噪音也比较大。变频节能柜接收DCS或PLC的风量信号来改变变频器的输出频率，调节风机（电动机）的转速，达到按工艺要求调节风量的目的，调整电机转速满足负荷变化情况，达到节电效果。综上所述，利用计算机控制系统，配合先进的控制策略，对改善工人的劳动环境、提高产量、稳定质量、降低能耗等方面具有重要意义[11]。1.4课题研究内容及结构1.4.1课题研究内容对水泥生产过程中的水泥粉磨过程控制系统进行设计。根据系统的控制要求和控制信号的数量在过程控制层设置了一个现场控制站，由一台PLC担任熟料存储及配料、水泥粉磨及成品包装的全部逻辑控制。1.4.2课题结构1.控制系统硬件选型包括上位计算机的硬件配置、可编程控制器(PLC)及各模块等硬件系统的选型。2.控制软件的设计包括模拟量输入/输出模块的初始化程序设计、水泥粉磨部分的逻辑控制程序设计以及上位机组态软件的配置。天津理工大学2013届本科毕业设计说明书5第二章过程控制系统总体设计2.1方案分析系统采用层次化结构，由上而下分为三个层次：集中监视操作层，过程控制层，现场设备层。每个层次在结构上又是横向分散的，具有良好的可扩展性，设计上是独立的，通过数据网络构成一个有机的系统。如图2.1所示。图2.1系统结构Fig.2.1Systemstructure根据水泥的工艺生产的特点，设计系统有如下要求:(l)工艺流程的设定与起停：机电设备起停都是由PLC和上位机共同完成的。工艺流程可在每次机电设备起动前预设定。在原工艺流程停止的时候，这是预设定的流程已经完成，自动控制系统将迅速切换至预设定的流程。工艺流程中设备的起动是有序的进行的，为了避免因两台大功率设备同时起动，对电网产生过大的冲击，间隔时间是略大于机电设备启动的时间的。当工艺流程结束，停止命令发出，设备再依次按工艺顺序停机。(2)工艺流程的紧急停止：当全套设备在工作的时候，系统出现了紧急情况，这是操作人员必须马上按上位机屏上的急停按钮，此时所有设备立即停止，哪块出现的故障会马上显示出来。自动控制系统是集中联锁控制与手动控制互相配合的一种控制系统.其中集中联锁逻辑控制是主要，手动控制为辅助.手动控制主要用于设备调试、维护及自动控制系统出现故障时的应急操作。(3)工艺流程的报警：在工艺流程启动前，整套设备有声音及灯光报警装置。报警装置设置在车间内，当设备出现故障情况，系统报警、显示哪块发生故障。天津理工大学2013届本科毕业设计说明书6(4)熟料库的料位控制：水泥粉磨系统包括熟料仓、石膏仓、混合材料仓。熟料立升重必须大于等于1150。料位的高低利用雷达料位计来确定，输出4-20mA电流信号之后再接入PLC，在上位工控机显示出来。对料位设定完报警功能后，再由上位机根据料仓的位置对入料进行控制。(5)参数调节：每个工程参数必须都能进行随时的调节，这样才能在超出范围内的情况下进行报警。因为这种生产线的参数（热工参数）比较多，为了保持稳定状态必