浅谈水泥行业自动化领域的最新发展趋势

我国水泥工业和其他流程工业一样，未来的十年将面临着市场和能源；清洁生产和环境保护；高效和规范；负责和协调的挑战。节能、环保、安全、高效是每一水泥集团必须要面对的课题，而自动化技术和这四大目标又是紧密相连，本文将就当今自动化领域内和水泥行业有关的最新发展趋势做一简述，以便为我国水泥工业发展，搭建更为广阔的交流和沟通的平台。 一、信息技术推动自动化 以信息技术改造水泥行业，以信息化推进自动化，自动化再促使节能、环保、安全、高效四大目标的实现，已成为业界的共识。在当今自动化领域内，从工艺现场层到工厂（集团）管理层可经由以太网，基本实现信息的畅通无缝流通，所谓的“现代集成生产工艺”是将信息技术、网络技术和现代新工艺相结合，并应用于企业产品生命周期的各个阶段，通过信息的无缝集成、过程优化和资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成，以缩短企业新产品的开发周期（T）、提高质量（Q）、降低成本（C）、改进服务（S）和改善环境（E），从而提升企业的市场的应变能力和竞争能力，与此想适应开发出一系列管理层软件，如ERP、MRP、MIS、PES等，并越来越显示其巨大的经济效益。 国内一些大水泥集团在当前竞争不断加剧的压力下，也紧跟这股信息化的潮流，推进自动化的发展，如国内某水泥集团近几年来，在新建的水泥生产线做自动化控制系统配置时，在现场级和过程控制级（PCS）的上端，还增加了制造执行系统（MES ）层，并正在策划和运作ERP，即企业资源规划和管理层，它包括有生产管理系统、质量控制系统、采购管理系统、仓库管理系统、销售子系统、设备管理系统、财务管理系统、办公自动化管理系统和综合管理子系统等。在水泥市场供大于求，竞争激烈的形势下，由于该集团初步实现了MES的运营，集团化管理的控制力和执行力明显提高，精细化运行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，实现了综合效益的大幅增长，净利润比去年同期增加了12.76%。笔者认为该集团的MES运营还是初期的，要把生产调度和企业领导的决策统一成为真正的企业管理级（ERP）还需要进一步开发。 现今计算机技术、网络技术和先进的控制技术相结合，已不再停留在理论和实验阶段如模型预测、神经元和神经网络、模糊控制、多变量控制。自适应和自寻优等先进控制算法已进入实践并用于DCS、PLC等控制器中，而且这种趋势在加快。在水泥工业用于窑和磨的模糊控制、多变量控制以及专家系统早在上世纪就有应用，但这些大多是由水泥设备供应商自行开发的如FLS、KHD等，他们提供的仅是独立的软件，和系统几乎没有任何联系。而现在是控制系统的供应商已将先进控制算法用于DCS和PLC等控制器中，如Siemens公司专门为水泥工业开发的CEMAT集成化标准软件，它具有水泥工厂过程控制优化的功能块，还包括窑的煅烧和磨的负荷优化控制，该软件包并集成于Siemens公司的过程控制系统PCS7中；ABB公司的Optimize IT优化专家则集成于Industry IT中，它通过集成大量已验证的先进控制技术及广泛的专家知识库，如模糊逻辑、控制模型、神经元和模糊控制等，来对水泥生产过程进行控制及实施优化决策管理。 IT技术与自动化结合另一热点是公共数据库、局域网、互联网、无线技术等渗透控制系统使控制系统扁平化，实现了跨平台，跨地区的控制。西门子公司全集成自动化TIA的自动化新理念，Schneider公司推出的“协同自动化Collaborate Automation”，“透明就绪Transparent Ready”,“Unity 自动化平台”新概念；以及Rockwell提出的全集成的EtherNet/IP等，这些自动化新理念使得自动化控制系统更完整，也更完美。 二、自动化技术的互补与渗透 DCS，PLC，IPC是自动控制领域的三大支柱，它们之间竞争激烈，但又取长补短和相互渗透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，某咨询集团把其称之为PAC。水泥行业作为较典型的流程工业决定了其开关量逻辑控制的主导地位，同时模拟量的处理多为简单的显示和给定，控制回路基本上为并不复杂的单回路调节，这些特点适合于HCS的应用。目前市场以PLC为主导地位的Siemens、Schneider、Rockwell等公司纷纷推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，如Siemens的PCS7, ABB的AC800F，800M, Schneider的Modicon Quantum, Rockwell的ControlLogix等，已作为主导产品在水泥行业推广，并已取得不俗的业绩。 混合系统HCS的主要特点是：构建一个公共的、集成的开发环境，提供通用开发平台、共用标签和单一数据库，以满足多领域自动化系统设计和集成的需要； 同时它采用了可自由组合的模块化的硬件架构，减少系统升级带来的开销。它支持IEC61158等现场总线国际标准以实现高度分散的自动化环境，也支持事实上的工业以太网标准，可方便地和上一级的ERP、MIS、MES集成。有些水泥厂控制系统采用了Siemens的PCS7，就感到比西门子公司原有的PLC和step7的系统前进了一大步，主要就是开发环境的完善，并能方便实现集团的MIS和MES集成，这对于做系统工程的设计院和系统集成商是至关重要的。 三、自动化系统更注重功能和信息安全 安全生产越来越引起人们的关注，人的生命高于一切，已成为衡量现代工业的重要指标，对于安全事故多发的我国，意义更为重要。自动化控制系统主要考虑的安全有：电气安全、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、黑客入侵等系统的安全性；功能安全是指控制系统所执行的安全功能失效引起的可能危险。目前已相继出台的国际标准有IEC61508—电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全标准，IEC61511—关于过程工业领域安全仪表系统的功能安全标准，一般以整体安全等级SIL来评估风险程度，共有4级，安全等级SIL越高，风险就越低。 水泥行业已大多采用新型水泥干法工艺，它是连续性很强的工艺过程，并已实现了计算机系统的顺序和连锁控制，笔者认为新型干法工艺其安全等级是较高的。要进一步提高整体安全等级必须增强故障诊断环节；人机操作界面要便于故障的监测；对生产规模越大的生产线，如日产万吨熟料的生产线系统配置要提高冗余度，另外信息安全也必须高度关注，要特别增强煤磨车间的防爆安全等级，对于设置低温余热发电的企业，整体安全等级SIL要高于一般企业。 在自动化领域内现今纷纷出台了相应的标准产品，如Siemens的故障安全容错S7F/FH系统，Rockwell的Gruard PLC等，有的公司则配置专用的安全模块和相应的组态软件，并由被动的维护、诊断发展到预防性安全措施，与此相适应还出台了许多安全协议，如PROFIsafe、CIPsafety等。 四、控制系统由集中向分散化发展 智能化分布式I/O是将某一部分I/O组成一个有自治能力的节点，其本身带有处理器，独立完成某一部分的控制。由于组合在一个框架内，它可直接安装在现场，甚至空间十分有限的地方，但它同时又可链接到中央计算机，从而将控制系统从传统的三层结构简化为二层结构。许多有名的PLC厂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将使水泥生产线的系统配置可更趋扁平化，原设置的远程I/O场合，如矿山、预配料站等可用智能化分布式I/O替代，以节省I/O安装电缆和控制系统整体的开销。 五、无线通讯技术进一步渗透控制领域 无线通讯技术作为有线控制系统的补充，正方兴未艾地用于工业自动化系统中，也是工业自动化产品一个新增长点，运行于2.4GHz 1SM波段的跳频扩频（FHSS）无线传输技术具有优良的抗干扰性和高可靠性，无线局域网和无线网状网络扩大了无线传输的覆盖范围。无线通讯的数据安全性是人们所关心的，但可以通过加安全密码和加密密码等一系列措施来确保数据的安全传输。据悉HART基金会将在近期推出HART无线通讯新协议。 无线通讯技术现在汽车、石化、水处理等行业有较多应用，在水泥行业，有的大集团局部辅助流程也采用了无线技术，如冀东水泥集团在循环水泵站已采用了无线控制，浙江有些水泥厂采用无线控制装卸散装水泥船等，考虑到有些水泥厂占有的物理空间很大，有些工艺测量的位置难于安装，而有些工艺测量点环境十分恶劣，用传统的硬连线安装器件成本又过高，如果改用无线通讯能够节约能源，减少配线和维护费用。 在无线通讯领域内有许多供应商，如Siemens的SCALANCE W，它是无线局域网产品系列，可用于移动设备之间的通讯，也可实现移动设备与固定网络之间的通讯；菲尼克斯公司（Phoenix）的产品采用无线通讯技术有蓝牙，局域网和Trusted wireless(信托无线)等，也有许多中国公司在开发相应的产品。 六、人机界面更趋人性化 人机界面已全系列化，包括手持式、面板式、台式和PC机式。今后的人机界面已不仅仅局限于SCADA以及编程、监控和诊断等，在工业自动化领域，人机界面可以为操作和管理人员提供越来越多的信息，功能强大的模块化软件和多客户机/服务器结构，使人机界面成为企业实时生产信息以及商务垂直集成的统一的软件平台，它也是连通到外部世界的媒介。通过驱动器或OPC来驱动各种I/O模块，总之人机界面已演变为一个完整的系统。某水泥集团MES的运营，集团化管理的控制主要依靠是多种人机界面，通过OPC实现了集团内各个水泥生产线之间的信息交换，也实现了主控系统和各子控制系统的互连，如生料质量控制系统等。 七、变频器性能更加扩展 变频器的应用领域已从常规的风机、泵类等拓展到输送、喂料机械等，在行业应用面上也越来越广，因而其功能也进一步提升并多样化，一方面是全数字化、功能齐全、能够补偿负荷变化的自适应、调谐技术，特别是分布式具有通信、联网功能和集成PLC的高端变频器。另一方面是简易或专用的变频器以及机电一体化的变频器。就开展控制技术而言，DTC直接转矩控制、无传感器矢量控制是发展方向。目前速度响应约为2ms，电流响应能达到 0.1到0.5ms。速度调节的发展趋势是提高速度的控制精度，一般在闭环时，对应于全范围，调速比为1:100或更高时，速度控制精度高达0.05%。另外变频器性能在低速时的过载能力，稳定的、四象限运行能力以及一机驱动多台电机的负荷平衡等方面也有所增强。 在水泥行业为实施节能降耗，在风机、泵类、输送设备、喂料机械等已广泛应用，如何在低速时经受较大的过载转矩，提高中压变频器的性价比是对制造商提出的课题。Siemens公司推出罗宾康中压变频器作为中压变频器的首选方案将有助于性价比的提高。 除上述领域外，在自动化界特别引起关注的，还有射频识别技术（RFID）的突起，它促使机器视觉及其系统的迅速发展；和视觉系统连在一体的是运动控制系统，它更趋高度智能化，这对于有上百台驱动器的制造业，为提高生产效率，降低运行成本是极为有利的。另一热点是工业以太网的突破性发展，使工业控制的三层网络更能无缝连接，并能与IT世界相通。自动化技术的发展将使我们能尽快实现节能、环保、安全、高效这四大目标。