淺談水泥行業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)水泥工業(yè)和其他流程工業(yè)一樣，未來(lái)的十年將面臨著市場(chǎng)和能源；清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)；高效和規(guī)范；負(fù)責(zé)和協(xié)調(diào)的挑戰(zhàn)。節(jié)能、環(huán)保、安全、高效是每一水泥集團(tuán)必須要面對(duì)的課題，而自動(dòng)化技術(shù)和這四大目標(biāo)又是緊密相連，本文將就當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)和水泥行業(yè)有關(guān)的最新發(fā)展趨勢(shì)做一簡(jiǎn)述，以便為我國(guó)水泥工業(yè)發(fā)展，搭建更為廣闊的交流和溝通的平臺(tái)。 一、信息技術(shù)推動(dòng)自動(dòng)化 以信息技術(shù)改造水泥行業(yè)，以信息化推進(jìn)自動(dòng)化，自動(dòng)化再促使節(jié)能、環(huán)保、安全、高效四大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，已成為業(yè)界的共識(shí)。在當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，從工藝現(xiàn)場(chǎng)層到工廠（集團(tuán)）管理層可經(jīng)由以太網(wǎng)，基本實(shí)現(xiàn)信息的暢通無(wú)縫流通，所謂的“現(xiàn)代集成生產(chǎn)工藝”是將信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代新工藝相結(jié)合，并應(yīng)用于企業(yè)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段，通過(guò)信息的無(wú)縫集成、過(guò)程優(yōu)化和資源優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)物流、信息流、價(jià)值流的集成，以縮短企業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期（T）、提高質(zhì)量（Q）、降低成本（C）、改進(jìn)服務(wù)（S）和改善環(huán)境（E），從而提升企業(yè)的市場(chǎng)的應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力，與此想適應(yīng)開(kāi)發(fā)出一系列管理層軟件，如ERP、MRP、MIS、PES等，并越來(lái)越顯示其巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 國(guó)內(nèi)一些大水泥集團(tuán)在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇的壓力下，也緊跟這股信息化的潮流，推進(jìn)自動(dòng)化的發(fā)展，如國(guó)內(nèi)某水泥集團(tuán)近幾年來(lái)，在新建的水泥生產(chǎn)線做自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和過(guò)程控制級(jí)（PCS）的上端，還增加了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES ）層，并正在策劃和運(yùn)作ERP，即企業(yè)資源規(guī)劃和管理層，它包括有生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、采購(gòu)管理系統(tǒng)、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)、銷售子系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化管理系統(tǒng)和綜合管理子系統(tǒng)等。在水泥市場(chǎng)供大于求，競(jìng)爭(zhēng)激烈的形勢(shì)下，由于該集團(tuán)初步實(shí)現(xiàn)了MES的運(yùn)營(yíng)，集團(tuán)化管理的控制力和執(zhí)行力明顯提高，精細(xì)化運(yùn)行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，實(shí)現(xiàn)了綜合效益的大幅增長(zhǎng)，凈利潤(rùn)比去年同期增加了12.76%。筆者認(rèn)為該集團(tuán)的MES運(yùn)營(yíng)還是初期的，要把生產(chǎn)調(diào)度和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的決策統(tǒng)一成為真正的企業(yè)管理級(jí)（ERP）還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。 現(xiàn)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)相結(jié)合，已不再停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段如模型預(yù)測(cè)、神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、多變量控制。自適應(yīng)和自尋優(yōu)等先進(jìn)控制算法已進(jìn)入實(shí)踐并用于DCS、PLC等控制器中，而且這種趨勢(shì)在加快。在水泥工業(yè)用于窯和磨的模糊控制、多變量控制以及專家系統(tǒng)早在上世紀(jì)就有應(yīng)用，但這些大多是由水泥設(shè)備供應(yīng)商自行開(kāi)發(fā)的如FLS、KHD等，他們提供的僅是獨(dú)立的軟件，和系統(tǒng)幾乎沒(méi)有任何聯(lián)系。而現(xiàn)在是控制系統(tǒng)的供應(yīng)商已將先進(jìn)控制算法用于DCS和PLC等控制器中，如Siemens公司專門為水泥工業(yè)開(kāi)發(fā)的CEMAT集成化標(biāo)準(zhǔn)軟件，它具有水泥工廠過(guò)程控制優(yōu)化的功能塊，還包括窯的煅燒和磨的負(fù)荷優(yōu)化控制，該軟件包并集成于Siemens公司的過(guò)程控制系統(tǒng)PCS7中；ABB公司的Optimize IT優(yōu)化專家則集成于Industry IT中，它通過(guò)集成大量已驗(yàn)證的先進(jìn)控制技術(shù)及廣泛的專家知識(shí)庫(kù)，如模糊邏輯、控制模型、神經(jīng)元和模糊控制等，來(lái)對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制及實(shí)施優(yōu)化決策管理。 IT技術(shù)與自動(dòng)化結(jié)合另一熱點(diǎn)是公共數(shù)據(jù)庫(kù)、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線技術(shù)等滲透控制系統(tǒng)使控制系統(tǒng)扁平化，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)，跨地區(qū)的控制。西門子公司全集成自動(dòng)化TIA的自動(dòng)化新理念，Schneider公司推出的“協(xié)同自動(dòng)化Collaborate Automation”，“透明就緒Transparent Ready”,“Unity 自動(dòng)化平臺(tái)”新概念；以及Rockwell提出的全集成的EtherNet/IP等，這些自動(dòng)化新理念使得自動(dòng)化控制系統(tǒng)更完整，也更完美。 二、自動(dòng)化技術(shù)的互補(bǔ)與滲透 DCS，PLC，IPC是自動(dòng)控制領(lǐng)域的三大支柱，它們之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，但又取長(zhǎng)補(bǔ)短和相互滲透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，某咨詢集團(tuán)把其稱之為PAC。水泥行業(yè)作為較典型的流程工業(yè)決定了其開(kāi)關(guān)量邏輯控制的主導(dǎo)地位，同時(shí)模擬量的處理多為簡(jiǎn)單的顯示和給定，控制回路基本上為并不復(fù)雜的單回路調(diào)節(jié)，這些特點(diǎn)適合于HCS的應(yīng)用。目前市場(chǎng)以PLC為主導(dǎo)地位的Siemens、Schneider、Rockwell等公司紛紛推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，如Siemens的PCS7, ABB的AC800F，800M, Schneider的Modicon Quantum, Rockwell的ControlLogix等，已作為主導(dǎo)產(chǎn)品在水泥行業(yè)推廣，并已取得不俗的業(yè)績(jī)。 混合系統(tǒng)HCS的主要特點(diǎn)是：構(gòu)建一個(gè)公共的、集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)、共用標(biāo)簽和單一數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿足多領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的需要； 同時(shí)它采用了可自由組合的模塊化的硬件架構(gòu)，減少系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)的開(kāi)銷。它支持IEC61158等現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)高度分散的自動(dòng)化環(huán)境，也支持事實(shí)上的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可方便地和上一級(jí)的ERP、MIS、MES集成。有些水泥廠控制系統(tǒng)采用了Siemens的PCS7，就感到比西門子公司原有的PLC和step7的系統(tǒng)前進(jìn)了一大步，主要就是開(kāi)發(fā)環(huán)境的完善，并能方便實(shí)現(xiàn)集團(tuán)的MIS和MES集成，這對(duì)于做系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)院和系統(tǒng)集成商是至關(guān)重要的。 三、自動(dòng)化系統(tǒng)更注重功能和信息安全 安全生產(chǎn)越來(lái)越引起人們的關(guān)注，人的生命高于一切，已成為衡量現(xiàn)代工業(yè)的重要指標(biāo)，對(duì)于安全事故多發(fā)的我國(guó)，意義更為重要。自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要考慮的安全有：電氣安全、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、黑客入侵等系統(tǒng)的安全性；功能安全是指控制系統(tǒng)所執(zhí)行的安全功能失效引起的可能危險(xiǎn)。目前已相繼出臺(tái)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有IEC61508—電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，IEC61511—關(guān)于過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，一般以整體安全等級(jí)SIL來(lái)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)程度，共有4級(jí)，安全等級(jí)SIL越高，風(fēng)險(xiǎn)就越低。 水泥行業(yè)已大多采用新型水泥干法工藝，它是連續(xù)性很強(qiáng)的工藝過(guò)程，并已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的順序和連鎖控制，筆者認(rèn)為新型干法工藝其安全等級(jí)是較高的。要進(jìn)一步提高整體安全等級(jí)必須增強(qiáng)故障診斷環(huán)節(jié)；人機(jī)操作界面要便于故障的監(jiān)測(cè)；對(duì)生產(chǎn)規(guī)模越大的生產(chǎn)線，如日產(chǎn)萬(wàn)噸熟料的生產(chǎn)線系統(tǒng)配置要提高冗余度，另外信息安全也必須高度關(guān)注，要特別增強(qiáng)煤磨車間的防爆安全等級(jí)，對(duì)于設(shè)置低溫余熱發(fā)電的企業(yè)，整體安全等級(jí)SIL要高于一般企業(yè)。 在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)今紛紛出臺(tái)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如Siemens的故障安全容錯(cuò)S7F/FH系統(tǒng)，Rockwell的Gruard PLC等，有的公司則配置專用的安全模塊和相應(yīng)的組態(tài)軟件，并由被動(dòng)的維護(hù)、診斷發(fā)展到預(yù)防性安全措施，與此相適應(yīng)還出臺(tái)了許多安全協(xié)議，如PROFIsafe、CIPsafety等。 四、控制系統(tǒng)由集中向分散化發(fā)展 智能化分布式I/O是將某一部分I/O組成一個(gè)有自治能力的節(jié)點(diǎn)，其本身帶有處理器，獨(dú)立完成某一部分的控制。由于組合在一個(gè)框架內(nèi)，它可直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)，甚至空間十分有限的地方，但它同時(shí)又可鏈接到中央計(jì)算機(jī)，從而將控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二層結(jié)構(gòu)。許多有名的PLC廠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將使水泥生產(chǎn)線的系統(tǒng)配置可更趨扁平化，原設(shè)置的遠(yuǎn)程I/O場(chǎng)合，如礦山、預(yù)配料站等可用智能化分布式I/O替代，以節(jié)省I/O安裝電纜和控制系統(tǒng)整體的開(kāi)銷。 五、無(wú)線通訊技術(shù)進(jìn)一步滲透控制領(lǐng)域 無(wú)線通訊技術(shù)作為有線控制系統(tǒng)的補(bǔ)充，正方興未艾地用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，也是工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品一個(gè)新增長(zhǎng)點(diǎn)，運(yùn)行于2.4GHz 1SM波段的跳頻擴(kuò)頻（FHSS）無(wú)線傳輸技術(shù)具有優(yōu)良的抗干擾性和高可靠性，無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了無(wú)線傳輸?shù)母采w范圍。無(wú)線通訊的數(shù)據(jù)安全性是人們所關(guān)心的，但可以通過(guò)加安全密碼和加密密碼等一系列措施來(lái)確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。據(jù)悉HART基金會(huì)將在近期推出HART無(wú)線通訊新協(xié)議。 無(wú)線通訊技術(shù)現(xiàn)在汽車、石化、水處理等行業(yè)有較多應(yīng)用，在水泥行業(yè)，有的大集團(tuán)局部輔助流程也采用了無(wú)線技術(shù)，如冀東水泥集團(tuán)在循環(huán)水泵站已采用了無(wú)線控制，浙江有些水泥廠采用無(wú)線控制裝卸散裝水泥船等，考慮到有些水泥廠占有的物理空間很大，有些工藝測(cè)量的位置難于安裝，而有些工藝測(cè)量點(diǎn)環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)的硬連線安裝器件成本又過(guò)高，如果改用無(wú)線通訊能夠節(jié)約能源，減少配線和維護(hù)費(fèi)用。 在無(wú)線通訊領(lǐng)域內(nèi)有許多供應(yīng)商，如Siemens的SCALANCE W，它是無(wú)線局域網(wǎng)產(chǎn)品系列，可用于移動(dòng)設(shè)備之間的通訊，也可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與固定網(wǎng)絡(luò)之間的通訊；菲尼克斯公司（Phoenix）的產(chǎn)品采用無(wú)線通訊技術(shù)有藍(lán)牙，局域網(wǎng)和Trusted wireless(信托無(wú)線)等，也有許多中國(guó)公司在開(kāi)發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。 六、人機(jī)界面更趨人性化 人機(jī)界面已全系列化，包括手持式、面板式、臺(tái)式和PC機(jī)式。今后的人機(jī)界面已不僅僅局限于SCADA以及編程、監(jiān)控和診斷等，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，人機(jī)界面可以為操作和管理人員提供越來(lái)越多的信息，功能強(qiáng)大的模塊化軟件和多客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，使人機(jī)界面成為企業(yè)實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息以及商務(wù)垂直集成的統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，它也是連通到外部世界的媒介。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器或OPC來(lái)驅(qū)動(dòng)各種I/O模塊，總之人機(jī)界面已演變?yōu)橐粋€(gè)完整的系統(tǒng)。某水泥集團(tuán)MES的運(yùn)營(yíng)，集團(tuán)化管理的控制主要依靠是多種人機(jī)界面，通過(guò)OPC實(shí)現(xiàn)了集團(tuán)內(nèi)各個(gè)水泥生產(chǎn)線之間的信息交換，也實(shí)現(xiàn)了主控系統(tǒng)和各子控制系統(tǒng)的互連，如生料質(zhì)量控制系統(tǒng)等。 七、變頻器性能更加擴(kuò)展 變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域已從常規(guī)的風(fēng)機(jī)、泵類等拓展到輸送、喂料機(jī)械等，在行業(yè)應(yīng)用面上也越來(lái)越廣，因而其功能也進(jìn)一步提升并多樣化，一方面是全數(shù)字化、功能齊全、能夠補(bǔ)償負(fù)荷變化的自適應(yīng)、調(diào)諧技術(shù)，特別是分布式具有通信、聯(lián)網(wǎng)功能和集成PLC的高端變頻器。另一方面是簡(jiǎn)易或?qū)Ｓ玫淖冾l器以及機(jī)電一體化的變頻器。就開(kāi)展控制技術(shù)而言，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制、無(wú)傳感器矢量控制是發(fā)展方向。目前速度響應(yīng)約為2ms，電流響應(yīng)能達(dá)到 0.1到0.5ms。速度調(diào)節(jié)的發(fā)展趨勢(shì)是提高速度的控制精度，一般在閉環(huán)時(shí)，對(duì)應(yīng)于全范圍，調(diào)速比為1:100或更高時(shí)，速度控制精度高達(dá)0.05%。另外變頻器性能在低速時(shí)的過(guò)載能力，穩(wěn)定的、四象限運(yùn)行能力以及一機(jī)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的負(fù)荷平衡等方面也有所增強(qiáng)。 在水泥行業(yè)為實(shí)施節(jié)能降耗，在風(fēng)機(jī)、泵類、輸送設(shè)備、喂料機(jī)械等已廣泛應(yīng)用，如何在低速時(shí)經(jīng)受較大的過(guò)載轉(zhuǎn)矩，提高中壓變頻器的性價(jià)比是對(duì)制造商提出的課題。Siemens公司推出羅賓康中壓變頻器作為中壓變頻器的首選方案將有助于性價(jià)比的提高。 除上述領(lǐng)域外，在自動(dòng)化界特別引起關(guān)注的，還有射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的突起，它促使機(jī)器視覺(jué)及其系統(tǒng)的迅速發(fā)展；和視覺(jué)系統(tǒng)連在一體的是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它更趨高度智能化，這對(duì)于有上百臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的制造業(yè)，為提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)行成本是極為有利的。另一熱點(diǎn)是工業(yè)以太網(wǎng)的突破性發(fā)展，使工業(yè)控制的三層網(wǎng)絡(luò)更能無(wú)縫連接，并能與IT世界相通。自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展將使我們能盡快實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效這四大目標(biāo)。