1、目录摘要 .3ABSTRACT .4概述 .51.1 水泥包装国内外发展概况 .51.2 水泥生产的自动化控制概况 .61.3 选题的目的、意义及指导思想 .72 方案论证 .82.1 集散控制系统的简介 .82.2 IndustialIT控制系统简介 .82.3 设计方案 .92.3.1 水泥包装控制系统工艺流程简介 .92.3.2 主要被控设备及 I/O 点数统计 .112.3.3 系统设计方案 .123 系统的硬件设计 .143.1 项目管理器与项目树 .143.1.1 管理器简述 .143.1.2 生成项目树 .143.2 硬件结构 .183.2.1 配置过程站 .183.2.2 配置
2、操作员站 .183.2.3 资源分配 .183.2.4 插入过程站 AC800F.193.2.5 定义控制器参数 .203.2.7 插入 AC800F 的模件 .203.2.8 Profibus 组态 .214 过程站组态 .264.1 IEC61131-3 编程 .264.2 FBD 编程 .264.2.1 建立 FBD 编程项目树 .264.2.2 编写 FBD 程序 .264.2.3 基本操作 .314.3 编写 LD 程序 .314.3 用户功能块的编写 .365 操作员站组态 .405.1 概述 .405.2 操作员站组态监控画面的设计 .405.3 系统的仿真与调试 .505.3.
3、2 连接现场站和操作员站 .505.3.2 仿真与调试 .506 结论与展望 .537 总结与体会 .54致谢 .55参考文献 .56附录 .57水泥粉磨 DCS 控制系统包装控制系统的设计与实现摘要水泥生产的自动化水平成为水泥行业竞争的关键所在。本课题就水泥粉磨生产的包装部分进行研究，实现水泥包装自动化，从而实现水泥生产的优质、高产和低耗。本课题选用 ABB 公司的 IndustialIT 控制系统，来对水泥包装生产线环节中的生产情况进行实时监控。在文中系统介绍了该课题的发展概况、对方案进行了仔细论证，详细说明了系统的工艺流程、选型，硬件配置到具体控制策略、控制算法以及系统监控界面的组态。完
4、成后的水泥包装系统可以实现对现场站各环节数据采集、控制功能，操作员站可对所有现场设备进行监控，实现故障报警、设备运行状态显示，图形显示现场检测参数的状态趋势，达到了设计的目的。关键词：水泥包装；DCS 控制；AC800F；Control Build F；DigiVisABSTRACTThe automation level of cement production is becoming the key of the success of the competition in the cement This topic is on the research of the cement pack
5、ageIts goal is for realizing the cement production high quality, the high production and the low consumptionThe topic selected ABBs IndustialIT control system to conduct real-time monitoring of the packaging of cement production lines in the production areasIn the text I have introduced f the develo
6、pment of the topic， demonstrated the programme carefully，explained the process of my topic and the selection of model in detail，as well as specific hardware control strategy，control algorithms and system control interface configurationThe cement packaging control system can realize data acquisition
7、and real control to all sectorsAnd the station operators can monitor all the equipment at the scene, the fault alarming, the display of the equipments running， as well as the display of the state trend of the scene detection parameters in graphic，as a result，the design have reached the purposeKey wo
8、rd：Cement packing ；DCS control；AC800F；Control Build F；DigiVis 概述1.1 水泥包装国内外发展概况水泥是国民经济建设的重要原材料，目前国内外尚无一种材料可以替代它的地位。随着我国经济高速发展，水泥在国民经济中的作用越来越大。经过几年的快速增长，2005 年我国水泥产量达 9.7 亿吨，占世界水泥产量的 42.73%。在高速发展的同时，我国水泥行业的供求矛盾不断加剧。2005 年国内水泥市场需求不到 10.5 亿吨，而水泥生产能力已达 13 亿吨，产能过剩 2.5 亿吨。特别是落后生产能力比重仍占 60%左右。 作为国民经济的重要基础产
9、业，水泥工业已经成为国民经济社会发展水平和综合实力的重要标志。改革开放以来，国内经济建设规模不断扩大，推动国内水泥行业快速发展。据统计，1978年我国水泥产量为 6524 万吨，2005 年的水泥产量达到 10.60 亿吨，我国水泥年产量净增9.95 亿吨。自 1985 年起我国水泥产量已连续 21 年位居世界第一位，现如今已占世界水泥总产量的 48%左右。水泥产量的迅速增长，从数量上已经基本满足我国大规模经济建设的需要。包装系统是水泥生产工艺线上的最后一个重要环节。现阶段的水泥包装可分为水泥散装和水泥袋装，我国散装水泥经过 30 多年发展，有了一定进展，但与世界发达国家相比较，不仅散装量上存
10、在很大差距，且发展速度也相对迟缓。发展散装水泥具有节约资源，保护环境，促进水泥工业结构调整，提高水泥使用效率，改善劳动条件等方面的综合经济效益。大力发展散装水泥是我国水泥工业实施可持续发展的重要对策之一。散装水泥在我国虽然起步较晚，但属于一项新的工业，是随着人类社会进步，资源、能源、环境的要求和工作效率的提高而产生的一种新的生产方式，尤其是环境问题日益成为当今人类极为关注的敏感问题，更是全球的热门话题。世界上发达国家经过 20 多年的努力，到上世纪的 60 年代末完成了水泥的从袋装到散装的改革，实现了水泥散装，散装水泥占水泥总产量的比例(散装率)一般达到并维持在 90%以上。美国、日本、法国等
11、散装率更高且大于 95%，按目前国际散装率来看，超过 70%是国际水平，90%以上是国际先进水平。我国水泥在包装上主要采用落后的纸袋包装，水泥散装率仅在 20%左右，与国际水平比较相差甚远。袋装水泥的纸袋全部用木材制成，不仅需要采伐大量的树木，耗费宝贵的森林资源，而且在制袋过程中消耗大量的淡水，产生大量的造纸污水。另外纸袋破损，每年有近 600 万吨的水泥排放到大气中，既浪费资源又污染环境。散装水泥无论是储存、运输、使用、质量保证等方面，还是在减轻工人劳动强度、提高水泥使用效率、环保等方面都体现了强大的生命力。总而言之，发展散装水泥，实现散装化，是我国现代化建设、经济发展、水泥工业可持续发展的
12、既定目标之一 1。由于技术装备落后，综合设施配套能力低，国内的散装水泥的发展还有一定的欠缺，袋装仍然占有很大的比例，并且对水泥包装进行计算机控制的厂家为数甚少，大多数生产的水泥包装微机控制系统与机械部分常常是集中于一体的模式，尤其是袋装部分甚至很多水泥厂还是进行人工包装，这样不仅费时又费力而且对人体的伤害非常大，即使是使用微机控制的水泥包装机，其所处的环境太恶劣，一台新安装的包装机，工作不到两个小时，整个包装机，电控部分，都是灰尘满面，时间一长，该机的灵敏度、计量精度就有所下降故障率就会增高，尤其电脑称的电子元件，粉尘对它的威胁是最大的，大多水泥厂使用的电脑包装机，电脑都安装在包装机上，受震动
13、灰尘的影响，故障频繁，有时还需要天天修理微机，计量还不准确，袋重不稳，造成损失很大，这一直都是我国目前水泥行业的一个大问题。一般水泥厂对包装机系统的要求是：能适应恶劣环境，运行稳定，故障率少，计量准确，抗干扰能力强，有数据管理功能，易于为维修，同时具有良好的经济性能。因此，将计算机控制系统运用到水泥包装上，对水泥包装机进行远程监控，提高水泥包装自动化水平，一方面可使水泥使用质量和效率提高，另一方面也能使水泥对环境的污染大大减少，也为我国的散装水泥的发展奠定基础 2。1.2 水泥生产的自动化控制概况目前，在新型干法水泥生产线中常用的控制手段有：可编程逻辑控制器(PLC)、集散控制系统(DCS)和
14、现场总线控制系统(FCS)。 可编程控制器 PLC 可编程控制器 PLC 是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计的。早期的可编程控制器称可编程逻辑控制器(programmable logic controller), 简称 PLC，用它来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，可编程控制器的功能已大大超过了逻辑控制的范围，所以目前人们都把这种装置称作可编程控制器，简称 PC3。PLC 具有以下特点 : PLC 最初就是为了进行逻辑控制而设计，因此在逻辑控制方面拥有计算机无法比拟的优势。 PLC 在控制装置一级实现三电一体化，配置灵活，结构紧凑。 PLC 在硬件上采取了一系列抗干扰措施，在
15、软件上采用了故障诊断技术及在系统一级的冗余配置工作方式采用周期循环扫描，对输入输出集中进行，因而具有很高可靠性。 PLC 仅在关键部位选用冗余结构，在价格上大大低于 DCS 系统，性能价格比高。但是由于 PLC 功能及其相关技术的限制，其控制的对象都较为简单，一般只用一个PLC 站进行控制，很少有通过联网或其它途径对相关的设备进行控制 3。 综上所述，PLC 控制的优势主要是适合于现场局部控制，弱点主要表现在网络和复杂控制方面，因而仅使用 PLC 不适宜控制新型干法水泥生产。 集散控制系统 DCS 集散控制系统又名分布式计算机控制系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和
16、分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统， 它是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。其主要特征是：集中管理，分散控制。DCS 是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散、配置灵活、组态方便、具有高可靠性的实用系统，拥有自主性、协调性、在线性与实时性、高可靠性、适应性、灵活性、可扩充性和友好性等优越性。但集散控制系统
17、大多采用封闭式的网络通信体系结构，采用本公司专用的标准和协议，加之受到现场仪表在数字化、智能化方面的限制，它没能将控制功能“彻底地”分散到现场。 现场总线控制系统 FCS 现场总线控制系统(FCS) 是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集计算机技术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统，是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式 4。 FCS 具有以下技术特点： FCS 采用的现场总线是一个全数字化的现场通信网络。 FCS 的现场总线网络是开放式互连网络。 FCS 的所有现场设备直接通过一对传输线(现
18、场总线)互连。 FCS 普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。 总的来看，FCS 终将代替 DCS。但是现场总线发展到今天，标准不够统一，价格昂贵，而广大用户对 DCS 比较熟悉，加上 DCS 尚有潜力可挖，其本身也在不断的发展之中，其性能也在不断地完善，DCS 也在朝开放系统的方向发展，并实现了与现场总线的结合。DCS 是结合了各类控制功能的完整系统，是目前应用最广泛、结构最先进、性能最高、功能最完整的系统，因此在目前的水泥自动化生产控制中，集散控制系统成为了人们的首选。1.3 选题的目的、意义及指导思想本次设计是想通过水泥粉磨 DCS 控制的研究，实现对水泥包装生产线
19、的自动控制，克服原有包装机的缺点，既能节省人力、物力，又可以降低生产成本，同时还能提高水泥的产量和质量，通过对包装机系统的远程监控，可以避免粉尘对人体和微机设备造成的影响，直接在中控室就可以监控水泥包装的全过程，这样可使故障率降到最低，计量准确、稳定可靠，袋重的合格率也能达到 99100。该选题的控制系统主要采用了 ABB 的 Industrial IT 系统。ABB Industrial IT 系统融传统的 DCS 和 PLC 优点于一体并支持多种国际现场总线标准。系统具有高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，该系统都
20、能应付自如。所以基于对课题的深入考察研究，选用这套系统不仅能满足要求，更大程度上是将国内 DCS 系统更加完善化，特别是在水泥行业的运用，更提高了国内 DCS 的控制水平。2 方案论证2.1 集散控制系统的简介集散控制系统（Distributed Control System）是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。集中控制系统是进行集中管理的，而系统的体系结构是分布式的，总体上是一种分布结构的控制系统。DCS 控制系统有以下特点： DCS 系统作为计算机控制系统中较为完善和成熟的技术，能够对分布于较大范围内的执行机构进行控制，并采用集中管理、分散控制的策略。 DCS 系统编程灵活，可以方便地
21、实现历史数据存储、动态显示、报表打印等功能。 DCS 可采用组态软件，容易组态，系统集成方便，可靠性高。2.2 IndustialIT控制系统简介Industrial IT 系统是 ABB 公司推出的一种全能综合型开放控制系统，该系统融传统的DCS 和 PLC 优点于一体并支持多种国际现场总线标准。它既具备 DCS 的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)及方便的工程软件，同时又具有与高档 PLC 指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。系统既可连接常规 I/O，又可连接 Remote I/O 及 Profibus、FF、CAN、Modbus 等各种现场总线设备。系统具备高度的灵活性和极好的
22、扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，Industrial IT 都能应付自如。系统分为两级：操作管理级(操作站 OS、工程师站 ES 及网关 GS)和过程控制级(过程站 PS 及现场控制器 AC800F)。在操作管理级上不仅实现传统的控制系统监控操作功能(预定义及自由格式动态画面显示、趋势显示、弹出式报警及操作指导信息、报表打印、硬件诊断等)，而且完成配方管理及数据交换等管理功能。过程控制级实现包括复杂控制在内的各种回路调节（各种 PID、比值、Simith ）和高速逻辑控制、顺序控制以及批量间歇控制功能。每个过程站 PS 支持 5 个机
23、架单元，可配置 44 个 I/O 模件(1408 个 I/0 点) ，PS 过程站的 CPU 模件、电源及系统网络接口均可冗余。AC800F 是现场总线控制器，它为用户提供了使用现场总线技术的灵活性。AC800F 采集来自 4 条现场总线(类型可以不同)的过程数据和诊断信息，并完成与 PS 相同的控制任务。 AC800F 通过以态网(Ethernet)与整个系统(如 OS、PS 或其它 FC)通迅。系统控制站硬件均为全金属外壳封装。设备既可安装于机柜中，也可装于墙上。系统符合所有当前 EMC 标准并具 CE 标志。系统采用两种普遍的工业总线。用于过程控制站 PS 内部通迅的是 DigiNetP
24、/CAN(DIN/ISO11898 标准)总线。PS/FC 与 OS/ES 之间的通迅由 DigiNetS 网络(以太网/IEEE802.3 标准)实现，用户可选择通迅传输介质(普通电缆或光纤)和网络拓朴结构。Industrial IT 系统的操作站 OS、工程师站 ES 及数据网关 GS 以 MS WindowsNT 为运行平台，从而确保了系统的通用性、开放性和易用性，并对将来的技术升级和维护带来很大方便。PC 机的具体配置可由用户按照需要自行选择(不低于系统基本要求)。系统组态语言基于 IEC1131_3 工业标准，提供功能块图 (FBD)、梯形图(LAD) 、指令表(IL)和顺序功能图(
25、SFC)、ST(结构化文本)等图形化组态手段。系统还带有包含近 170 多个功能块的算法库和具有 200 多个图形符号的基本图库和内含大量 3D 图符的扩充图库。系统使用同一套组态工具软件完成过程级和操作级组态及调试，并使用同一个全局数据库。Industrial IT 系统规模具备很强的伸缩性，每个系统可根据工艺或功能划分为若干个自动化域，每个域基本配置为 10 个操作员站 OS、10 个过程控制站 PS 或现场控制器 FC，整个系统扩展规模可达 100 个操作员站、100 个控制站(140800 个 I/O) 。Industrial IT 系统的网络架构见图 2-1。图 2-1 ABB In
26、dustialIT 控制系统网络架构图Industrial IT 系统优点： 集成 DCS、PLC 及 FieldBus 功能； 全局数据库； AC800F 冗余； 支持 FDT/DTM 组态及 HART 协议，支持 Operate IT； 通用性，标准化，灵活性，开放性； 工程容易，界面友好，维护简单。2.3 设计方案2.3.1 水泥包装控制系统工艺流程简介水泥包装是在水泥粉磨之后，将成品水泥运至水泥库并取出包装发运。课题包括水泥散装和袋装两条包装线。来自水泥粉磨站的成品水泥由提升机入库后分成两部分，一部分由提升机运至水泥散装车，散装输送；另一部分送至袋装区，由提升机，再经振动筛，筛出的水泥
27、经过中间仓送入包装机，水泥袋装后由输送机送至成品库，散灰由螺旋输送机再送入提升机，然后再经振动筛重复前面所说的流程。包装工艺流程设计的基本要求是：操作方便，提高包装工作效率，降低操作人员的劳动强度；能够准确称量，以确保袋装水泥的重量误差在允许范围内；减少水泥粉尘飞扬损失。本课题水泥包装的流程图见图 2-1。图 2-1 水泥包装流程图包装控制系统完成两条水泥包装输送线散装线和袋装线，每条水泥包装输送线控制方式基本相同。每组中由若干设备共同完成特定功能, 各组间又有一定的联锁关系。单台设备控制分为一个个子模块, 按模块顺序依次处理。在单台设备控制模块内完成对单个设备的条件检查、联锁控制、状态显示等功能；在组控制功能模块中完成组检查、组起动、组停止等功能。将生产顺序有连续关系和连锁关系的设备分成一组，包装控制系统的分组情况如图 2-2 至 2-9 所示。图 2-2 入库提升组 图 2-3 入库输送组 图 2-4 入库卸料组
