1　引言 　　隨著電子技術、計算機技術、檢測技術和自動化技術的不斷發展，性能可靠的可編程控制器（PLC）、數字調節器、智能儀表、工業控制計算機、集散控制系統（DCS）等為實現工業生產過程的綜合自動化提供了必要的硬件條件，但要實施CIMS（計算機集成制造系統）和CIPS（計算機集成生產過程系統）概念下的綜合自動化，需投入大量資金，這對于中小企業來說是難以實現的。采用高新技術改造傳統產業，實現企業的低成本綜合自動化，對提高工業企業的自動化水平具有重要意義。根據國家的產業政策，立窯水泥廠因其固有的弱點，將被逐步淘汰。一些中小型水泥企業己經或正在籌建600~1000t/d規模的新型干法窯生產線。 　　2　系統構成 　　水泥工藝過程是處理固體和粉狀物料的生產過程，從過程控制的角度來看，是1個滯留時間長、時間常數大、外來干擾多、相互干擾關系復雜的過程。在水泥制造過程的3大部分（原料制備、熟料燒成、水泥制成）中，熟料燒成系統是個互相干擾因素多、控制復雜、在質量和節能方面占有重要地位的關鍵過程。主要流程是：來自原料制備系統的生料由預熱器塔頂加入，在5級旋風預熱器和回轉窯內與燃燒的高溫氣體進行熱交換，經過回窯內燒成的熟料由單筒冷卻機進行急冷。因此燒成過程的3個部分（預熱器、回轉窯、冷卻機）相互干擾，形成反饋的動態情況。有時為了穩定某參數而采取相應操作，其結果不僅未達目的，反而對其他參數產生不良的影響，因果關系復雜。例如：物料在回轉窯內的燒成狀態只能由燒成帶溫度、窯傳動功率、窯尾廢氣溫度及成分、窯尾溫度、熟料溫度等多種間接參數來推定。 　　3　過程控制思想 　　600t/d干法窯生產線過程控制采用美國Honeywell公司的SCAN3000中小型DCS，該系統基于客戶機/服務器（Client/Server）技術，是適合中小型企業的高性能、低成本、全開放、模塊化的集散控制系統，數據庫規模為20~20000點，系統配置十分靈活。 　　生產線上主要的設備控制、監視、報警及打印報表等管理功能都由中控室執行，控制硬件分布在生料磨、窯尾和窯頭3個過程站內，過程站與中控室之間由數據通訊系統提供雙向信息處理和信息傳送。 　　控制功能分為模擬控制和邏輯控制2大部分，設在過程站機柜內的S9000控制器由2個各自獨立的CPU構成，其中1個CPU專門用于模擬控制，另1個CPU則用于邏輯控制。S9000控制器接受來自現場的各種測量溫度、壓力、流量、閥位等過程變量傳感器的信號，所有過程站的過程控制信息由數據通道送往中控室，在氣中控室實現對生產過程的模擬控制和邏輯控制。3臺帶有彩色CRT的工作站進行各種過程測量、圖像顯示及報警顯示；鍵盤和鼠標器作為輸入端完成生產線的控制，進行各種組態以及控制參數的設定、畫面的調用、設備的啟動和停機；2臺打印機提供各種報表和報警的永久記錄；3臺工作站中有1臺兼有服務器的功能，它提供并維護1個高性能的實時數據庫。 4　控制系統描述 　　SCAN3000控制系統具有控制功能分散、監視高度集中的特點，而且在DCS通訊領域中采用了基于Windows NT的客戶機/服務器技術，即以簡單的結構支持高效率的操作。運行在Windows NT多任務操作系統下，SCAN3000系統的服務器執行所有主要的系統功能：數據收集和處理，報警和事件管理，歷史數據的采集、歸檔和趨勢顯示，報表生成，標準組態應用軟件和用戶生成應用軟件的執行。600t/d干法窯生產線過程控制系統構成如圖l所示，主要組成部件虧：服務器、工作站、S9000控制器、過程控制網（以太網）。 　　4.1　S9000控制器 　　S9000控制器是SCAN3000控制系統的基本部件，集成高速的邏輯控制，綜合的順序控制和精確的連續控制，具有雙CPU結構，1個CPU專門用于回路調節和順序控制，另1個CPU則專門用于邏輯控制。S9000控制器完成的4個主要控制功能是：順序控制、模擬控制、邏輯控制、I/O監視，即可以獨立操作也可以集中利用。 　　1）調節回路功能用于回路調節控制和順序控制功能的CPU用來控制各種不同的連續和非連續生產過程，由現場獲取模擬、數字等輸入信號，按照給定的算式和控制順序來完成各種計算和控制，并向現場提供模擬和數字輸出信號，同時可以人為地輸入控制策略來監視或改變過程操作。 　　S9000控制器可以同時控制最多32個PID回路、96個模擬量輸入、960個I/O點、32KB邏輯內存，在0.5S內可以進行8個回路的數據處理和控制，還配置了支持與/或修改控制動作的輔助控制算法，可完成所有控制策略元件之間的連接，并包含邏輯控制算法。 　　S9000控制器不僅能滿足在I/O能力、應用內存、掃描速率等方面的各種要求，還具有ACCUTUNE自整定調節功能，能自動地調整過程控制回路，使之獲得最高的運行效能。 　　分布在生產線上3個過程站內的S9000控制器分別完成各個區域的模擬控制及過程變量的監視。通過中控室的工作站，操作人員可監視S9000控制器各個回路的測量值PV和給定值鈕，并隨時可改變SP設定值以及手動/自動控制的切換，S9000控制器還具有趨勢記錄功能，它為工作站提供過程參數的平均值和趨勢的信息。 　　2）邏輯控制功能S9000控制器的邏輯控制功能包括接點、鎖存器、順序器、計時器和計數器等元件。分布在3個過程站內的S9000控制器分別完成3個馬達控制中心（MCC）的設備開停機和聯鎖順序控制。3個MCC分別控制以下區域：①生料配料庫、生料磨及生料均化庫頂；②生料均化庫底、窯尾預熱器及廢氣處理系統；③回轉窯、冷卻機及熟料庫。 邏輯控制主要完成的功能為：①按一定順序分組控制設備的啟動和停機；②向工作站提供所有數字量信息，使其顯示出所有設備的運行狀態；③提供設備故障分析及報警。 　　3）I/O模件S9000控制器配置多種I/O模件：開關量輸入模件DI、開關量輸出模件DO、模擬量輸入模件AI、模擬量輸出模件AO、通用模擬量輸入模件（直接與傳感器連接）、熱電阻輸入模件RTD、智能通訊模件Minicop等等。 　　4）S9000控制器的組態S9000控制器的組態可以采用傳統的繼電器梯形邏輯圖和功能模塊的編程方法，也可以采用Honeywell公司創新的連續控制圖和順序控制圖的編程方法。主要的圖形化組態工具有下述3項：①連續控制圖采用SAMA型控制棋塊，以圖形化來表示連續控制過程；②順序控制圖采用圖形化的流程和順序控制模塊，將批量操作組成邏輯步驟；③繼電器梯形邏輯圖采用電氣人員熟悉的邏輯元件及梯形圖編制組態中的邏輯功能。 　　4.2　與數據高速公路（DHW）的連接 　　SCAN3000與TDC3000的DHW之間的接口采用低成本更新TDC老系統的方法，使SCAN3000與所有DHW上的設備共同運行，并提供增強型的圖形和報警、長期歷史數據的收集、MIS網絡連接，以及遠程工作站等。 　　4.3　工作站/服務器 　　工作站軟件以MS-DOS和Windows3.1為基礎，控制組態軟件包括連續控制圖、順序控制圖、梯形邏輯圖、設定點程序、處方和上/下裝載軟件；監控軟件包括預定義格式畫面、用戶流程圖、報警和歷史趨勢及報表軟件。此外還采用了與Windows 3.1兼容的中文軟件，使系統具有漢化功能。 　　工作站上的高分辨、彩色三維圖形和完善的窗口技術為操作員提供了優秀的人機界面，在1個屏幕上可以顯示多個窗口，或者為全屏幕固定顯示l個窗口以防止對系統的誤操作，窗口環境能使操作人員快速地訪問到各類信息。 　　SCAN3000系統提供了Microsoft Windows或X Windows/MOTIF用戶界面選擇，在使用現有的硬件上具有很大的靈活性。設在中控室的工作站用來監視和操作整個生產過程，為控制系統提供通訊、顯示及報表管理等功能，其結構如同1組子系統模塊的組合，根據不同工業控制系統的需要，可以進行最基本或最復雜的子系統組合，控制系統中所有的點都可以在工作站上進行顯示和控制。 　　工作站還提供多種顯示和操作方式，如采用鼠標或按鍵，操作員可選擇習慣方式與控制系統對話，完成3種主要的操作：顯示、控制、改變過程參數。工作站上集成的軟/硬件還可以完成趨勢、平均值/h、報警、打印輸出、啟動/停機動作，系統和通訊自診斷等功能。3臺工作站既互相獨立又可以相互代替。 　　l）工作站的主要功能①模擬控制、數字控制以及非控制變量的顯示；②控制回路的操作；設定值、控制方式、輸出值、自動/手動選擇；③趨勢及平均值/h；④產生報警并顯示；⑤用戶流程圖顯示；⑥報表和歷史檔案；⑦系統組態及配置；③系統和通訊自診斷及報告。 　　2）工作站上常用的顯示畫面①生產線操作模擬圖和工藝流程模擬圖：用來操作和顯示生產線上工藝設備的運行情況及過程變量數值。主要畫面有組顯示、細目顯示、單元總貌顯示、單元細目顯示、用戶流程圖顯示等；②報警一覽表：即報警總貌顯示，顯示所有的報警情況；③趨勢組顯示；顯示重要的過程參數的變化趨勢曲線；④數據通道狀態顯示；⑤S9000控制器診斷顯示。 　　3）工作站上主要的控制指令①啟動或停止某1個“順序”；②改變過程變量的給定值或輸出值；③對調節回路選擇自動控制或手動控制。 　　4）歷史數據的收集和訪問SCAN3000系統具有提供收集、分析和報告生產過程及有關數據的綜合性能力。 　　①歷史數據收集：以1S到24h的時間間隔，用瞬時值或平均值方式來收集生產過程的歷史數據和其他有關數據（包括點的參數等），可以在線保存大量的歷史數據，并且有自動歸檔到外存的優點，因此可處理無限量的歷史數據。在趨勢顯示、用戶流程圖、報表，以及其他基于SCAN3000的應用和基于網絡的應用均可以使用歷史數據； 　　②趨勢：借助強大的的趨勢功能，可以分析歷史數據。通過簡單的組態，趨勢圖可以各種方式顯示出來，顯示格式包括：單點趨勢、雙點趨勢和3點棒狀圖顯示；多筆和多量程曲線圖；x-y分散點顯示；數據表格形式顯示及組趨勢顯示，共5種。在趨勢顯示實時數據、在線歷史數據和歸檔數據的同時，將當前的批量過程情況及生產過行參數與最佳的批量過程及生產運行參數相比較，操作人員由此找出偏差，從而進行正確的操作； 　　③報表：SCAN3000系統內置了報表功能格式化和分析數據，采用可組態的自由格式報表工具，可生成各種用戶化的報表，對實時和歷史數據執行運算和統計。主要的報表包括：生料配料配比及總量班報表（平均值/h）；主機設備的轉速和電流值班報表（平均值/h）；生料、煤粉、熟料的產（耗）量/h及重要工藝參數值班報表（平均值/h）；2磨1窯產量、運轉時間、臺時產量、運轉率，以及耗煤量的日、月、年報表。 　　4.4　網絡與通訊SCAN3000控制系統可提供與PC網絡或其他系統的局域網或廣域網的安全通訊。采用工業標準的TCP/IP通訊協議及接口，SCAN3000可以與多個本地/遠程的工作站，以及MS-DOS、U-NIX或開放的基于VMS的計算機系統進行通訊。在這種聯網的平臺上執行應用，可以下列2種方式存取實時的或歷史的數據。 　　1）支持Windows動態數據交換（DDE）的Windows應用，能通過網絡DDE （Net DDE）為Windows客戶軟件獲取“點參數”數據和歷史數據。 　　2）其他如調度、建模、MES和制造資源規劃等應用，可以通過SCAN3000網絡應用編程接口，讀寫SCAN3000數據庫。 SCAN3000系統還具有遠程通訊能力，支持的通訊媒體包括：衛星、無線電、微波、對流層散射、海底電纜、光纖、租用電話線、PSIN、ISDN和X.25等。聯網和通訊能力為控制系統今后的軟硬件開發與擴展均奠定了良好的基礎。 　　5　控制策略及應用效果 　　針對水泥工藝過程滯后長、干擾多的難題，在2個主要環節采取相應的控制策略。 　　5.1　前饋與串級控制 　　解決大慣性系統的控制滯后問題。在水泥生產過程中，生料磨的出磨氣體溫度控制回路是滯后時間長的大慣性系統，若采用單級PID反饋控制，由于系統調節滯后，PID參數難以整定，其結果是控制不穩定，振蕩劇烈，系統控制品質差。解決辦法是：引入入生料磨混合氣體溫度作為串級控制副回路的PV變量，引入入生料磨熱風溫度和熱風閥位的來乘積作為冷風閥位控制的前饋變量，引入出生料磨氣體溫度作為主回路的PV變量，將冷風閥位作為控制輸出的主調節量。采用上述策略后，系統技運順利，控制平穩，PID參數整定方便，系統響應快，抗負荷擾動能力強，達到很好的控制效果，保證生料磨在穩定的狀態下運行。 　　5.2　多變量協調控制 　　解決多參數多變量綜合控制問題。水泥回轉窯是水泥生產過程的關鍵環節，它是1個滯后時間長的多變量控制系統，實際運行中要根據風溫、分解率、廢氣溫度等參數，選擇合適的噴煤量、風量、窯轉速等操作變量以達到控制回轉窯穩定運行的目的。由于相關的參數和控制變量很多，如：如窯尾溫度、窯頭溫度，5級旋風預熱器中各級溫度和壓力、廢氣成分、生料喂料量、噴煤量、風量、窯轉速、高溫風機轉速、增濕塔出口風溫等，這些變量要通過連續調節控制或開關控制，是個復雜的多變量多輸入多輸出系統。 　　對此系統采用協調分散控制策略，將系統分為多個子系統，將各子系統中最重要的變量分別采用單級PID調節或多級PID串級加前饋的算法調節，使每個子系統成為相對獨立的穩定運行的控制回路，采用多變量協調算法將各子系統聯系起來協調控制，形成完整的控制系統。 　　6　結語 　　高性能、全開放、規模靈活、成本較低，是SCAN3000控制系統的主要特點，也是600t/d干法窯生產線過程控制系統選型的著眼點。該集散控制系統于1998年底完成安裝調試及試運行，現已投入正常運行。隨著該系統的穩定運行和不斷開發完善，在生產和管理上起著控制生產設備、保證產品質量、提高生產效率、加強科學管理和輔助科學決策的作用，對企業提高競爭能力，獲取經濟效益將起重要的促進作用。