淺談水泥行業(yè)自動化領域的最新發(fā)展趨勢

我國水泥工業(yè)和其他流程工業(yè)一樣，未來的十年將面臨著市場和能源；清潔生產和環(huán)境保護；高效和規(guī)范；負責和協(xié)調的挑戰(zhàn)。節(jié)能、環(huán)保、安全、高效是每一水泥集團必須要面對的課題，而自動化技術和這四大目標又是緊密相連，本文將就當今自動化領域內和水泥行業(yè)有關的最新發(fā)展趨勢做一簡述，以便為我國水泥工業(yè)發(fā)展，搭建更為廣闊的交流和溝通的平臺。 一、信息技術推動自動化 以信息技術改造水泥行業(yè)，以信息化推進自動化，自動化再促使節(jié)能、環(huán)保、安全、高效四大目標的實現(xiàn)，已成為業(yè)界的共識。在當今自動化領域內，從工藝現(xiàn)場層到工廠（集團）管理層可經由以太網，基本實現(xiàn)信息的暢通無縫流通，所謂的“現(xiàn)代集成生產工藝”是將信息技術、網絡技術和現(xiàn)代新工藝相結合，并應用于企業(yè)產品生命周期的各個階段，通過信息的無縫集成、過程優(yōu)化和資源優(yōu)化，實現(xiàn)物流、信息流、價值流的集成，以縮短企業(yè)新產品的開發(fā)周期（T）、提高質量（Q）、降低成本（C）、改進服務（S）和改善環(huán)境（E），從而提升企業(yè)的市場的應變能力和競爭能力，與此想適應開發(fā)出一系列管理層軟件，如ERP、MRP、MIS、PES等，并越來越顯示其巨大的經濟效益。 國內一些大水泥集團在當前競爭不斷加劇的壓力下，也緊跟這股信息化的潮流，推進自動化的發(fā)展，如國內某水泥集團近幾年來，在新建的水泥生產線做自動化控制系統(tǒng)配置時，在現(xiàn)場級和過程控制級（PCS）的上端，還增加了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES ）層，并正在策劃和運作ERP，即企業(yè)資源規(guī)劃和管理層，它包括有生產管理系統(tǒng)、質量控制系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、銷售子系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、財務管理系統(tǒng)、辦公自動化管理系統(tǒng)和綜合管理子系統(tǒng)等。在水泥市場供大于求，競爭激烈的形勢下，由于該集團初步實現(xiàn)了MES的運營，集團化管理的控制力和執(zhí)行力明顯提高，精細化運行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，實現(xiàn)了綜合效益的大幅增長，凈利潤比去年同期增加了12.76%。筆者認為該集團的MES運營還是初期的，要把生產調度和企業(yè)領導的決策統(tǒng)一成為真正的企業(yè)管理級（ERP）還需要進一步開發(fā)。 現(xiàn)今計算機技術、網絡技術和先進的控制技術相結合，已不再停留在理論和實驗階段如模型預測、神經元和神經網絡、模糊控制、多變量控制。自適應和自尋優(yōu)等先進控制算法已進入實踐并用于DCS、PLC等控制器中，而且這種趨勢在加快。在水泥工業(yè)用于窯和磨的模糊控制、多變量控制以及專家系統(tǒng)早在上世紀就有應用，但這些大多是由水泥設備供應商自行開發(fā)的如FLS、KHD等，他們提供的僅是獨立的軟件，和系統(tǒng)幾乎沒有任何聯(lián)系。而現(xiàn)在是控制系統(tǒng)的供應商已將先進控制算法用于DCS和PLC等控制器中，如Siemens公司專門為水泥工業(yè)開發(fā)的CEMAT集成化標準軟件，它具有水泥工廠過程控制優(yōu)化的功能塊，還包括窯的煅燒和磨的負荷優(yōu)化控制，該軟件包并集成于Siemens公司的過程控制系統(tǒng)PCS7中；ABB公司的Optimize IT優(yōu)化專家則集成于Industry IT中，它通過集成大量已驗證的先進控制技術及廣泛的專家知識庫，如模糊邏輯、控制模型、神經元和模糊控制等，來對水泥生產過程進行控制及實施優(yōu)化決策管理。 IT技術與自動化結合另一熱點是公共數(shù)據(jù)庫、局域網、互聯(lián)網、無線技術等滲透控制系統(tǒng)使控制系統(tǒng)扁平化，實現(xiàn)了跨平臺，跨地區(qū)的控制。西門子公司全集成自動化TIA的自動化新理念，Schneider公司推出的“協(xié)同自動化Collaborate Automation”，“透明就緒Transparent Ready”,“Unity 自動化平臺”新概念；以及Rockwell提出的全集成的EtherNet/IP等，這些自動化新理念使得自動化控制系統(tǒng)更完整，也更完美。 二、自動化技術的互補與滲透 DCS，PLC，IPC是自動控制領域的三大支柱，它們之間競爭激烈，但又取長補短和相互滲透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，某咨詢集團把其稱之為PAC。水泥行業(yè)作為較典型的流程工業(yè)決定了其開關量邏輯控制的主導地位，同時模擬量的處理多為簡單的顯示和給定，控制回路基本上為并不復雜的單回路調節(jié)，這些特點適合于HCS的應用。目前市場以PLC為主導地位的Siemens、Schneider、Rockwell等公司紛紛推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，如Siemens的PCS7, ABB的AC800F，800M, Schneider的Modicon Quantum, Rockwell的ControlLogix等，已作為主導產品在水泥行業(yè)推廣，并已取得不俗的業(yè)績。 混合系統(tǒng)HCS的主要特點是：構建一個公共的、集成的開發(fā)環(huán)境，提供通用開發(fā)平臺、共用標簽和單一數(shù)據(jù)庫，以滿足多領域自動化系統(tǒng)設計和集成的需要； 同時它采用了可自由組合的模塊化的硬件架構，減少系統(tǒng)升級帶來的開銷。它支持IEC61158等現(xiàn)場總線國際標準以實現(xiàn)高度分散的自動化環(huán)境，也支持事實上的工業(yè)以太網標準，可方便地和上一級的ERP、MIS、MES集成。有些水泥廠控制系統(tǒng)采用了Siemens的PCS7，就感到比西門子公司原有的PLC和step7的系統(tǒng)前進了一大步，主要就是開發(fā)環(huán)境的完善，并能方便實現(xiàn)集團的MIS和MES集成，這對于做系統(tǒng)工程的設計院和系統(tǒng)集成商是至關重要的。 三、自動化系統(tǒng)更注重功能和信息安全 安全生產越來越引起人們的關注，人的生命高于一切，已成為衡量現(xiàn)代工業(yè)的重要指標，對于安全事故多發(fā)的我國，意義更為重要。自動化控制系統(tǒng)主要考慮的安全有：電氣安全、防爆安全、信息安全和功能安全。信息安全是指由于信息泄密、黑客入侵等系統(tǒng)的安全性；功能安全是指控制系統(tǒng)所執(zhí)行的安全功能失效引起的可能危險。目前已相繼出臺的國際標準有IEC61508—電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全標準，IEC61511—關于過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全標準，一般以整體安全等級SIL來評估風險程度，共有4級，安全等級SIL越高，風險就越低。 水泥行業(yè)已大多采用新型水泥干法工藝，它是連續(xù)性很強的工藝過程，并已實現(xiàn)了計算機系統(tǒng)的順序和連鎖控制，筆者認為新型干法工藝其安全等級是較高的。要進一步提高整體安全等級必須增強故障診斷環(huán)節(jié)；人機操作界面要便于故障的監(jiān)測；對生產規(guī)模越大的生產線，如日產萬噸熟料的生產線系統(tǒng)配置要提高冗余度，另外信息安全也必須高度關注，要特別增強煤磨車間的防爆安全等級，對于設置低溫余熱發(fā)電的企業(yè)，整體安全等級SIL要高于一般企業(yè)。 在自動化領域內現(xiàn)今紛紛出臺了相應的標準產品，如Siemens的故障安全容錯S7F/FH系統(tǒng)，Rockwell的Gruard PLC等，有的公司則配置專用的安全模塊和相應的組態(tài)軟件，并由被動的維護、診斷發(fā)展到預防性安全措施，與此相適應還出臺了許多安全協(xié)議，如PROFIsafe、CIPsafety等。 四、控制系統(tǒng)由集中向分散化發(fā)展 智能化分布式I/O是將某一部分I/O組成一個有自治能力的節(jié)點，其本身帶有處理器，獨立完成某一部分的控制。由于組合在一個框架內，它可直接安裝在現(xiàn)場，甚至空間十分有限的地方，但它同時又可鏈接到中央計算機，從而將控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的三層結構簡化為二層結構。許多有名的PLC廠商大都推出了分布式I/O，如Siemens的ET200系列，Rockwell的Flex ArmorI/O, Wago的WAGO-SPEED WAY 767等高速智能I/O。 智能化分布式I/O將使水泥生產線的系統(tǒng)配置可更趨扁平化，原設置的遠程I/O場合，如礦山、預配料站等可用智能化分布式I/O替代，以節(jié)省I/O安裝電纜和控制系統(tǒng)整體的開銷。 五、無線通訊技術進一步滲透控制領域 無線通訊技術作為有線控制系統(tǒng)的補充，正方興未艾地用于工業(yè)自動化系統(tǒng)中，也是工業(yè)自動化產品一個新增長點，運行于2.4GHz 1SM波段的跳頻擴頻（FHSS）無線傳輸技術具有優(yōu)良的抗干擾性和高可靠性，無線局域網和無線網狀網絡擴大了無線傳輸?shù)母采w范圍。無線通訊的數(shù)據(jù)安全性是人們所關心的，但可以通過加安全密碼和加密密碼等一系列措施來確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。據(jù)悉HART基金會將在近期推出HART無線通訊新協(xié)議。 無線通訊技術現(xiàn)在汽車、石化、水處理等行業(yè)有較多應用，在水泥行業(yè)，有的大集團局部輔助流程也采用了無線技術，如冀東水泥集團在循環(huán)水泵站已采用了無線控制，浙江有些水泥廠采用無線控制裝卸散裝水泥船等，考慮到有些水泥廠占有的物理空間很大，有些工藝測量的位置難于安裝，而有些工藝測量點環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)的硬連線安裝器件成本又過高，如果改用無線通訊能夠節(jié)約能源，減少配線和維護費用。 在無線通訊領域內有許多供應商，如Siemens的SCALANCE W，它是無線局域網產品系列，可用于移動設備之間的通訊，也可實現(xiàn)移動設備與固定網絡之間的通訊；菲尼克斯公司（Phoenix）的產品采用無線通訊技術有藍牙，局域網和Trusted wireless(信托無線)等，也有許多中國公司在開發(fā)相應的產品。 六、人機界面更趨人性化 人機界面已全系列化，包括手持式、面板式、臺式和PC機式。今后的人機界面已不僅僅局限于SCADA以及編程、監(jiān)控和診斷等，在工業(yè)自動化領域，人機界面可以為操作和管理人員提供越來越多的信息，功能強大的模塊化軟件和多客戶機/服務器結構，使人機界面成為企業(yè)實時生產信息以及商務垂直集成的統(tǒng)一的軟件平臺，它也是連通到外部世界的媒介。通過驅動器或OPC來驅動各種I/O模塊，總之人機界面已演變?yōu)橐粋€完整的系統(tǒng)。某水泥集團MES的運營，集團化管理的控制主要依靠是多種人機界面，通過OPC實現(xiàn)了集團內各個水泥生產線之間的信息交換，也實現(xiàn)了主控系統(tǒng)和各子控制系統(tǒng)的互連，如生料質量控制系統(tǒng)等。 七、變頻器性能更加擴展 變頻器的應用領域已從常規(guī)的風機、泵類等拓展到輸送、喂料機械等，在行業(yè)應用面上也越來越廣，因而其功能也進一步提升并多樣化，一方面是全數(shù)字化、功能齊全、能夠補償負荷變化的自適應、調諧技術，特別是分布式具有通信、聯(lián)網功能和集成PLC的高端變頻器。另一方面是簡易或專用的變頻器以及機電一體化的變頻器。就開展控制技術而言，DTC直接轉矩控制、無傳感器矢量控制是發(fā)展方向。目前速度響應約為2ms，電流響應能達到 0.1到0.5ms。速度調節(jié)的發(fā)展趨勢是提高速度的控制精度，一般在閉環(huán)時，對應于全范圍，調速比為1:100或更高時，速度控制精度高達0.05%。另外變頻器性能在低速時的過載能力，穩(wěn)定的、四象限運行能力以及一機驅動多臺電機的負荷平衡等方面也有所增強。 在水泥行業(yè)為實施節(jié)能降耗，在風機、泵類、輸送設備、喂料機械等已廣泛應用，如何在低速時經受較大的過載轉矩，提高中壓變頻器的性價比是對制造商提出的課題。Siemens公司推出羅賓康中壓變頻器作為中壓變頻器的首選方案將有助于性價比的提高。 除上述領域外，在自動化界特別引起關注的，還有射頻識別技術（RFID）的突起，它促使機器視覺及其系統(tǒng)的迅速發(fā)展；和視覺系統(tǒng)連在一體的是運動控制系統(tǒng)，它更趨高度智能化，這對于有上百臺驅動器的制造業(yè)，為提高生產效率，降低運行成本是極為有利的。另一熱點是工業(yè)以太網的突破性發(fā)展，使工業(yè)控制的三層網絡更能無縫連接，并能與IT世界相通。自動化技術的發(fā)展將使我們能盡快實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效這四大目標。