吴华民

（合肥水泥研究设计院 安徽 合肥 230051）

基于PLC与Profibus的新型水泥生产自动化控制系统

吴华民

（合肥水泥研究设计院 安徽 合肥 230051）

针对水泥生产工艺的要求，设计了一套基于Profibus总线的PLC控制系统。该系统将PLC技术、DCS技术和现场总线技术有机地结合起来，结合工业控制网络和组态软件，实现了对水泥生产线的远程控制。介绍了系统的硬件结构设计以及各个部分的软件设计。现场运行证明，该系统运行稳定、可靠性高、操作方便、维护量小，具有很好的应用和推广价值。

Profibus；PLC；集散控制系统

0 引言

现代水泥生产工艺设备的单机容量大，生产连续性强，而且生产过程要求较高的快速性和协调性。为了提高企业竞争力，自动控制的实施至关重要。自动控制能保证生产稳定、提高质量、降低能耗、降低劳动强度以及减少环境污染[1][2]。同时，先进的生产控制管理，也要求有可靠的自动控制系统和完善的控制技术水平。水泥生产经过了回转窑水泥、机立窑水泥、立波尔水窑泥、悬浮预热器窑、新型干法的发展历程，其自动控制系统也逐步由过去人工控制、机械控制、半自动化控制、自动化控制，而自动化控制也由局部控制到全厂控制、继电器控制NPLC控制、分散控制到中控室的集中控制[3][4]。

本文针对水泥新型干法生产线，将PLC、DCS和现场总线技术有机地结合起来，取其所长补其所短，开发可运用于新型干法水泥系统的自动化控制系统，实现生产过程监控管理一体化。

1 系统构成

1.1 方案概述

集散型控制系统分为过程控制级、控制管理级以及通讯网络系统。过程控制级由现场控制站和远程PLC控制站通过现场总线网络联接组成。新型干法水泥工厂集散型控制系统现场控制站和远程PLC控制站可分为以下几个部分：生料现场控制站，其包括原料预均化及输送系统、原料配料系统、生料制备系统；窑尾现场控制站，其包括窑尾喂料系统、窑尾废气处理系统；窑头现场控制站，其包括窑中传动系统、窑头熟料冷却及输送系统、煤粉制备系统；水泥控制站，其包括水泥配料系统，水泥粉磨系统、水泥包装系统等。

控制管理级位于中央控制室内，由工程师工作站、操作员工作站、打印机、通讯接口装置等组成。通讯网络系统分为管理层冗余光纤以太网和现场总线控制网。控制管理级、各现场控制站之间以及现场控制站和控制管理级之间通过光纤冗余以太网联接。现场控制站与远程I/O控制站之间通过现场总线网络联接。由于与常规集散型控制系统相比较，2500t/d规模以上的水泥厂内现场大功率电动机、大功率变频器较多，因此现场总线需具备强抗干扰能力。

本方案采用德国西门子公司SIMATIC控制系统，结合全集成自动化（TIA）技术，将生产制造和工艺过程技术领域统一起来。控制器硬件采用SIMATIC S7-400控制器，其指令处理时间极短，且具备多个CPU进行多种计算的能力，其坚固、全封闭的模块能承受恶劣的工业环境，无风扇操作减少了架空位置。系统具有良好的开放性，控制网络采用MPI协议，使得系统的可靠性及抗干扰能力大大增强，并使得系统可方便地与全厂管理网络实现联接。操作站及工程师站采用美国DELL公司品牌机,安装SIEMENS公司WinCC组态软件,全面支持客户机/服务器结构以及OPC等通讯协议,可方便地与第三方设备连接。

图1 系统结构框图

1.2 过程控制站

根据生产及工艺流程的需要将所控制的区域分为四个现场控制站（FCS）和四个远程PLC控制站，原料粉磨控制站、烧成窑尾控制站、烧成窑头控制站、水泥粉磨控制站。石灰石破碎、石灰石预均化堆场等原料准备部分采用远程PLC站，煤粉制备、水泥包装、水处理用远程PLC站。现场控制站中的各种处理器，I/O接口模件及机柜将放置在车间电力室中，通过通讯网络与中央控制室操作站相连，组成集散型计算机控制系统。原料远程站、原料磨控制站、水泥磨控制站需配一个PROFIBUS接口与高压柜的综保装置通讯。提供与高压开关柜综保装置的通讯数据采集。

现场主控制站和远程I/O控制站全部控制器件采用国际知名品牌产品，紧跟控制技术发展；本方案过程控制采用SIEMENS公司的S7-400过程控制站，主机选用新型CPU414-2DP控制器，单条指令处理速率小于0.1微秒，单主机的模拟量处理能力可达4096点；使用国际标准的现场总线技术，支持远程I/O站的应用。I/O模块选用SIEMENS公司的S7-400系列输入/输出模块，I/O模块可带电热插拔。控制站中的硬件配置及应用程序可通过FLASH存储卡或者后备电池进行保护，可避免程序及数据的丢失。控制站中的固件（Firmware）可进行更新，使得系统的维护及更新得到了保证，控制器上有多个LED指示灯方便用户随时掌握系统的状态（如电池情况，通讯状态等）。

1.3 控制网络

操作站采用TCP/IP工业以太网实现通讯，通过工业以太网将生料控制站、窑尾控制站、窑头控制站及水泥磨控制室操作站连接到交换机上，实现系统冗余。

通过新型CPU414-2DP控制器的PROFIBUS现场总线协议，把远程I/O控制站连接起来，实现对远程控制站的控制。使用PROFIBUS现场总线协议，可以对现场其它设备进行通讯，例如生料立磨系统、水泥磨辊压机控制系统。

采用现场控制总线FCS系统具有如下优点：

1）现场总线开放性好，具可互操作性与可互换性，全数字化，用不着象DCS或PLC那样需A／D或D／A转换，是双向通信、智能化的现场仪表。

2）可以减少1／2～2／3的隔离器、端子柜、I／0终端、I／O卡件、I／O文件及I／O柜子，这样就节省了I／O装置及装置室的空间。

3）可以减少电缆的用量，费用可以节省60%或更多(电缆费用)。

4）由于可以将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2～3次增加到每秒调节10～20次，从而改善了调节性能。

5）组态简单，安装、运行、维护简便。

6）用户可择优选择，达到最佳集成。

1.4 操作员站（工程师站）

操作站（工程师站）的配置上要求适应计算机技术的发展，高性能以及通用性是其主要原则。本方案选用DELL公司OptiPlex系列计算机，配置有英特尔酷睿2四核处理器主频、2G内存、320G硬盘以及16倍速DVD光盘驱动器，256MATI Radeon显示驱动卡，10/100M自适应网卡及DELL公司20寸LED显示器；操作站采用中文WINDOWS XP PRO平台及WINCC组态及运行版软件，使用中文监控界面，易于掌握和维护。

操作员站互为冗余热备用方式,保证了整个系统的可靠性，具有以下功能：

1.4.1 工艺设备运行状态显示；工艺流程动态参数显示；有关参数趋势显示，历史数据显示，记录等功能。

1.4.2 过程控制回路参数设定及报表打印。

1.4.3 在操作组内有选择，启动，停车，复位等软手操功能，可对马达进行组启停或单台启停。

1.4.4 具有自诊断功能。

1.4.5 具有仿真测试功能。

1.4.6 工程师站具有操作站的全部功能。

2 控制系统软件设计

控制系统软件包括编程软件、监控软件,分别采用SIEMENS公司的STEP 7、Wincc以及应用软件。

2.1 编程软件STEP 7

SIEMENS公司的STEP 7是软件的中心部分,具有以下特性：

2.1.1 数据集中存储,它们仅需输入一次,所有软件单元即可得到它们

2.1.2 符号由一个统一的符号表进行管理

STEP 7以IEC 1131-3为标准,具有多种编程方式（LAD、FBD、CFC、SFC、SCL等）及工具。

2.2 监控软件设计

WinCC操作站实时监控软件实现：

2.2.1 生产总貌显示

2.2.2 动态控制流程图

2.2.3 动态趋势图

2.2.4 设备起停及控制回路操作、参数修改

2.2.5 报表、历史数据记录、显示和打印

2.3 应用软件

应用软件包括设备联锁顺序控制、模拟量检测、常规回路控制以及采用专家控制技术的优化控制。整个应用软件采用模块化设计，使得用户的维护工作大大降低，系统的可读性增强。

2.4 操作站控制组态软件设计

操作站（工程师）使用以太网与过程站及其它设备进行通信，可以实现硬件编辑、现场过程站编程、现场总线智能仪表组态、操作员站组态一体化编程及调试。由于系统数据库为全局，所以操作员站之间数据及画面完全可以共享,互为冗余备份。

3 结束语

本文设计的于新型干法水泥系统的自动化控制系统，利用现场总线开放性好、可靠性高以及高度分散等优势，来弥补DCS布线繁杂、开放性差的缺陷；利用PLC可靠性高、价格便宜、配置灵活、适合用于工业控制现场等优势，来弥补现场总线智能现场测量、控制设备价格较高的缺陷；利用DCS编程运算好、易组态的优势，来弥补PLC不适用于复杂网络控制的不足。整个控制系统是以PLC为基础的分布式自动控制系统，该系统使得整个水泥生产线的所有设备成为一个整体，应用简单操作即可控制整个生产线的运行。

本系统在福建省某水泥厂自投入运行以来，结果令人满意，达到了降低能耗、稳定质量、提高产能的要求，在新型干式水泥自动化生产线系统中具有很好的应用和推广价值。

［1］魏军，赵敏，徐海标.水泥生产线混合型控制系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2004，12(8)：741-743.

［2］张明光，张晓英.水泥熟料生产过程DCS控制系统[J].计算机测量与控制，2003，11(9)：676-678.

［3］赵朝宾.浅谈水泥企业的自动化控制技术[J].新世纪水泥导报，2011(1)：51-53.

［4］滕飞，李红星，王继文.S7_300PLC在水泥粉磨站控制系统中的应用[J].制造业自动化，2010,32（9）：106-109.

Control System of Production Automation for New Model Cement Based on PLC and Profibus

WU Hua－min
（Hefei Cement Research and Design Institute，Hefei Anhui，230051，China）

In accordance with the requirement of production technics of cement，the programmable logic controller control system based on the Profibus technologyis designed and implemented，which combines with the technologies of PLC，DCS and Profibus and combines industrial control network and configuration software for the long-distance control to the cement product line.The design of hardware and software is introduced.The run on site shows that the system has features of stable running，high reliability，convenient operation，little maintenance and a high popularized function.

Profibus；PLC；DCS

吴华民（1980—），男，广西贵港人，从事水泥工厂电气及自动化设计工作。

常鹏飞］