陸小松

（安徽海螺信息技術(shù)工程有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

現(xiàn)代水泥工廠的建設(shè)旨在通過集成數(shù)字化、智能控制等技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高效、可靠、可持續(xù)發(fā)展[1]。在這一進(jìn)程中，分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）的優(yōu)化升級顯得尤為重要。DCS系統(tǒng)作為一種計算機網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)，其通過分散控制的方式，實現(xiàn)了對設(shè)備的集中管理，從而在工業(yè)自動化領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。DCS 系統(tǒng)可以實現(xiàn)對復(fù)雜生產(chǎn)過程的高效、精確、穩(wěn)定的控制和監(jiān)測，從而提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。在水泥工廠改造中，DCS 系統(tǒng)的優(yōu)化升級不僅有助于增強水泥生產(chǎn)的安全性，更能進(jìn)一步推動生產(chǎn)過程的精細(xì)化和智能化。本文僅就水泥工廠DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級與效果進(jìn)行分析，以期為水泥工廠智能化建設(shè)與發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)。

1 DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級

1.1 DCS控制系統(tǒng)新架構(gòu)設(shè)計

為了給水泥工廠智能化建設(shè)與發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)，HL 公司決定對DCS 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，本文著重探討了如何通過開放式DCS系統(tǒng)建設(shè)高效的水泥工廠控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)遵循IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編程語言的選擇[4]，確保了系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化與兼容性。在控制功能實現(xiàn)上，通過分層形式實現(xiàn)具體控制功能，分別為現(xiàn)場控制層與遠(yuǎn)程控制管理層以及顯示層，該控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 水泥工廠中央控制系統(tǒng)新的架構(gòu)設(shè)計

在現(xiàn)場控制層面，采用了現(xiàn)場總線控制器，其中包含現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接模塊、控制網(wǎng)絡(luò)以及電源模塊，現(xiàn)場傳輸介質(zhì)采用了標(biāo)準(zhǔn)雙絞線或光纜，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。當(dāng)控制器開始運行后，現(xiàn)場總線設(shè)備則按照ProfiBusDP 協(xié)議通信標(biāo)準(zhǔn)與控制器進(jìn)行通信，實現(xiàn)精確控制；在遠(yuǎn)程控制管理方面，通過Windows 操作系統(tǒng)完成，工作人員在Windows 操作系統(tǒng)中發(fā)出控制指令，這些指令隨后傳輸至總線控制器，由總線控制器實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的有效控制[5]，這種遠(yuǎn)程控制方式不僅提高了工作效率，還降低了現(xiàn)場操作的風(fēng)險；系統(tǒng)顯示界面分為三個部分，分別為系統(tǒng)總體顯示、模件顯示以及過程站顯示，通過這些顯示界面，工作人員可通過顯示界面，實時獲取水泥工廠設(shè)備的運行狀態(tài)，便于進(jìn)行及時的監(jiān)控和調(diào)整。

從圖1 可知，水泥工廠中央控制系統(tǒng)新的架構(gòu)設(shè)計目的是為了實現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)控制和高效管理，為水泥工廠的智能化發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。

1.2 DCS系統(tǒng)對工廠運行狀態(tài)的控制功能

新的DCS系統(tǒng)具有實時判斷水泥工廠運行狀態(tài)的能力，并能對實時操作記錄進(jìn)行存儲與打印，用戶可在顯示界面中訪問所需內(nèi)容。該系統(tǒng)具體可實現(xiàn)控制功能如下。

1.2.1 燒成系統(tǒng)控制優(yōu)化

強化燒成系統(tǒng)的控制功能，通過現(xiàn)場監(jiān)控裝置監(jiān)測窯轉(zhuǎn)矩變化，當(dāng)窯轉(zhuǎn)矩越大，說明窯壁熟料溫度越高。因此，通過DCS系統(tǒng)控制窯轉(zhuǎn)矩，保障熟料溫度處于合理范圍，可以以此確定現(xiàn)場喂料量，從而精準(zhǔn)控制燒成帶溫度。

1.2.2 轉(zhuǎn)速控制升級

針對水泥生產(chǎn)過程中板喂機的轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行了重要升級，板喂機通常布置在黏土倉下，并接皮帶秤，我們優(yōu)化了皮帶秤的計量功能，以實現(xiàn)更精準(zhǔn)的配料。當(dāng)皮帶秤上的物料重量超過或低于設(shè)定值時，DCS 控制系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)，自動調(diào)整板喂機轉(zhuǎn)速，若物料重量低于給定值時，則可通過該DCS控制系統(tǒng)增加轉(zhuǎn)速，保障運料量穩(wěn)定。

1.2.3 冷卻機篦速自動調(diào)節(jié)控制增強

冷卻機篦速的調(diào)節(jié)對熟料冷卻的均勻性和冷卻機的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。我們增強了DCS系統(tǒng)對冷卻機篦速的檢測和調(diào)節(jié)能力，當(dāng)料層厚度出現(xiàn)變化后，DCS控制系統(tǒng)可及時根據(jù)冷卻機篦速檢測的結(jié)果，對篦床速度進(jìn)行維護(hù)，保障冷卻機的安全運行。

1.2.4 壓力控制精確化

窯系統(tǒng)與生料磨系統(tǒng)運行過程中，窯尾排出的廢氣用于生料磨系統(tǒng)的烘干，新的DCS 系統(tǒng)提升了其對窯尾負(fù)壓值的監(jiān)測精度，并根據(jù)負(fù)壓值的變化自動調(diào)節(jié)大布袋收塵后的排風(fēng)機閥門和窯頭排風(fēng)機入口閥門的開度，確保風(fēng)量穩(wěn)定，同時保障窯頭罩負(fù)壓穩(wěn)定。

1.2.5 緊急停車控制完善

為確保實際水泥生產(chǎn)的安全，新的DCS 系統(tǒng)完善了其緊急停車控制功能。受生產(chǎn)環(huán)境影響，每一環(huán)節(jié)上的工作人員均會遇到不同程度的安全隱患，甚至是重大安全事故，為避免這一問題的發(fā)生，新的DCS系統(tǒng)配備了緊急停車模塊，能夠在發(fā)生安全隱患或事故時迅速啟動緊急制動控制，有效降低水泥生產(chǎn)的事故率，從而保障生產(chǎn)安全。

1.2.6 報警控制功能強化

報警控制功能的強化是此次DCS控制系統(tǒng)優(yōu)化升級的重要一環(huán)，提供有效的報警功能。該系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)現(xiàn)場布置監(jiān)測裝置，當(dāng)任意區(qū)域出現(xiàn)意外事故時，該控制系統(tǒng)均能夠及時通過多種方式（如聲音、短信、郵件等）向工作人員發(fā)出告警通知，以確保工作人員及時發(fā)現(xiàn)事故問題。同時，報警信息也會被記錄到數(shù)據(jù)庫中，便于后續(xù)的事故分析。該系統(tǒng)的報警控制功能中，主要具有以下特點。

（1）報警方式種類較多，可支持多類型警示，具體方式如圖2所示。

圖2 DCS控制系統(tǒng)報警方式分析

（2）可將報警信息記錄到數(shù)據(jù)庫中，便于后續(xù)事故分析。

（3）支持短信報警功能，可將報警信息發(fā)送至工作人員手機中；同時支持郵件報警。

（4）可直接通過打印機輸出報警信息與當(dāng)前設(shè)備參數(shù)。

（5）支持聲音報警，通過播放聲音文件，實現(xiàn)現(xiàn)場故障警告。

2 試驗分析

為了推進(jìn)水泥智能工廠的建設(shè)，我們針對現(xiàn)有的DCS 系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級。在這一過程中，通過仿真軟件搭建優(yōu)化后的DCS 控制系統(tǒng)，并模擬水泥工廠的實際運行環(huán)境，通過這一仿真平臺，分析優(yōu)化后的控制系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)加工過程中的控制效果。

分析應(yīng)用該控制系統(tǒng)在控制水泥工廠設(shè)備時的表現(xiàn)，特別是其對煤炭資源損耗與電力損耗的影響，通過詳細(xì)的仿真分析得出了相關(guān)的控制效果數(shù)據(jù)（如表1所示），以便更加直觀地展示分析結(jié)果。

表1 生產(chǎn)過程中電力損耗與煤炭資源損耗分析

通過表1 可以看出，在優(yōu)化后的DCS 系統(tǒng)控制下，水泥生產(chǎn)過程中的資源損耗與電力損耗均顯著低于國家標(biāo)準(zhǔn)，具體而言，在生產(chǎn)水泥時，煤炭資源的損耗遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，這一結(jié)果充分證明了優(yōu)化后的DCS 系統(tǒng)在資源控制方面的卓越性能。同時，其他資源的損耗也保持在較低水平，說明了優(yōu)化后的DCS 系統(tǒng)不僅能夠有效地降低水泥生產(chǎn)過程中的資源銷耗，為水泥工廠的生產(chǎn)加工節(jié)約了大量開支，同時也為水泥智能工廠的建設(shè)提供了有力的技術(shù)支持。

分析化后的DCS 控制系統(tǒng)，水泥工廠在每日生產(chǎn)過程中的資源利用率與生產(chǎn)效率變化，并對比優(yōu)化前的DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行每日生產(chǎn)時的平均效率與資源利用率，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)效率與資源利用率分析

根據(jù)圖3 可知，在系統(tǒng)運行過程中，水泥工廠每日的生產(chǎn)效率與資源利用率均呈現(xiàn)波動變化，并未始終保持一致，其中，工程每日生產(chǎn)效率基本保持在80%～95%之間，并未出現(xiàn)低于80%的情況，對比以往歷史平均每日生產(chǎn)效率可以看出，應(yīng)用優(yōu)化后的控制系統(tǒng)，可有效提升水泥工廠的生產(chǎn)效率；同時，在生產(chǎn)過程中，每日工廠的資源利用率均保持較高水平，其中最高資源利用率達(dá)到95%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歷史平均資源利用率，說明在優(yōu)化后的DCS系統(tǒng)的控制下，水泥工廠不會浪費過多的生產(chǎn)資源，為此，優(yōu)化升級后的系統(tǒng)具有良好的控制能力。

通過優(yōu)化升級后的DSC 控制系統(tǒng)對燒成系統(tǒng)溫度與板喂機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，分析該系統(tǒng)對日常生產(chǎn)時的控制能力，分析結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化后DSC控制系統(tǒng)控制能力分析

通過表2 可知，在某一日的生產(chǎn)過程中，從早上8點到下午5 點的不同時間段內(nèi)，優(yōu)化升級后的DSC 控制系統(tǒng)均成功地將溫度與轉(zhuǎn)速控制在合理范圍內(nèi)，這一結(jié)果表明，優(yōu)化升級后的DSC 控制系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)運行中展現(xiàn)出了出色的控制能力。通過這一控制方式，可以保障水泥生產(chǎn)過程安全穩(wěn)定，避免出現(xiàn)意外安全事故，從而保證相關(guān)工作人員的安全性，此外，優(yōu)化升級后的DSC 控制系統(tǒng)還幫助工廠實現(xiàn)了自動化控制與管理，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。

3 結(jié)束語

為了提升水泥生產(chǎn)效率并保障生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性，HL 公司對水泥工廠DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級。在這一過程中，重構(gòu)基于分層結(jié)構(gòu)的DCS控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了轉(zhuǎn)速控制、壓力控制、冷卻機篦速自動調(diào)節(jié)控制、報警控制等模塊，通過現(xiàn)場控制與遠(yuǎn)程控制相結(jié)合模式，實現(xiàn)了水泥工廠的高效、安全生產(chǎn)。經(jīng)試驗驗證：優(yōu)化升級后的系統(tǒng)不僅顯著提高了水泥生產(chǎn)效率與資源利用率，還能夠有效降低煤炭資源與電力資源的損耗，從而為水泥生產(chǎn)提供了強有力的安全保障。在未來研究過程中，可以現(xiàn)有系統(tǒng)模塊為基礎(chǔ)，繼續(xù)進(jìn)行擴展優(yōu)化，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率，降低能耗，保障水泥工廠的運行安全。通過不斷優(yōu)化升級DCS 控制系統(tǒng)，為水泥工廠智能化建設(shè)和發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持，推動水泥行業(yè)向智能化、綠色化發(fā)展。