摘要:

1 引言

隨著計算機技術、控制技術、通訊技術和CRT技術的迅猛發展，計算機控制系統在工業過程控制領域發揮了重要的作用，創造了不可忽視的經濟效益和社會效益。雖然電子產品的價格不斷下降，導致了以電子產品為基礎的計算機控制系統的價格亦有較大輻度的降低，但是這種價格下降仍然不能滿足工業企業尤其是中小規模工業企業的要求，如何降低工業過程計算機控制的成本，成了各行各業從事自動化控制的工程技術人員研究的新課題。本文根據我院多年從事水泥工業自動化設計的實踐、主要介紹低成本集成計算機控制在水泥工業中的應用。

2 水泥工廠的計算機控制及其低成本考慮

水泥工廠的自動化控制起始于40年代，經歷了儀表化分車間控制、操作人員監控生產過程的集中控制和生產過程的計算機控制等幾個階段。其中計算機控制逐步從數字直接模擬控制（DDAC或DAC）、直接數字控制（DDC）、發展到集散控制系統（DCS）。水泥工廠的計算機控制與其它工業系統的控制一樣，大多采用多層遞階控制策略，一般可由四至七層組成，這樣一個多層控制系統，雖然層次清楚，功能齊全，但結構復雜，勢必導致系統成本增加，為了降低投資，在不喪失系統功能的情況下，應盡可能簡化系統結構，根據水泥廠的實際，一般只需二至三層即可滿足應用要求，其控制結構模式見圖1所示。

圖1中，第一層直接控制層，可由多個相互獨立的子系統組成，直接與各類現場設備相連，主要完成各種數據采集和直接控制功能；第二層操作監視層，綜合監視整個工藝生產過程的全部信息，集中顯示操作、控制回路組態和參數修改等；第三層管理層，負責全廠的生產管理、信息管理和調度管理等，其中相鄰兩個層次之間可以通過網絡通訊實現雙向數據和信息交換。在水泥廠的控制中，第三層通常直接掛在第一、二層次的通訊網絡上完成全部管理功能。

目前，國內大中型水泥廠的計算機控制通常采用集散型控制系統（DCS）來實現，其實質是利用計算機技術對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。雖然集散控制系統以其杰出的特點對廣大水泥企業有強大的吸引力，但其昂貴的硬件費用、軟件開發費和調度費（國外報價），令諸多水泥廠可望而不可及，即使應用軟件由國內自行編制，其硬件費用一般用戶也難以承受，從而限制了DCS系在水泥工業過程控制中的廣泛應用，所以降低DCS系統的硬件費用，是計算機控制系統在水泥廠推廣應用的前提。

3 低成本集成計算機控制實例

我院作為專業水泥工業設計研究院，對水泥廠計算機控制的研究進行了積極的努力和有益的嘗試，在集成計算機控制系統降低成本方面取得了較成功的應用經驗。以下介紹3個應用實例。

3.1 浩良河水泥廠的DCS控制系統

浩良河水泥廠是我院設計的國產化2000t/d水泥生產線，對這樣的大型水泥企業來說，自動化控制水平如何，直接關系到達產達標能否順利進行。經過詢價，如對主要生產車間采用DCS系統進行控制，僅硬件設備價格最低的國外供貨商也需60萬~70萬美元。由于該廠資金缺口比較大，全套引進DCS系統對整個生產工藝進行控制是不可能的。為了節省投資，同時又確保了該廠的自動化控制水平處于國內領先地位，我院工程技術人員大膽地將PLC引進DCS系統，融二者為一體，集成了浩良河水泥廠的分布式計算機控制系統（見圖2），既發揮了DCS系統處理模擬信號和回路控制的優勢以及靈活的組態功能，又發揮了PLC強有力的處理開關信號的能力，在保證控制系統性能滿足要求的情況下，較大幅度地降低了系統投資。與國外報價相比，整個集成控制系統價格降低了20%~30%，為該廠節省了100多萬元人民幣。

由圖可見，系統通訊網絡和PLC處理器均采用了冗余配置，提高了系統的可靠性。
該系統1994年底進行現場調試、投運、獲得了成功并順利通過考核，1997年8月通過了部級驗收。實踐證明，DCS與PLC組成的集成控制系統是切實可行的。完全能適應2000t/d水泥廠的自動化控制，它不但保持了DCS系統的全部功能，而且降低了系統投資，是值得向大中型水泥廠的自動控制，它不但保持了DCS系統的全部功能，而且降低了系統投資，是值得向大中型水泥企業推薦的控制方案，這種集成控制系統結構已在巴基斯坦2條2000t/d水泥生產線上推廣應用，并獲得成功。

3.2 微機聯網控制系統在淮海水泥廠技改工程中的應用

淮海水泥廠3000t/d熟料水泥生產線是60年代從羅馬尼亞引進的，其自動化控制亦屬配套引進，采用繼電器一接觸器控制加儀表盤操作的模式，全系統技術裝備陳舊，可靠性差、故障多、維修不方便、功能少、控制不靈活、無法真實反映生產過程的變化。為使淮海水泥廠擺脫困境，在我院承擔該廠主生產線的技術改造項目的同時，面對技改資金嚴重不足的現狀，我們采用了圖3的微機兩級聯網控制系統對整個燒成系統的電氣自動化控制進行了全面改造。

由圖3可見，微機聯網控制系統由上位機管理系統和下位機控制系統兩部分組成。上位機系統由兩臺COMPAQ主機，配置鍵盤、顯示器和兩臺打印機，兩臺主機通過NETWORK聯成網絡，互為熱備，共享信息，另設置一臺調度管理計算機，通過一對調制解調器（modem）與主機相聯；下位機系統采用德國西門子公司的SIMATIC S5-135U可編程序控制器，配有主機架、擴展機架、CPU模塊、接口模塊、自診斷模塊、通訊處理器模塊和I/O模塊；上下位機之間通過串行通訊實現雙向數據和信息交換。該微機聯網控制系統具有DCS系統的優點，但其價格僅為DCS系統價格的30%~50%，對資金短缺的淮海水泥廠技改工程來說，無疑是既經濟實惠，又相對先進的控制系統方案。該系統1991年9月到現場調試，投入使用，獲得了良好的效果，為整個技改工程的成功完全起到了積極的促進作用。微機聯網控制系統與NFC分解爐改造和篦冷機的改造共同通過了國家建材局組織的部級鑒定，并獲得部級科技進步二等獎和國家科技進步三等獎。