水泥廠中控室的建設(shè)與分析

□□ 付貴珍，王慧芳

(山西西山華通水泥有限公司，山西 古交 030000)

引言

水泥廠的中控室擔(dān)負(fù)著全廠生產(chǎn)調(diào)度、統(tǒng)一管理的職責(zé)。對(duì)全廠的產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗、設(shè)備安全、產(chǎn)量提升等方面起著舉足輕重的作用。全廠自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)從生產(chǎn)管理和平臺(tái)建立兩方面考慮，由于生產(chǎn)管理水平為企業(yè)生產(chǎn)的軟實(shí)力，在此不做介紹，主要分析自動(dòng)化平臺(tái)的建設(shè)。

1 中央控制室DCS系統(tǒng)的選擇

新型干法水泥生產(chǎn)線已由以往單一的“兩磨一燒”全人工高耗能的資源型消耗型企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榧鐣?huì)、公益、環(huán)保于一體的企業(yè)。其中，包括先進(jìn)的立式磨、輥壓機(jī)等節(jié)能型粉磨設(shè)備，低耗能的第四代或第五代低阻預(yù)熱分解爐，大型回轉(zhuǎn)窯(直徑4.8 m以上)，由液壓推動(dòng)無(wú)漏料篦床和慢速輥式破碎機(jī)構(gòu)成的第四代篦式冷卻機(jī)，純余熱回收配套發(fā)電裝置，無(wú)污染焚燒生活垃圾和特種垃圾處置，非催化脫硝(SNCR)裝置，收塵效率高達(dá)99.99%的新一代袋式除塵器(排放濃度為15 mg/m3，甚至可達(dá)到8 mg/m3)等。一條5 000 t/d的熟料全線生產(chǎn)控制點(diǎn)在5 000～8 000個(gè)，電動(dòng)機(jī)上千臺(tái)，每天近20 000 t的貨物吞吐，車輛在1 000臺(tái)次左右，幾乎1 min就過(guò)1輛車，24 h不間斷地通過(guò)。

新型干法水泥生產(chǎn)線具備高度智能、集成化的自動(dòng)化系統(tǒng)，水泥廠工藝流程和控制界面圖(不含余熱發(fā)電及其他相關(guān)配套部分)如圖1所示。DCS系統(tǒng)在基礎(chǔ)控制之外，相關(guān)功能模塊的設(shè)置決定了全廠自動(dòng)化程度的高低。以下對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行介紹。

圖1 水泥廠工藝流程和控制界面圖

1.1 工廠SCADA(監(jiān)控)功能

該功能為最基本的DCS系統(tǒng)功能。包括各種通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)(如電流、電量、電壓、溫度、振動(dòng)、速度、流量、壓力、工作狀態(tài)等)采集，對(duì)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分類、綜合分析和顯示；歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分類顯示和報(bào)表生成與打??；報(bào)警信息的記錄、顯示、確認(rèn)、處理；遠(yuǎn)程瀏覽等。

1.2 專家優(yōu)化系統(tǒng)功能

采用回歸分析、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最小二乘向量機(jī)等算法實(shí)現(xiàn)了“一燒”的人工操作向計(jì)算機(jī)控制的轉(zhuǎn)化。運(yùn)用模糊控制、ART人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測(cè)控制等算法實(shí)現(xiàn)了“兩磨”的智能控制和過(guò)程優(yōu)化。通過(guò)水泥生產(chǎn)三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的智能操作使綜合能耗最小，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)全流程的優(yōu)化調(diào)度，有效降低了單位產(chǎn)品能耗，為擺脫高耗能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。如圖2所示。

圖2 優(yōu)化系統(tǒng)功能示意

1.3 能源管理中心(MES)

能源監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示，具體管理如下：

圖3 企業(yè)能源監(jiān)控系統(tǒng)

(1)實(shí)現(xiàn)煤、電、水、油能耗數(shù)據(jù)采集與管理：分班考核、趨勢(shì)顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)及對(duì)比分析。

(2)能源消耗報(bào)表管理：根據(jù)水、電、煤、油、物料等主要能耗數(shù)據(jù)，按企業(yè)要求自動(dòng)定時(shí)生成各類生產(chǎn)、財(cái)務(wù)報(bào)表。

(3)能效分析與管理：與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)，自動(dòng)計(jì)算各類能效數(shù)據(jù)(電耗、煤耗、水耗等)，進(jìn)行對(duì)標(biāo)管理。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)需要繪制各種趨勢(shì)曲線，進(jìn)而做出科學(xué)的分析和預(yù)測(cè)，提供預(yù)警。

(4)實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布：公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)任何一點(diǎn)可查詢能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，集團(tuán)管理人員可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)和能耗狀況進(jìn)行多方位、可視化的了解。

1.4 全廠計(jì)量調(diào)度系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)全廠物料的無(wú)人值守計(jì)量，自動(dòng)定值充裝、全程監(jiān)控，進(jìn)出廠物料管理，為能源管理中心提供物料平衡基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。將全廠的煤、粉煤灰、脫硫石膏、礦粉、砂巖等進(jìn)廠物料和散裝熟料、散裝水泥、袋裝水泥的出廠物料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和發(fā)運(yùn)。完成供應(yīng)部門的進(jìn)廠物料計(jì)量統(tǒng)計(jì)和銷售部門的出廠銷售計(jì)量統(tǒng)計(jì)。全廠生產(chǎn)調(diào)度物料平衡計(jì)算，為全廠的庫(kù)存和銷售做出科學(xué)的決策提供依據(jù)。同時(shí)減少了人工操作的許多漏洞和弊端，降低了企業(yè)的無(wú)形消耗。

1.5 全廠監(jiān)控系統(tǒng)

完成全廠生產(chǎn)線各工藝點(diǎn)的監(jiān)控和全廠各安全消防點(diǎn)的監(jiān)控。由兩套系統(tǒng)按功能分別設(shè)置。分布在生產(chǎn)工藝線上的全天候監(jiān)控探頭，對(duì)生產(chǎn)線上環(huán)境惡劣或特高特低人不能久呆但必須連續(xù)監(jiān)視的點(diǎn)進(jìn)行觀察，集中于中央控制室內(nèi)，中控人員能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常并做出相應(yīng)的正確操作，保證生產(chǎn)線的順暢運(yùn)行。分布在各樓層、廠周圍、道路附近的全天候探頭則完成全廠的安全、交通、消防的監(jiān)控任務(wù)。為全廠車輛調(diào)度和物料計(jì)量以及人員設(shè)備的安全提供保證。

1.6 設(shè)備管理和智能維修功能

(1)通過(guò)智能化現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)處理模塊的自診斷功能，實(shí)時(shí)對(duì)DCS系統(tǒng)的部件自動(dòng)診斷，在部件發(fā)生異常時(shí)報(bào)警自動(dòng)切換冗余部件。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表運(yùn)行狀態(tài)自診斷實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)校，確保運(yùn)行穩(wěn)定和精準(zhǔn)。

(3)對(duì)大型設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以反應(yīng)設(shè)備狀態(tài)。

(4)建立設(shè)備信息庫(kù)和備品備件庫(kù)。對(duì)設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行記錄分析，為生產(chǎn)提供預(yù)測(cè)維修信息，支持預(yù)測(cè)維修計(jì)劃，實(shí)行點(diǎn)檢定修提高設(shè)備無(wú)故障運(yùn)轉(zhuǎn)率。

1.7 質(zhì)量管理系統(tǒng)(QCS)

物料質(zhì)量管理系統(tǒng)如圖4所示，具體管理如下：

圖4 質(zhì)量管理系統(tǒng)示意

(1)將軟件或熒光儀系統(tǒng)改為在線元素分析儀與相關(guān)配料系統(tǒng)組成。過(guò)去1 h檢測(cè)一次，人工調(diào)整配料，生產(chǎn)嚴(yán)重滯后，合格率只有65%以下，現(xiàn)在1 min自動(dòng)檢測(cè)一次，并依據(jù)先進(jìn)算法做出配料調(diào)整保證生料合格率在98%以上，甚至可以替代生料均化庫(kù)。

(2)在礦山與立體開(kāi)采技術(shù)相配套使用進(jìn)行預(yù)均化，可能替代價(jià)格昂貴的預(yù)均化堆場(chǎng)。

(3)使用多元素分析儀對(duì)成品進(jìn)行二次檢定，保證檢驗(yàn)結(jié)果的精確性，提高了控制過(guò)程的準(zhǔn)確程度。

1.8 全廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是支撐信息化的神經(jīng)。為全廠信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸和發(fā)送提供高速通道。從數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、整理到各環(huán)節(jié)各部門的配合，以及管理層決策的發(fā)布可及時(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)中，大大提高了生產(chǎn)效率。

1.9 其他功能

在開(kāi)放的系統(tǒng)平臺(tái)上，依賴標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口對(duì)第三方ERP、SCM、CRM等軟件完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了上層管理的功能。

各廠家在綜合考慮后，依據(jù)企業(yè)的資源、人力、工藝控制、設(shè)備選型情況以及對(duì)生產(chǎn)中的自動(dòng)化程度與投資等方面的考慮做出了不同的選擇和側(cè)重。

2 硬件的配置

新型干法水泥生產(chǎn)線中央控制室的主要硬件為采用DCS系統(tǒng)的各種計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)工作站?，F(xiàn)場(chǎng)工作站的配置根據(jù)所在區(qū)域控制設(shè)備數(shù)量點(diǎn)數(shù)和回路數(shù)廠家使用相應(yīng)的DCS控制模塊。當(dāng)前光纖傳輸應(yīng)用相當(dāng)廣泛，具有其他傳輸方式不可比擬的抗電磁干擾和帶寬優(yōu)勢(shì)，迅速取代了粗、細(xì)同軸電纜和雙絞線。帶寬從2 M達(dá)到100 M、1 000 M。采用通用計(jì)算機(jī)和Windows系統(tǒng)來(lái)代替以往的專用軟硬件，在計(jì)算機(jī)硬件配置上的要求也應(yīng)引起注意。

Windows7官方最低配置要求為：硬盤為16 GB(32位系統(tǒng))或者20 GB(64位系統(tǒng))、內(nèi)存為1 GB(32位)/2 GB內(nèi)存(64位)、處理器為1 GHz或更快速的32位(x86)或64位(x64)處理器、顯卡為支持Windows Display DriverMode l1.0或更高版本的DirectX9顯卡。但根據(jù)微軟一貫的要求是不行的，因?yàn)?4位最早應(yīng)用于服務(wù)器或復(fù)雜計(jì)算環(huán)境，這些計(jì)算機(jī)硬件的配置非常高，所以搭載64位系統(tǒng)與應(yīng)用軟件才能充分發(fā)揮作用。若要流暢運(yùn)行64位系統(tǒng)，處理器必須為I5以上，內(nèi)存建議6 G以上，最好是4 G+4 G或8 G+8 G組雙通道，硬盤必須為7 200轉(zhuǎn)級(jí)別的普通硬盤或固態(tài)硬盤。

參照ABB公司Freelace800F給出的推薦PC配置為：CPU>2 GHz、RAM>1 GB、硬盤空間10 GB以上、顯卡(有雙屏顯示要求時(shí))AGPMatroxG550級(jí)別以上。新推出的Freelance2013應(yīng)該在這個(gè)級(jí)別以上，考慮以后的發(fā)展應(yīng)有保留余地。同時(shí)考慮突發(fā)故障使得系統(tǒng)處理能力理論為不超過(guò)系統(tǒng)能力的60%，但>20%時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行變慢。早些年，一些DCS系統(tǒng)因計(jì)算機(jī)配置低出現(xiàn)系統(tǒng)卡停而現(xiàn)場(chǎng)站正常的故障。在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)正常時(shí)問(wèn)題不大，如果生產(chǎn)某個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)將使損失擴(kuò)大，通常在發(fā)生故障時(shí)也是系統(tǒng)負(fù)荷最高時(shí)，所以不得不慎重考慮。

從使用安全上講，現(xiàn)在通常做法是使用立式工控機(jī)放在操作臺(tái)內(nèi)。但不利因素有三點(diǎn)：

(1)中控室的環(huán)境未達(dá)到機(jī)房的要求等級(jí)，灰塵、振動(dòng)、靜電、電磁干擾等都可能導(dǎo)致故障發(fā)生。

(2)人為因素。因員工素質(zhì)和管理水平的不同可能出現(xiàn)軟件使用和外界硬件設(shè)備加入，大大地影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

(3)維護(hù)管理不方便，資料保存，軟件修改，全廠各種網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化設(shè)備統(tǒng)一運(yùn)行調(diào)度都是極大的影響。在考查ABB中國(guó)、Simene中國(guó)、和利時(shí)以及多家水泥企業(yè)后，與做工作站和工控機(jī)著名企業(yè)技術(shù)部門咨詢后，確立解決問(wèn)題的方案。采用零客戶機(jī)(瘦客戶機(jī))與工作站的方式，硬件式壓縮技術(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)零客戶機(jī)和主機(jī)卡進(jìn)行一對(duì)一訪問(wèn)，可提供最高級(jí)別的性能，具體見(jiàn)表1。

表1 工控站方案使用對(duì)比

具體功能為：

(1)將主機(jī)封閉在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，所有的軟件和其他硬件均不會(huì)接觸到主機(jī)。

(2)各種功能的主機(jī)和服務(wù)器在數(shù)據(jù)中心內(nèi)機(jī)架式安裝，便于維護(hù)管理且能滿足計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境的各種要求。

(3)操作站設(shè)置小盒子，運(yùn)行安靜，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何特殊要求并且距離數(shù)據(jù)中心也不存在距離限制。

(4)虛擬化工作站環(huán)境中，一臺(tái)機(jī)子最多可同時(shí)顯示六個(gè)畫面，提高工作效率。

3 工作環(huán)境的要求

我國(guó)關(guān)于水泥生產(chǎn)線中央控制室的工作環(huán)境沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)，也說(shuō)明國(guó)內(nèi)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標(biāo)準(zhǔn)及政策法規(guī)也不完善。可供借鑒的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有DL/T 575—1999《控制中心人機(jī)工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》、HG/T 20556—1993《化工廠控制室建筑設(shè)計(jì)規(guī)定》、SH/T 3103—2019《石油化工中心化驗(yàn)室設(shè)計(jì)規(guī)范》以及其他數(shù)據(jù)中心和機(jī)房的相關(guān)規(guī)定。

3.1 控制室的布局

操作員正前方應(yīng)與窗戶垂直，盡量避免正對(duì)窗戶。若不能避免應(yīng)采用相應(yīng)措施防止眩光。操作室進(jìn)深不宜<6 m，監(jiān)視屏或模擬屏應(yīng)控制在操作員的視角15°，最大不宜>60°。按每位操作員>9 m2的凈空間設(shè)置總操作室面積。

3.2 室內(nèi)環(huán)境條件

操作臺(tái)光照度應(yīng)為250～300 Lux，以漫射光帶為主，禁止形成直射或眩光，溫度為(22±1)℃，相對(duì)溫度為40%～50%。應(yīng)考慮抗靜電措施，通常采用架空抗靜電地板，但使用幾年后架空抗靜電地板損壞嚴(yán)重，建議使用仿陶瓷抗靜電地板直鋪，達(dá)到抗靜電效果且不存在噴抗靜電液或地板革老化問(wèn)題?？諝忪o化要求灰塵濃度<200 μg/m3,振動(dòng)要求加速度在0.2g以下，噪聲控制在55 dB以下，室內(nèi)>5 W的對(duì)講機(jī)應(yīng)在操作臺(tái)3 m外講話，正常操作時(shí)不允許使用步話機(jī)。室內(nèi)使用集中通訊設(shè)備并設(shè)置室外天線。

3.3 建筑要求

操作室耐火等級(jí)≮2級(jí)，吊頂應(yīng)采用耐火隔聲或吸聲材料距地面2.8～3 m?？照{(diào)應(yīng)為獨(dú)立系統(tǒng)且1 h換氣≮5次。DCS應(yīng)設(shè)置保安電源(UPS不間斷電源)，室內(nèi)安裝火災(zāi)報(bào)警器。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合中央控制室DCS系統(tǒng)、硬件配置、環(huán)境要求等部分，在水泥廠建立之初應(yīng)充分考慮，做到心中有數(shù)，建成的中央控制室和所選的DCS系統(tǒng)一定能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。