王林平 商九坤 高國防 王 立 慎建軍 顏 妍

1焦作千業(yè)新材料有限公司（454150）2河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司（450000）

0 前言

據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，近幾年建設(shè)的小規(guī)模砂石骨料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)多數(shù)采用PLC+上位機模式，實現(xiàn)了簡單的遠程和邏輯控制。隨著市場形勢和國家對資源開采和環(huán)境保護的不斷強化，新建砂石骨料生產(chǎn)線規(guī)模越來越大，原有模式已經(jīng)無法滿足目前的控制要求，應(yīng)用先進的DCS系統(tǒng)成為必然選擇。

1 DCS控制系統(tǒng)簡介

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫(Distributed Control System)，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)，是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術(shù)，其控制基本形式是分布式控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

1.1 可靠性

由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其他功能的喪失。此外，系統(tǒng)中各臺計算機所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性得到提高。

1.2 開放性

DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。

1.3 靈活性

通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關(guān)系，從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律，從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。

1.4 易于維護

功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當(dāng)某一局部或某個計算機出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下在線更換，迅速排除故障。

1.5 協(xié)調(diào)性

各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

1.6 功能齊全

控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

2 DCS控制系統(tǒng)在砂石骨料生產(chǎn)線的應(yīng)用研究與實踐

基于原料巖性和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等原因，各家骨料生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝并不一致，DCS控制系統(tǒng)配置方案也不盡相同。文章中以焦作千業(yè)新材料有限公司的2 500 t/h砂石骨料生產(chǎn)線為例，詳述該系統(tǒng)的應(yīng)用研究與實踐。

2.1 工藝流程

根據(jù)市場調(diào)研及行業(yè)發(fā)展形勢，經(jīng)中國砂石協(xié)會組織專家論證，本項目選用“顎破+反擊破+立軸整形破+二級篩分”“砂石同出”的干法生產(chǎn)工藝，并且產(chǎn)品粒型、比例、產(chǎn)量等柔性可調(diào)，具有多線并行、單線開路和閉路等生產(chǎn)模式。

2.2 系統(tǒng)選型

本項目選用的是基于ABB AC900F控制器的Freelance DCS分布式控制系統(tǒng)，極大簡化了工程組態(tài)、調(diào)試、維護和總線管理等工作,直觀的操作員人機界面讓整個系統(tǒng)的操作和診斷變得輕松容易。

圖1 DCS拓撲圖

2.3 應(yīng)用研究

本項目DCS系統(tǒng)主要用到以下控制類型:

2.3.1 開環(huán)控制系統(tǒng)

在開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制，按順序進行邏輯控制的系統(tǒng)稱為順序控制系統(tǒng)。順序控制系統(tǒng)由順序控制裝置、檢測元件、執(zhí)行機構(gòu)和被控制的設(shè)備儀表所組成，主要應(yīng)用于一級破碎和輸送等過程。

2.3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)也稱反饋控制系統(tǒng)，是建立在反饋原理基礎(chǔ)上，利用輸出量與期望值的偏差對系統(tǒng)進行控制，可以得到較好的控制性能，主要應(yīng)用于消防泵的恒壓供水自動控制系統(tǒng)。

2.3.3 恒值控制系統(tǒng)

恒值控制系統(tǒng)中，給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、物位高度、電動機轉(zhuǎn)速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)，主要應(yīng)用于成品儲存庫。

2.3.4 隨動控制系統(tǒng)

給定值按未知時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值變化。

2.3.5 程序控制系統(tǒng)

給定值按一定時間函數(shù)變化。如液位、倉位、風(fēng)機轉(zhuǎn)速等。

2.3.6 PID控制

根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。如機制砂脫粉工序防離析拌濕系統(tǒng)的恒水分噴水控制。

圖2 一級破碎工序收塵器組、風(fēng)機組組起組態(tài)交互界面

3 應(yīng)用實踐

1）完善基礎(chǔ)的測控儀表、在線監(jiān)測儀表等的控制系統(tǒng)，提高基礎(chǔ)自動化投用率，實現(xiàn)給料、輸送、料液位、溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等環(huán)節(jié)優(yōu)化控制，穩(wěn)定生產(chǎn)過程，提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少人為干預(yù)，降低人員勞動強度，減員增效。

2）建立關(guān)鍵工序設(shè)備組的運行模型，采集工序設(shè)備實時起動、運行數(shù)據(jù)，通過組態(tài)優(yōu)化實現(xiàn)關(guān)鍵工序設(shè)備的組操作指令執(zhí)行，在保證設(shè)備安全的前提下，壓縮生產(chǎn)線設(shè)備空載運行時間，提高操作效率。

①對一級破碎系統(tǒng)收塵器，主機設(shè)備空載，重載運行時間，各輸送工序?qū)崟r產(chǎn)量、班累計、總累計等編程組態(tài)及交互界面實施并優(yōu)化。

②對二級破碎系統(tǒng)主機設(shè)備空載，重載運行時間，各輸送工序?qū)崟r產(chǎn)量、班累計、總累計等編程組態(tài)及交互界面實施并結(jié)合運行情況優(yōu)化。

③對一級篩分系統(tǒng)收塵器、風(fēng)機組、帶式輸送機組、二篩系統(tǒng)收塵器、風(fēng)機組、帶式輸送機組等組操作編程組態(tài)及交互界面實施并結(jié)合運行情況優(yōu)化。

④對水泵站深井泵、生產(chǎn)用水泵、遠程液位自動控制編程組態(tài)實施，消防水泵組、生活水泵組恒壓自動控制編程組態(tài)實施并結(jié)合運行情況優(yōu)化。

⑤對成品庫頂轉(zhuǎn)接皮帶組、庫頂收塵器、風(fēng)機組等組操作編程組態(tài)實施并結(jié)合運行情況優(yōu)化。

⑥根據(jù)生產(chǎn)實際工藝，利用歷史能耗數(shù)據(jù)建立關(guān)鍵工序能耗定額，實時監(jiān)測設(shè)備能耗，合理安排生產(chǎn)調(diào)度，實現(xiàn)管理節(jié)能降耗。

⑦根據(jù)生產(chǎn)工藝的調(diào)整優(yōu)化，結(jié)合歷史運行數(shù)據(jù)，對自動化控制系統(tǒng)的工藝連鎖、安全連鎖實時進行優(yōu)化調(diào)整，保障生產(chǎn)工藝控制安全可靠。

⑧對一些影響生產(chǎn)效率提升或需要人為頻繁干預(yù)的關(guān)鍵工序和設(shè)備實施智能化、自動化改造，達到精確作業(yè)、簡化遠程操作流程，減少人工出錯概率的目的。

4 效果及推廣前景

DCS控制系統(tǒng)在焦作千業(yè)新材料有限公司時產(chǎn)2 500 t砂石骨料生產(chǎn)線上的應(yīng)用和實踐，極大地提高了砂石骨料生產(chǎn)線控制可靠性和自動化程度，在解決生產(chǎn)需求和提效率、降成本、保安全的同時，探索出一條適合砂石生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)升級道路，推廣應(yīng)用前景廣闊，對加快砂石骨料行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，走綠色、智能化、自動化的可持續(xù)發(fā)展道路起到了積極的作用。