1　现状  

　　近十几年来，随着计算机技术的迅猛发展，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过程控制，以高可靠、低成本的特点，深受广大用户好评，特别是以PLC为基础的DCS发展更快，目前PLC与DCS相互渗透，相互融合，相互竞争，已成为当今工业控制系统的生力军。 
　　
全国现有的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，仍然采用常规的继电器、接触器加模拟仪表控制方式，影响了产品质量的提高。 
　　
目前由于纯DCS控制系统侧重于多种PID算法、比值控制、串级调节等功能，成本较高，而基于PLC的DCS控制系统(下称PLC控制系统)侧重于顺序控制等功能，成本相对较低。对于整个控制过程中以开关量输入、输出约占80%的中小型水泥厂来讲，从节省投资的角度来考虑，选择PLC控制系统是比较合理的。例如:目前700t/d的水泥厂控制系统采用DCS的投资大约需要250万元，而采用PLC控制系统只需190万元，节约投资约24%。表1列出了江西珠山水泥厂PLC计算机控制系统I/O点数分布情况，该厂PLC计算机控制系统开关量输入、输出占79.6%，投资为180万元。  

水泥厂从项目立项开始到建成投产，通常要经过可行性研究、初步设计、施工图设计、软件设计、工程施工、单机试车、软件调试、联动试车、试生产等各阶段工作，其中施工图设计和软件设计阶段对整体控制水平起着决定性作用，软件调试阶段是通过对设计的修正和完善，达到设计目标。同样，若采用PLC控制系统，也必须做好这些工作，才能实现水泥厂各阶段的过程衔接，使工程项目有条不紊地进行下去，从而保证顺利建成投产。下面我们结合实例，重点从施工图设计、软件设计、软硬件安装调试方面进行分析和探讨。 

2　施工图设计 

　　 
2.1　控制方式及设备选型 
　　
水泥厂生产过程自动化控制包括顺序控制和过程控制两方面。顺序控制主要是实现对全厂进入PLC的电动机、电控设备进行成组起动、停车以及设备运行时的相互联锁等；过程控制主要是实现对全厂进入PLC的温度、压力、速度、流量、料位等工艺参数进行采集，并通过对诸如阀门开度、速度给定等对生产过程进行调节和控制。 

2.1.1　控制方式选择 
　　水泥厂的电动机控制方式有两种，集中优先控制方式和机旁优先控制方式。 
　　选择集中控制方式时，计算机根据工艺流程图及保护要求，将按预先安装好的程序，由操作员对需要的分组进行起停控制。 
　　选择机旁控制方式时，人工在机旁单独开、停机，以利于单机试车。 
　　选择零位控制方式时，集中和机旁均不能开车，以确保检修人员的安全。 
　　设备出现严重异常或伤害事故时，机旁可以立刻停车；同样，中控室可以进行一个子系统范围内的紧急停车。 
2.1.2　电气设备选型 
　　
本着技术成熟、运行可靠、指标先进、经济合理的原则，又充分考虑到国内电气设备的制造水平及现状，主要电气设备及元器件采用进口产品或引进技术生产制造的产品。对要求调速的场合，目前较多采用交流变频调速装置，滑差电磁调速装置已逐步趋于淘汰。少数容量大且对起动力矩要求较高的地方，如窑主传动、冷却机等可采用直流调速装置。 
　　
为了提高可靠性，随设备配带的控制箱、控制柜，如稀油站、除尘器、水电阻柜以及高压开关柜等均采用小PLC或常规的继电器完成其自身必要的顺序控制和过程控制，并安装控制方式选择开关，提供给计算机远方控制方式接口，以尽量减少主控系统的开销，并可就地试车。 

2.1.3　自动化设备选型 
　　
压力变送器尽量选用测量范围大的产品，减少型号种类，以方便日常维护或备件准备。一般场合的温度测点选用热电阻、热电偶监测元件，大型机械设备或大型电动机的保护热电阻温度信号，如回转窑托轮、主电动机绕组温度等热电阻信号，全部进入计算机由中控室集中监视。窑筒体测温装置、窑尾预热器一级筒出口处气体分析仪、生料质量控制系统、窑头和篦冷机用监控工业电视系统通常为独立完整的监控系统，其部分必要的信号应进入计算机。 

2.2　计算机控制系统 
　　
计算机系统应选用开放性集散型控制系统。目前PLC控制系统已经完全能够实现集散控制的功能。 
　　
表2例举了PLC集散控制系统在水泥工业中一些实际应用情况，这些厂现均已正式投产，计算机控制系统运行状况良好。 
由于各厂的系统构成很相似，下面以某700t/d水泥厂为例作简要介绍。 
　　
系统采用美国Modicon公司的Quantum系列可编程控制器组成集散控制系统，对主要工艺流程生产线的设备进行控制。结合本厂工艺流程及生产特点，全厂共设四个现场站和4个操作站(含工程师站)，控制范围从工艺生产线的原料调配站、生料制备、烧成系统、煤粉制备至水泥制成车间，各现场站及中控室均配有UPS备用电源。 

2.2.1　计算机运行环境及系统配置 
　　操作系统:Microsoft WindowsNT中文版 
　　组态软件:Monitor Pro开发版 
　　运行软件:Monitor Pro运行版 
　　系统配置:Pentium-II400，64M内存，4.3G硬盘，3.5″软驱，32速光驱， 
　　Philips 21″彩色显示器 
　　通讯网络:Modbus+(Modbus Plus) 
　　下位机软件:Concept Version2.1 XL 

2.2.2　控制管理级 
　　控制管理级是由1个中央控制室和1个局部控制室的多台操作站、工程师站等组成。 
　　中央控制室:设置3台操作站，分别作为生料粉磨、烧成窑尾及烧成窑头工艺过程的监视、控制用，操作站间互为备用。其中1台操作站兼作工程师站，可用于软件开发和调试之用。 
　　
局部控制室:由于水泥粉磨车间位置距离中央控制室较远，且工艺上独立性较强，因此单独设置一台操作站，作为水泥粉磨工艺过程的监视、控制用操作站，该操作站仅限于本车间操作之用，中央控制室的工程师站作为备用，经授权能够实现该操作站的操作、软件开发和调试任务。 

2.2.3　过程控制级 
　　过程控制级包括生料粉磨控制站、烧成窑尾控制站、烧成窑头控制站和水泥粉磨控制站，实现对所辖设备的过程控制和顺序控制。 

2.2.4　通讯网络 
　　计算机网络系统将过程控制站、操作站以及工程师站相连，达到集散控制系统的分散控制、集中监视和操作管理的目的。 

3　软件设计 

　　计算机系统的软件应具有以下功能: 
　　1)开关量和模拟量数据的采集和处理； 
　　2)电动机和成套电控装置的顺序起动、顺序停车、故障复位以及设备联锁等； 
　　3)PID回路的控制及参数修改； 
　　4)阀门控制及各种给定操作回路的控制； 
　　5)具有动态参数和动态符号的工艺流程图画面的显示； 
　　6)实时趋势曲线和历史趋势曲线画面的显示； 
　　7)异常工况的报警窗口显示及报警报告打印； 
　　8)工厂日、月、季、年及随机报告打印。 
　　
计算机系统的需要安装的软件通常分为两部分:上位机组态监控运行软件和下位机运行软件，一般由计算机制造商负责提供。软件的编制设计也就相应分为上位机和下位机两部分进行。1)～3)项通过下位机软件编制实现，4)～8)项由上位机软件设计完成，这两部分应充分衔接。 
　　
该计算机控制系统的软件功能及特点如下:操作员通过操作站上显示的工艺流程及控制画面，可随时监视全厂的电气设备运行情况，在起动画面内对各车间的电气设备分组进行集中起停控制，必要时可由工程师站在线监控、强制电气设备运行和修改有关设定参数；对全厂的热工参数和电气设备的运行状况进行监视、控制，并可以通过打印机输出各种生产报表和报警信息。 

3.1　流程画面 
　　流程画面是操作的主要界面，操作员可在流程画面上对每一个过程参数进行实时监控，并作出相应操作以保证正常生产。画面上部分设备具有动态显示效果，操作员可在操作站上对全厂生产过程进行监控。画面的切换方式是通过用鼠标点按相应的流程画面切换按钮，或利用功能键来快速切换。 
　　
以不同颜色的箭头线表示气流、料流的方向；储库与料仓剖面图形中的填充色显示料位的变化，并设有料位报警；参数的位号及量程范围实时显示；阀门操作面板可显示现场测量值和开度设定，并具有超时报警和复位功能；转速操作面板可显示测量值和速度设定值。 

3.2　配料控制 
　　
生料和熟料配料系统均可完成系统起停、选秤、显示运行状态、瞬时流量、设定流量等功能。 

3.3　设备起停 
　　
通过工艺流程画面，打开相应的“设备起停”控制面板，可实现对各车间的设备进行分组起动和停止，并通过电动机上的指示灯来显示各设备电动机的运行状态。按工艺要求的不同每个操作站分为若干组进行起停操作，并且开停机均设有必要的时间间隔。 

3.4　电气联锁 
　　设备控制方式分为机旁单机控制和集中联锁控制两种。正常生产时，每组电气设备均须切换至集中联锁控制方式，程序中设有设备状态检查、设备组状态检查、起动及运行中设备过程联锁控制等。参加联锁控制的某台电气设备在起动或停机出现误操作时，该组设备均不能起动或停机。 

3.5　紧急停机 
　　可按车间实现紧急停机，先弹出一个确认子窗口，按确认键使操作生效，或按取消键取消该操作。 

3.6　报警窗口 
　　
报警窗口位于各流程画面的底部，显示当前报警信息。报警窗口包括报警显示、报警信息确认键及报警综合画面切换键。 

3.7　报警一览画面 
　　包括报警设备名称、工艺编号、电气编号及日期时间，分为报警信息显示区、报警信息筛选区和信息确认区。可实现对报警信息选择、确认、滚动查找，按故障类型或区域筛选和排序。对新到、已确认、已消失的报警信息条采用不同的颜色显示。 

3.8　实时趋势和历史趋势曲线 
　　可观测到相应测点的实时趋势曲线。在相应车间的历史趋势模式下，可对以前15d的测量数据按日期和时间进行查询，可实现曲线平移、曲线放缩、用显示网格方式观察曲线上某点的测量值大小。 

3.9　分解室喂煤量自动调节回路 
　　该调节回路通过对窑尾分解室、混合室及五级预热器出口温度的监测来控制分解室喂煤量，从而使窑系统工作于正常温度范围内，节省用煤量，提高热效率，稳定熟料质量。该调节回路还通过对煤粉仓煤粉密度的给定来计算给煤量，显示有关参数的趋势曲线图，并设有手动方式。 

3.10　系统功能画面 
　　系统任务分为共享和用户两种。共享任务包括:共享任务运行指令、数据保留、计时器、解释性程序、报警登录、报表打印、EDI(外部设备接口)、计数器、数据库和打印机等；用户任务包括:用户任务运行指令、图形运行、数据保留、报警一览、解释性程序、计数器、趋势记录和数据库等。 
　　此外还有屏幕打印和报表打印功能。 

4　软、硬件安装调试步骤 

　　1)按设计选型及配置要求检查到货硬件； 
　　2)按规范和计算机自身要求处理系统接地和屏蔽接地，以避免对系统干扰； 
　　3)按规范和计算机自身要求完成接线工作并核对接线的正确性； 
　　4)对计算机系统硬件进行通电测试检查，发现问题及时处理； 
　　5)安装系统软件，进行网络通讯调试； 
　　6)安装已编制好的工控应用软件，并进行组态和下装； 
　　7)采用在线监控和强制方式进行开关量和模拟量数据采集回路的测试，发现问题及时查找原因和处理； 
　　8)如条件允许可全部或部分进行模拟控制运行试验； 
　　9)系统投入运行，进行联动试车，并对其技术性能进一步补充和完善； 
　　10)系统验收交接，由厂方操作人员独立进行日常操作和维护。 
　　在现场实际施工过程中，电气设备单机试车与计算机系统的安装调试大多同步进行，要求在软件编制过程中，熟练掌握好软件编制的方法，以便迅速完成现场调试过程中的修改和完善工作。 

5　结束语 

　　对于国内许多新建或准备改造的中小型水泥厂，采用基于PLC的DCS控制系统，对生产线上的主要车间进行集中管理、分散控制，可降低一次性投资，减少管理环节，提高生产线运行的可靠性，降低企业产品综合成本，提高产品在市场上的竞争能力。另外，随着PLC技术水平的提高，其计算能力、响应速度、联网能力、灵活性和可维护性已经达到或超过了传统的DCS，性能价格比有了更大的提高，从而进一步推动了PLC控制系统在中小型水泥厂的应用。