上海新华XDC800系统在黔桂三合水泥项目的应用

1. 概述

    自80年代中期以来，集散型控制系统（DCS）在国内工业生产中的应用越来越广泛，采用DCS系统的电力生产在调度管理、生产技术和产品的产质量等方面都有较大提高。而当时DCS控制系统主要依赖国外进口，投入成本较高，维护经验欠缺，因而在建材生产上大都还停留在PLC可编程控制模式上，包括近年来国内各大水泥设计院设计的水泥生产线在内。

    由于近年来计算机控制技术、通信技术和图形显示技术的飞速发展，DCS这种分散控制，集中管理的集散型控制系统已经在世界水泥工业中得到广泛的应用。采用这种系统可以实现电动机成组程序控制，过程量的采集、处理、显示和调节。大大提高了劳动生产率，提高了工厂的管理和经营水平。水泥工艺过程是处理固体和粉状物料的生产过程，风、煤、料产生的热工过程变化复杂，不可控因素较多。从过程控制的角度来看，是一个滞留时间长、时间常数大、外来干扰多、相互干扰关系复杂的过程。

    2007年黔桂总公司在水泥项目上起步，由南京凯盛院承担三合水泥厂初步设计，在进行DCS选型的过程中，经过多加水泥生产线考察，调研了新华、浙大中控、和利时DCS在国内同行业的应用情况，我们借鉴了电力应用国产DCS系统的成功经验，通过现场调查了解国内系统的运行情况，详细了解和利时MACS五代、新华XDC800、浙大中控JX—300XP系统的硬件、软件功能，坚定了我们采用国产DCS系统的信心。

    2009年2月DCS控制系统招标，经过公司领导决定，并从国内排名前列的几家控制系统生产厂商调研了部分型号的控制系统在水泥生产线的使用情况（主要扩展性、稳定性、可靠性、安全性几个方面），决定采用国产新华XDC800系统对三合水水泥项目设备进行控制。

    三合水泥DCS系统由上海新华硬件、软件成套供货，并承担全部工程应用软件组态与整个系统的测点统计，三合工程建设自动化小组配合新华进行测点统计、画面组态、逻辑设计、联机调试。自2009年6月起，DCS系统按照生料、烧成、制成三个工段与工艺设备同步投运，到12月初全厂DCS系统成功投入运行，DCS系统运行正常，满足了水泥生产的需要。

    2. TiSNet  XDC800系统的特点

    TiSNet XDC800是工作于现场的一种新型过程控制系统（TiSNet 是“基于网络的智能工业信息解决方案”的英语缩写）。这种系统以微处理机为基础，应用了先进的网络通讯技术，结合计算机技术以及过程控制技术，组成不同应用规模和要求的现场控制系统，能适应于分散在不同物理位置的生产过程现场控制。TiSNet 系统便于设计、维护和操作使用，在各个领域都得到了迅速发展和广泛应用。TiSNet 利用网络通讯、计算机、嵌入式技术、现场总线、数据库、多媒体等技术，全面提升分散控制系统的技术水平，不断丰富系统所涵盖的内容，推出的新一代产品。

    2.1  XDC8000系统的网络结构

    XDC8000系统网络为二层结构，每层完成其特定的功能。第一层为管理网XDCNET（信息网），主要完成不同装置间的协调与企业内部的管理通。第二层为控制网，主要完成控制站内部各I／O模板与CPU模板之间的通讯，采用国际上较为成熟的以太网结构。这种网络结构，与国外流行的DCS系统结构基本一致。

    2.2　XDC800系统的硬件特点

    XDC800系统的操作员站采用标准工控机，一般采用研华或美国戴尔公司产品，配以标准键盘和光电鼠标，这种配置价格较便宜，兼容性好，且易于获得备品备件。

    XDC800系统现场控制站的设计吸取了国外集散系统的先进经验，硬件具有可靠性高、分散度高和可冗余配置的技术特色。

    控制站I／O模板均为智能模板，具有自诊断、自恢复功能。系统的电源单元、CPU主控模板、各种I／O模板均可根据需要进行冗余配置。由于各模板之间网络通讯以及I／O模板全智能化，使得各模板均可在系统运行中带电拔插，减少了故障修复停机时间，采取这些措施大大提高了系统的可靠性。

    2.3 系统的软件特点

    OnXDC 软件分两部分：人机接口站（HMI）软件和控制器（XCU）软件。

    XDC800系统软件是在Window2000/XP 环境下组态与运行，全汉化软件，组态灵活，调试较方便。系统软件分为离线组态软件与在线软件两部分，任一操作站在安装了离线软件之后都可作为工程师站，进行系统应用软件组态。对模拟量控制提供功能块图组态，对开关量控制提供梯形图组态，模拟量组态与开关量组态可相互调用。图形生成主要由模板或用户手绘生成，在用户手绘生成的图形中可加入动态点、软开关、热键等。系统软件具有较强的自诊断能力，在系统运行中周期性对系统网络及各模板的状态进行自诊断，提供状态显示报警。

    3　三合水泥DCS系统

    3.1　DCS系统结构

    三合水泥DCS系统按照“分散控制、分散操作、集中管理”的要求进行规划和设计。整个DCS系统结构按照矿山、生料、烧成、水泥制成和包装、余热发电工段划分，分设在矿山控制室和中控室、余热发电、水泥包装内。DCS系统矿山设置一台操作站，生料制备设置一台操作站。烧成设置一台操作站、水泥制成设置2台操作站，余热发电设置两台操作站，水泥包装设置一台操作站。工程师站设置两台控制站用于网络管理及组态。

    3.2　DCS系统的硬件配置

    操作站均采用研华工控机，配22″LCD显示器、标准键盘和光电鼠标。为降低成本，原料配料、矿山进入DCS控制，作为水泥包装和窑中主控远程站。整个系统设工程师站进行系统组态、测试、修改和下装。

    各控制站均为立式机柜，每个机柜内配置CPU主控模板、电源单元、模拟量与开关量I／O模件、端子板等。控制站输入／输出的模拟量均为4～20mA、温度信号直接进入信号I／O模件，开关量采集均为24VDC信号。

    全厂DCS系统的通讯网为冗余配置，各控制站的系统电源单元和通道电源单元均为冗余配置。 通讯主网采用多模光纤进行通讯，提高网络稳定性。

    3.3　DCS系统的主要功能

    DCS系统的主要控制功能包括过程参数检测控制和工艺线机电设备起停控制两部分。按照工艺联锁开机顺序控制机电设备起停，当发生故障时联锁停机。系统检测各热工参数，并给定控制风、料、煤、窑速等参数，稳定工艺生产过程。

    XDC800系统任一操作站都可对全系统进行操作，比较适合全厂集中操作方式。对于三合水泥项目分散操作的要求，在进行逻辑方案规划时时，三合工程建设人员和新华软件工程师经常进行技术沟通，根据每个操作站的控制范围，组态相应的控制画面，保证每个操作站只响应本工段内的控制操作信息。各工段操作站显示流程图画面、分组起停画面、分组控制画面、报警画面和分组趋势记录画面等，满足各工段操作员的控制操作与生产监视要求。

4 三合水泥项目DCS系统的工程实践
　　4.1 DCS系统的调试
　　在设备组装与拷机阶段，我们派人去上海新华工程部检查监制，出厂前进行了设备验收，确保系统质量。同时我们组织系统维护工程师到新华公司进行技术培训，之后在现场安装、组态过程中，派专人跟随新华现场工程师学习，通过培训使他们对DCS系统与全厂自动化装备有了较全面的了解。

　　在设备安装阶段，由于安装公司自动化力量薄弱，造成大量接线错误，因此对DCS系统所有I/O点进行了检查，并对接线错误逐一纠正，只有接线检查正确才允许通电调试。由于检查调试的时间紧任务重，我们采用分组检查，分组调试的办法，在较短的时间里完成了调试任务。
 
　　在水泥设计院方面，仍采用最为落后的设计方案，在三合项目为了充分体现新一代DCS系统的强大优势，在建设规划中，取消了温度变送器，所有温度信号直接进入DCS温度信号采集模件，标准电流信号直接进入DCS系统取消了信号隔离器，进一步降低了系统建设投入成本，并对系统的可靠性、稳定性、安全性完全没有影响的前提下，节约了电缆铺设量和电源容量。
 
　　4.2 DCS系统的投运
　　三合水泥生产线由于建设安装、调试时间紧，采用了边施工、边调试全面进行的模式。每一工段DCS的投运，都要先进行无负荷联动试车与联锁停机试验考核，考核合格才能进行带负荷运行。
 
　　DCS系统的投运就要求系统网络稳定，系统组态与数据库组态等根据建设工期分段扩展，XDC800系统网络联接与软件修改下装都较简单，每次进行网络扩展都可在几分钟内完成，对生产影响较小。
 
　　系统投运初期，XDC800系统由于建设、运行较叉进行，多次发生电源被施工人员误拉，造成系统对运行设备无法监视。还由于接线错误造成I/O模件损坏现象。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 
　　4.3 几项技术措施

　　我们对DCS系统机柜之间的通讯采用光纤信号避免干扰。由于XDC800系统开关量端子板为继电器隔离，我们采用中间继电器来驱动接触器或继电器起停电机。

　　在安装DCS系统的各控制室，分别设置安全接地与屏蔽接地，屏蔽接地用铜板制作单独接地极，接地电阻小于4Ω，并与交流接地隔离。
 
　　我们对DCS主机与I/O通道的交流电源采用UPS电源供电，并且主控模件与I/O通道模件分别供电。防止当电源故障时影响主机，并且这样设计可以保证在不停主机的状态下检修I/O通道。

　　DI输入信号上去掉了输入隔离继电器、设备处的220VAC电源，采用无源触点采集DI开关量信号，电源为系统内部24V电源，避免了检修过程中误拉电源、检修错误引起的短路等造成DCS误动、拒动现象。
 
　　温度信号取消了设计院设计的温度变送器、温度转换仪，直接进入温度采集I/O模件，并且增加电机、轴承温度监视范围，节约了工程建设投入成本，增加了设备运行数据监视点，为提高设备运行可靠性和分析运行数据提供较多的依据。
 
　　为了禁止岗位工在操作站上玩游戏，我们删除了Windows软件中附带的游戏。并且操作站计算机钥匙由专人管理和对软件批处理文件重新编辑，系统启动直接进入监控画面，较好地避免了各种不良软件进入计算机。
 
　　5 几点体会
　　5.1  XDC800DCS系统在三合项目的成功应用，证明国产第四代DCS系统的性能已达国外同类产品的水平，完全满足水泥生产控制的要求，并且采用国产系统在技术培训、售后服务及提供备品备件等方面，都比国外系统更为方便。

　　5.2 过去大多水泥设计院在设计DCS系统上，基本沿用PLC结构模式的DCS系统，虽然较好的避免了干扰，但在系统扩展上PLC系统远不如分散系统灵活，因此在三合项目上我们在进行调研过程中比较了光纤与节点总线（双绞线）的优缺点，考虑到水泥电气室布置分散，采用了多模光纤、光端机进行系统间的数据交换与传输。我们在网络规划中将设计院设计的两套控制系统合并为一套网络，大大降低了网络间数据传输风险。采用“分散控制、集中管理”的模式。
 
　　5.3  DCS系统的设计中要加强信号隔离，特别是要加强与直流调速装置、变频调速装置及随设备配套的小型PLC之间的信号隔离，防止相互干扰，在变频电机附近电缆要求采用双层屏蔽，有条件的电缆槽设计走向要独立。

　　5.4为了保证DCS系统的长期可靠运行，对用户的岗位操作人员和系统维护技术人员的技术培训尤为重要，除了在DCS供应商处进行培训外，更重要的是由软件编程工程技术设计人员在现场进行培训，我们通过与安装公司、厂家技术人员一起进行DCS系统的安装、查线、调试、投运以及故障处理，让我们真正掌握DCS应用、维护技术。