石膏粉生产线集散控制系统

摘 要：本文将一套集散控制系统（DCS）应用在石膏粉生产线上。根据石膏粉生产工艺的特点，DCS网络结构采用总线型两层结构，把系统分成原料破碎、Α粉车间、β粉车间三个子系统来分别控制，并提出了相应的逻辑控制和回路调节控制策略，着重阐述了柱磨机喂料定量PID控制回路和b粉炒制系统的串级控制方案。
关键词：控制理论和控制工程;DCS；石膏粉生产；体系结构；系统配置;回路控制

1引言

石膏是五大凝胶材料之一，广泛用于陶瓷模具、建筑材料、精密铸造、工艺美术等行业。但目前石膏粉生产工艺和生产线自动化水平不高，还多半处于手工操作或半自动化水平，石膏粉产品质量长期处于一种低水平、低质量的状态中。尤其在中国加入WTO以后，将直接面对国外高质量产品和技术的竞争，对我国的石膏粉生产也将极为不利。因此应用先进的自动化生产技术是非常必要的。

DCS系统是目前先进的控制系统，其主要优点是：可靠性高、危险分散、易于扩展、控制功能强、组态灵活、操作管理集中以及人机界面友好。在石化、电力、建材等行业已经成功应用。

就我们在山东某石膏粉生产厂家4万吨系列石膏粉生产线应用为例，来介绍一下DCS应用情况。

2系统的构成和功能

2．1石膏粉生产工艺

石膏粉生产主要工艺流程如图1所示：



图1 主要生产工艺流程图

(1) 石膏块粗破、均化、细破：主要完成原材料的破碎，石膏块由粗鄂式破碎机进行初次破碎，在卸料场分区均化布置，再由细鄂式破碎机二次破碎，进入料仓。这一过程中，粗鄂式破碎机严禁带负荷启动，停车时要有报警信号；卸料场分为两个卸料区，卸料车要在两个区内自由切换，均匀布料。

(2) 预粉磨环节：料仓出来的石膏粉经螺旋称、皮带机进入柱磨机进一步研磨，再由选粉机选级分离，合格的物料通过转角螺旋输送机、垂直斗提机、仓顶螺旋输送机输送到生粉仓。在这一过程中，螺旋称要定值计量并要求计算累加产量；柱磨机同样不能带负荷启动，而且需检测电流；由料位信号来选择仓加料。

(3) a粉反应车间把二水石膏进行蒸压、排水一系列物理化学处理，经过细磨系统和选粉，半成品进入混合仓。这一过程非常复杂，控制系统复杂，回路控制参数多，排水的工艺和设备是α半水高强石膏粉质量的关键，弄不好又转化成β型普通石膏。国内设备很难达不到工艺要求，设备多引进国外的，控制系统由厂家提供。

(4) 在b粉车间石膏粉经过炒制变成半水石膏，后经细磨系统与选粉以后，半成品也进入混合仓。为了做到石膏脱水过程的精密控制，除了必须严格地控制炒制温度、出料温度及煅烧时间外，还必须严格控制物料进炒锅的进料量或进料的连续稳定性，尤其对于间歇式设备，必须严格地控制每一次的进料量（波动范围不能超过±100kg），并尽可能地缩短进料时间和出料时间。炒制过程中的每一个步骤都可能影响到产品质量，为了保证产品的质量及质量的稳定性，必须严格、精确地控制该过程中的每一个工艺参数。b粉炒制环节控制要求复杂，炒锅喂料称要定值给定，需检测锅内、炉膛、入口、尾气温度，风压、风流量，都是4~20mA的标准信号。

(5) 混合仓是石膏制品的深加工环节，不在本控制系统内。

2.2、系统硬件的设计

本系统采用了ABB Industrial Freelance 2000控制系统，该系统是面向工厂自动化的新一代开放式DCS系统。

2.2.1、DCS体系结构
根据系统的生产工艺特点及现场设备分布情况，设置如图2所示的DCS体系结构。
DCS体系结构分为现场层I/O站、过程控制级和操作监控级。通过计算机网络把各层连接在一起，完成数据采集和控制信息的传递。

2.2.2、系统硬件配置
（1）过程控制站
过程控制站分为现场控制器和输入/输出站，现场控制器采用ABB AC800F，内嵌32 位 RISC CPU 。3个I/O站，其中I号 I/O站：原料破碎；II号 I/O站：a粉车间；III号I/O站：b粉车间，完成现场信号采集和A/D、D/A转换等功能。


图2 DCS体系结构

（2）操作员站（OS）
本系统安装了3台操作员站。操作员站选用适合工业现场的DELL工控机，硬件配置RAM256MB, 硬盘40GB，19″彩色CRT ；操作员可通过键盘与CRT与系统进行人机对话，完成对设备启、停、阀门调节，速度调节，过程参数设定，监视现场设备运行和显示过程参数、打印报表等。
（3）工程师站(ES)
该系统设置1台工程师站与1台操作员站兼用。工程师站可以实现硬件编辑、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。
工程师站、操作员站、现场控制器和I/O站都安装在中控室。
(4）通讯网络
由图2可看出系统通讯结构为两层：第一层为现场控制层，实现控制器与I/O模件及智能仪表的通信，采用Profibus现场总线通讯协议, 传输介质采用标准双绞线，现场设备状态信息和模拟量信号通过该层网络实时地传给控制器；第二层为中央监控层，实现控制器与操作员站、工程师站的通信，系统通信采用TCP/IP协议以太网,传输介质为同轴电缆,通信速率为10MB/S,传输距离可达1公里以上，抗干扰能力强。
异种系统之间的通讯：在石膏粉生产线中，除了DCS外，还有其他的控制系统，如细磨机控制系统用的是三菱的PLC(FXON-16EX),反应车间的德国设备控制系统用的是西门子的S5-400PLC，DCS系统和这些系统之间要进行信息传递和交换。DCS和PLC之间互联的办法用硬线连接，遵循Modbus协议 RS-485串行通讯。

2.3、系统的软件

ABB Industrial Freelance 2000提供了丰富的系统软件，能够完成多种功能。本系统工程师站安装了DigiTool 6.1版本软件，运行在 Windows NT 4.0 系统上。编程语言采用国际标准 IEC 1131-3 图形化编程语言，利用功能块图FBD、梯形图LD、指令表IL和顺控图SFC等工具，不仅可以完成控制过程的组态，而且还能进行工程调试和诊断功能；完成后的组态结果由工程师站通过系统网络下载至相应的PS、FC及操作站OS中。

操作员站安装了操作监控软件 DigiVis 6.1版本软件，操作界面及菜单为中文，运行在 Windows NT 4.0 Workstation 操作系统上。主要功能包括图形显示、数据监视、系统状态显示、趋势归档、记录、过程及系统报警、控制操作、系统诊断等。

3、控制策略

石膏粉厂整个生产线可分为原料破碎、a粉生产车间、b粉生产车间三个区域，每个区域分为几个组分别来控制。整个控制系统分为粗破组、细破组、预粉磨组，这是原料破碎系统分组情况；在a粉生产车间分为a粉反应车间供料组、a粉贮藏、a粉精磨喂料组及a粉精磨组；在b粉生产车间分为炒锅喂料组、b粉贮藏、混合车间、b粉细磨喂料和b粉精细磨组。

各组控制系统保持相对独立 ，当一部分出现故障时，不会影响其他部分的工作，这就体现了DCS系统危险分散的优点。

（1） 逻辑控制

石膏粉生产中各部分设备需要按一定顺序的动作。电动机启停和阀门开闭有着一定的顺序与连锁关系。为了保证生常过程正常运行和设备的安全，必须严格遵照这些关系。AC800F控制器提供了这种顺序启动的“自动控制”思想。在中央控制室，操作员通过键盘，就能顺序启动和停止某组设备，中间不需要人的干预。生产过程中，某一设备出现故障时，控制器的连锁保护，使相关的设备停止工作。Industrial IT 编程采用IEC61131-3 标准，支持逻辑梯形图（LD），用LD语言编程可很好地实现上面的控制功能。以细破组为例，具体说明这一控制思想。

细破组有4台设备，分别是1—电震喂料机、2—细鄂式破碎机、3—斗式提升机、4—仓顶分料器。正常启动、停止顺序如图3示：




用LD语言编程时，设备4运行返回信号的常开触点作为设备3启动条件，设备3的运行返回信号的常开触点作为设备2的启动条件，设备2和设备1之间也是同样的关系，从而这4台设备有着连锁关系和启动顺序。组态时细破组有4个写变量，记为STA1、STA2、STA3、STA4，分别作为设备4、3、2、1的启动条件，STA1、STA2、STA3、STA4的常开触点依次延时5s动作，也保证了设备的顺序启动，而且也能满足设备电机启动要求；组态时有另外4个写变量，记为STP1、STP2、STP3、STP4，分别作为设备1、2、3、4的停止条件，STP1、STP2、STP3、STP4的常闭触点依次延时5s动作，当停车时，停止设备1后，就能自动延时停止设备2、3、4。

（2） 计量系统控制

对于累计、计量计算问题，系统提供了功能块，通过组态可以完成复杂的数学运算。运用乘法、对数、信号选择、逻辑运算、模拟量累计输入模块等功能块，完成以下运算公式：
W=∑K×LN(U_I/U₀)×V×T 其中：W—物料累计量；K—物料标定系数；T—机器运行时间；U_i—有物料时输出信号；U₀—无物料时输出信号；V—输送机速度；N—计算次数
以上功能块完成的运算可以实现定量控制、配比、班产量计算，实现定量管理。
柱磨机喂料定量系统控制原理图4所示：




其中PID各调节参数通过操作员站给定，PID控制由现场控制器完成，其具体算法是：
比例分支：y_P=K_P.x_D (K_P—比例参数，x_D—控制偏差)
积分分支：y_I=(K_P/T_N).∫x_D.d_t (T_N—重置时间)
微分分支：y_D=K_P.T_V.dx_D/dt-T_V/K_V*dy_D/dt (T_V –比率时间，K_V—微分增量)
回路总输出：y=y_P+y_I+y_D
执行机构采用变频调速皮带机，接受上位机给定的4 ~20mA信号。检测装置为拉力传感器，其输出的毫伏信号通过放大器变成4~20mA直流信号，反馈给控制器。

（3） 回路控制

从回路控制角度讲，系统的控制器是多回路的，通过组态可实现串级控制。在石膏粉生产过程中存在串级控制问题。如b粉生产车间，b粉炒制是一个非常重要且复杂的环节。石膏粉在炒锅内受热脱水变成半水石膏过程中，对温度要求很严。若取炉尾气温度作为被控量，进风量作为调节量，采用PID单回路反馈调节控制，由于炉出口尾气温度控制回路时间滞后长，PID参数难以调节，结果造成控制不稳定，系统控制品质差。解决的办法是：引入炉膛温度作为串级调节副回路的PV变量，引入炉出口尾气温度作为主回路的PV变量，将冷风调节阀作为主调节量，如图5所示。这样PID参数调节便利，系统响应快，抗干扰能力强，控制平稳。


4、结束语
目前本系统已完成对一期工程a粉生产线安装调试，试运行情况良好，显示了DCS高可靠性、技术先进，控制功能强的特点。可以肯定DCS系统能够在石膏生产中得到成功应用，为提高石膏粉质量提供有力的保障。


参考文献：
[1] 段庆奎 ，王立明，论石膏粉生产过程中的精密控制，宁夏石膏工程技术研究中心, http://bm.yc.nx.cn/sgjc/sgsckz.htm ，2004年3月25日
[2] 王斌鹏，王孝红，孟庆金，轻集料生产线集散控制系统[J]，济南大学学报（自然科学版），2004，18（3）：212-214
[3] 袁铸钢、孟庆金，王孝红等, 加气砼生产线集散控制系统 [J]. 济南大学学报（自然科学版），2001，15（3）：207-209
Distributed Control System for Land Plaster Production
Abstract: A set of distributed control system (DCS) in land plaster is introduced. According to the characteristic of land plaster production, network for the DCS is designed in bus topolopy of two layers, the syetem is divided into three subsystem,including raw material workshop、αgesso workshop、b gesso workshop.The relevant logic control and the loop control method are presented,it is especially expatiated that the PID control scheme is applied in the shaft grinder feeding system and b gesso heated system.
Keywords: control theory and control engineering; DCS; Land Plaster; system structure ; configuration ；loop control