现场总线技术在新型干法回转窑水泥生产过程控制中的应用研究
摘要
新型干法水泥回转窑生产技术正处于快速发展期，但是与之相配套的控制技术却还有很多需要改进和优化的地方。本文在充分分析了现有各常规控制技术的基础上，提出了一种采用组态化编程技术，基于PROFIBUS现场总线，结合可编程逻辑控制器(PLC)和分散控制系统(DCS)优势的新型干法水泥回转窑计算机控制系统方案。
所建立的系统采用3层的网络拓扑结构。上层，即控制管理层采用七个操作站，用以太(Ethernet)网相互连接。操作站主要完成整个系统的组态、维护、现场设备的操作和监控显示等任务，发挥了DCS编程运算好、易组态的优势，弥补了PLC不适用于复杂网络控制的不足。中间层是一个数据服务器和一个通讯处理主站，用现场总线连接，发挥了现场总线开放性好、可靠性高以及高度分散等优势，降低了布线成本，弥补了DCS布线繁杂、开放性差的缺陷。数据服务器主要承担数据库管理和现场总线与以太网之间的路由器；主站担当通讯调度，完成数据传输的任务。下层，即现场设备层分为六个从站，采用带有现场总线接口的PLC，完成设备控制以及数据采集等任务，发挥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，弥补了现场总线智能现场测量、控制设备价格较高的缺陷。
各从站对中卸提升循环磨机负荷、风扫磨机负荷、分解炉温度、烧成带温度、窑尾废气温度、窑头二次风温和水泥磨机负荷等主要控制量应用模糊控制策略，对生料配料、水泥配料采用偏差加权累积的PID算式串级控制，实现水泥回转窑生产过程的实时监控、分析和优化。
The cement rotary kiln has been developed very soon, especially the decomposition technique. So it is mature and has been applied broadly. But the correspondingly control system for it has been to ameliorated and optimized. The cement rotary kiln control system based on PROFIBUS, combined with Programmable Logic Controller (PLC) and Distributed Control System (DCS) is designed on the thinking of configuring the cement rotary kiln.
The net structure of the cement rotary kiln control system has three layers. The first layer, named management layer, consists of seven operational stations connected by Ethernet. These stations configure and maintain the whole kiln system, display and operate the locale equipments. It develops the superiority of DCS in programming and configuration, and makes up the disadvantage of PLC in complex controlling. The second layer connects one data server to one main station by PROFIBUS that is opener, more credible and more distributed than DCS. The data server manages the database of the whole net, and accomplishes the router between Ethernet and PROFIBUS. The main station transmits the total data of the whole system. The third layer, named locale layer, is composed of six subordinate stations. In each station, the PLC with PROFIBUS interface is selected to control the locale equipments and collect the locale data. It improves the advantage of PLC in flexible collocation and being adapt to locale controlling, and makes up the disadvantage of PROFIBUS in expensive intelligentized locale equipments.
Subordinate stations use fuzzy control technology to control the load of the mid-discharging mill, the load of the air swept mill, the temperature of decomposing furnace, the temperature of firing zone, the temperature of exhaust gas, the
temperature of secondary air and the load of the cement mill, use PID algorithm control of cumulate windage to control raw material batch and cement batch. These control methods accomplish the real-time supervisal, analysis and optimization of the cement rotary kiln.
所建立的系统采用3层的网络拓扑结构。上层，即控制管理层采用七个操作站，用以太(Ethernet)网相互连接。操作站主要完成整个系统的组态、维护、现场设备的操作和监控显示等任务，发挥了DCS编程运算好、易组态的优势，弥补了PLC不适用于复杂网络控制的不足。中间层是一个数据服务器和一个通讯处理主站，用现场总线连接，发挥了现场总线开放性好、可靠性高以及高度分散等优势，降低了布线成本，弥补了DCS布线繁杂、开放性差的缺陷。数据服务器主要承担数据库管理和现场总线与以太网之间的路由器；主站担当通讯调度，完成数据传输的任务。下层，即现场设备层分为六个从站，采用带有现场总线接口的PLC，完成设备控制以及数据采集等任务，发挥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，弥补了现场总线智能现场测量、控制设备价格较高的缺陷。
各从站对中卸提升循环磨机负荷、风扫磨机负荷、分解炉温度、烧成带温度、窑尾废气温度、窑头二次风温和水泥磨机负荷等主要控制量应用模糊控制策略，对生料配料、水泥配料采用偏差加权累积的PID算式串级控制，实现水泥回转窑生产过程的实时监控、分析和优化。
The cement rotary kiln has been developed very soon, especially the decomposition technique. So it is mature and has been applied broadly. But the correspondingly control system for it has been to ameliorated and optimized. The cement rotary kiln control system based on PROFIBUS, combined with Programmable Logic Controller (PLC) and Distributed Control System (DCS) is designed on the thinking of configuring the cement rotary kiln.
The net structure of the cement rotary kiln control system has three layers. The first layer, named management layer, consists of seven operational stations connected by Ethernet. These stations configure and maintain the whole kiln system, display and operate the locale equipments. It develops the superiority of DCS in programming and configuration, and makes up the disadvantage of PLC in complex controlling. The second layer connects one data server to one main station by PROFIBUS that is opener, more credible and more distributed than DCS. The data server manages the database of the whole net, and accomplishes the router between Ethernet and PROFIBUS. The main station transmits the total data of the whole system. The third layer, named locale layer, is composed of six subordinate stations. In each station, the PLC with PROFIBUS interface is selected to control the locale equipments and collect the locale data. It improves the advantage of PLC in flexible collocation and being adapt to locale controlling, and makes up the disadvantage of PROFIBUS in expensive intelligentized locale equipments.
Subordinate stations use fuzzy control technology to control the load of the mid-discharging mill, the load of the air swept mill, the temperature of decomposing furnace, the temperature of firing zone, the temperature of exhaust gas, the
temperature of secondary air and the load of the cement mill, use PID algorithm control of cumulate windage to control raw material batch and cement batch. These control methods accomplish the real-time supervisal, analysis and optimization of the cement rotary kiln.
引文
[1]绍兴鼎峰水泥有限公司2000t/d新型干法熟料生产线可行性研究报告，成都建筑材料工业设计研究院，(2002)
[2]胡道和，水泥工业热工设备，武汉工业大学出版社，1，(1996)
[3]周斌，PLC、DCS、IPC未来之展望，机床电器，(1998)，2：2-5
[4]周斌，可编程序控制器的昨天、今天和明天，机床电器，(1995)，1：2-7
[5]周斌，可编程序控制器的昨天、今天和明天(二)，机床电器，(1995)，2：2-7
[6]邱公伟，赵立，PLC网络的结构及其通信机制分析研究，化工自动化及其仪表，(1997)，24(6)：3-8
[7]冯健农，刘金平，吴捷，胡宪华，现场总线技术进展，仪器仪表学报，(1999)，20(2)：213-217
[8]阳宪惠，林强，陆丽萍，徐用懋，浅谈现场总线开放系统的系统集成与应用集成，工业控制计算机，(1999)，12(5)：14-17
[9]阳宪惠，现场总线技术及其应用，清华大学出版社，1，(1999)：2-4
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[11]Robert Patzke,Fieldbus basics,Computer Standards & Interfaces,(1998),19(5-6):275-293
[12]马少梅，现场总线与分散控制系统，化工自动化及仪表，(1997)，24(4)：3-6
[13]庞彦斌，李令琦，程炜，赵恩平，现场总线与DCS的网络集成，测控技术，(1998)，18(9)：20-22
[14]唐济扬，基于现场总线技术的先进控制系统，制造业自动化，(2000)，22(7)：31-35
[15]孔楠，现场总线应走与DCS兼容的道路，工业控制计算机，(1999)，1：49-54
[16]Paul Dillon,Fieldbus and Control Network Technologies,Taylor & Francis,Inc.(2001)
[17]李薇，冉蜀阳，董恒，张伟，自动控制系统网络和现场总线技术，机床电器，(1999)，5：2-6
[18]A.Di Stefano,L.Lo Bello,O.Mirabella,Some issues concerning FieldBus design by means of an expert system,Computers in Industry,(1997),32(3):305-318
[19]王声决，张佐，吴秋峰，基于现场总线的工业企业管控一体化网络集成技术，工业控制计算机，(1999)，4：1-3
[20]周又丁，浅谈现场总线控制系统的出现及其特点，自动化与仪器仪表，(1998)，6：1-9
[21]陈虹，唐鸿儒，现场总线控制系统，扬州大学学报，(2000)，3(2)：57-62
[22]王锦标，方崇智，过程计算机控制，清华大学出版社，1，(1992)：268-275
[23]裘玉瑞，现场控制系统，工业控制计算机，(1999)，12(5)：5-13
[24]肖海兵，储艳洁，陈永忠，吕武轩，现场总线技术概述，劳动保护科学技术，
(2000)，20(3)：39-43
[25]汤健彬，施一明，庄建国，金建祥，赵鹏程，王骥程，现场总线技术与现场总线控制系统，冶金自动化，(1999)，1：38-42
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[61]Giangiacomo Gerla,Fuzzy control as a fuzzy deduction system,Fuzzy Sets and Systems,(2002),121(3):409-425
[62]北京亚控科技发展有限公司，Kingview系列组态王6.0使用手册
[63]Clodeinir Ronei Peres,Rodolfo Elias Haber Guerra,Rodolfo Haber Haber,Angel Alique,Salvador Ros,Fuzzy model and hierarchical fuzzy control integration:an approach for milling process optimization,Computers in Industry,(1999),39(3):199-207
[64]Jin-Ming Zhang,Ren-Hou Li,Ping-An Zhang,Stability analysis and systematic design of fuzzy control systems,Fuzzy Sets and Systems,(2001),120(1):65-72
[65]西门子公司，S7系列PLC产品说明书
[66]金以慧，过程控制，清华大学出版社，1，(1993)：31-46
[67]胡骏，宋晨路，沈锦林，一种适用于配料控制的累积量PID算法，材料科学与工程，(2002)，20(4)：517-518。
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