赛远的工业远程无线在水泥生产上的应用

一、       水泥行业概况

    水泥行业是一个重要的基础产业,与人类的生活息息相关。中国对基础建设的大力投资对高标准的水泥提供了持续的需求。

经过长期的发展,中国水泥产量已多年居世界首位,年产量超过10亿吨。但我国并非一个水泥强国。高标准的水泥依然供不应求,能耗指标相对较高。

由于落后的生产工艺,水泥制造对环境也带来了不利的影响。为此,国家提出了用先进技术的新型干法水泥生产来淘汰落后的立窑生产,提出了控制总量、调整结构、淘汰落后的方针。

    现代水泥生产工艺设备的单机容量大,生产连续性强,而且生产过程要求较高的快速性和协调性。为了提高企业竞争力,自动控制的实施至关重要。自动控制能保证生产稳定、提高产量、提高质量、降低能耗、降低劳动强度以及减少环境污染。同时,现代的生产管理对水泥工厂的过程控制系统提出了新的要求,适应管控一体化的过程控制系统能够帮助提升工厂管理水平,增强水泥工厂市场竞争力。

目前,我国是世界上建筑材料最大的生产国和消费国。2008年水泥产量13.88亿吨,同比增长5.2%,并仍保持增长趋势。2009年我国水泥产量16.5亿吨,占世界水泥总产量50%以上,已连续20多年居世界第一位。截止2009年底,全国已有1113条新型干法水泥生产线在运行。2009年,年生产能力在500万吨以上的水泥企业(集团)65家,近5000家水泥生产企业。

二、       水泥生产概述及其自动化系统组成

    水泥的生产过程通常可分为三个阶段:石灰石、粘土质原料与少量校正原料经破碎后,按一定比例配合、磨细并调配为成分合适、质量均匀的生料,称为生料的制备;生料在水泥窑内煅烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主的熟料,称为熟料煅烧;熟料加适量石膏、混合材料共同磨细成粉状的水泥,并包装或散装出厂,称为水泥制成及出厂。

    水泥生产自动化已成为水泥生产技术发展所不可缺少的环节。自动化水平的提高,将使生产过程稳定在一个更合理的的工艺参数和工艺条件下,以取得最佳的经济效益。

    水泥生产的自动化系统具有很强的分布性,一个典型的水泥生产线控制系统有如下几个部分组成:

    1、原料粉磨控制站。该控制站完成从石灰石进厂、石灰石预均化、原料调配、原料粉磨及生料入库输送所有设备的控制。

煤粉制备控制站。该控制站完成从辅助原料进厂、辅助原料堆场、煤粉制备、煤破碎及输送和生产循环水泵站的控制。

    2、窑尾控制站。该控制站完成烧成窑尾、生料入窑系统、空压机站、烧成窑中、废气处理等。

    3、烧成窑头控制站。该控制站完成烧成窑头、熟料库及水泥输送等。

水泥磨控制站。该控制站完成水泥粉磨、水泥调配站、水泥库、石膏破碎及输送、水泥包装及散装、水泥磨空压机的控制。

    最早的水泥生产自动化从马达开停逻辑控制和仪表控制开始,随后发展为分布式的网络控制系统。同时,针对水泥行业专家系统的发展优化了工厂的生产节省了能源。更值得一提的是现代的水泥自动化采用开放的工业以太网构架下的适应管控一体化的平台,让工厂的生产和管理紧密结合,实现生产环节和管理环节的信息通讯,提高工厂的生产和管理水平。

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    随着计算机网络技术的广泛应用,ERP和MES也逐步在水泥厂中推广应用。为了工厂的协调运营需要PCS系统、ERP、MES相互间进行通讯及信息交换。对于全集成自动化解决方案,西门子,施耐德,罗克韦尔等知名工控厂商都提出了各自的解决方案,目的在于将工业网络协议和互联网技术应用于工业自动化领域。作为一个完整的全集成自动化解决方案,包括如下的内容:TCP/IP Ethernet 提供厂级信息无缝交换的结构;面向对象的软件组织信息并使其更易于共享;嵌入式服务器创造基于WEB的工厂自动化。实际上,这就是工业物联网的一种行业应用。

    在工业物联网中,具有三层的不同分工:应用层、网络层、感知层。对于工业物联网,是以工业系统为对象的网络。具有要求的实时性高,稳定性强, 水泥生产,为了方便运输,通常是在分散化生产,这对于集团企业来说,管理就成了比较大的问题。全国60家国家重点扶持的水泥企业,而水泥厂大大小小几千家,如何将每个水泥厂的生产信息集中化,成为了水泥集团企业ERP和现场的DCS生产过程如何对接的关键问题,这个就是MES软件的功能。需要解决的是工业现场总线和标准局域网的连接,以及通过广域网如何实现远程数据的问题。

面对专业工控协议,要求解析准确。

    国际水泥企业跟紧信息化的脚步,尤其是大型水泥集团,在信息化建设方面领先于国内企业。生产过程控制系统应用广泛。世界水泥百强企业,如法国拉法基(Lafarge S.A)集团等均在生产过程中全程采用了先进的生产控制系统,如集散控制系统(DCS)、计算机控制系统(SCADA),制造执行系统(MES)等。管理信息化建设开展较早,且应用比较成熟。国际上大型水泥企业集团基本上已经建立企业ERP系统,如台湾亚洲水泥集团,1998年应用了SAP的ERP系统,并于2001年又建设了企业信息门户(EIP),为企业中下游客户提供服务。国外建材企业信息化建设经历了从生产自动化、管理信息化到管控一体化结合的过程,在管控一体化应用方面,进行了有力的探索,并且取得了显著成果,部分建材企业已经实现了管控一体化应用。

通过对水泥企业的信息化需求和对信息化发展模式的分析,我们能够看到水泥企业与其他流程制造业一样,自动化的生产线是企业的核心管理对象和取得效益的重要物质资源。对于自动化生产线的控制过程又是核心中的核心。然而,对于大多数的水泥企业而言,已建立生产过程控制(DCS)系统、QCS系统、财务软件、磅房软件等,大量的生产过程控制数据只是局限于工业以太网中,对于企业的管理层、执行层均无法打破时间与空间的限制,各种信息仍旧处在一种相对孤立的状态下而不能有效集成。

通过建立管控一体化集成平台,能够将企业的各种软件系统集成,尤其是将DCS系统与管理系统集成,将中控画面还原到管理者桌面,并为企业的专业的设备工程师、工艺管理人员提供设备故障分析与生产优化分析工具,从而提高产品产量和质量,达到“安全、经济、运行”的生产管理目标。

    集团企业的信息化涉及财务、生产、销售、采购、设备、计量、人力资源、办公自动化等。据专业人士介绍,目前制造业企业信息化主要有三个问题:不集成、不全面、不深入。

    不集成意味着生产控制、计量、财务管理、供应链管理等各自分离,最后通过导出数据汇总;不全面意味着仅有几个领域的应用难以满足集团管理的整体目标;不深入意味着信息化没有在全面应用和集成的基础上,扎根到生产、经营和管理的末端及细节。

    一端是水泥,一端是ERP,工业化和信息化的融合将大大加强集团的管控能力,在生产领域实现集中管理、统一计划、连续生产。

赛远所提供的工业远程通讯产品,在上述水泥厂的生产中,用来实现每个分厂的数据集中化管理,将现场的PLC的数据通过3G或者ADSL宽带传输至中控室,也可以将现场的视频信号远传至中控室,实现分厂数据的集中远程监控和管理。

设备管理是生产管理重点:生产是在高温、连续下进行的,对设备运行维护要求较高,意外停产损失大,因此除必要的设备定时检修外,还要进行设备运行监控与运行检查,企业生产管理重点是保证设备正常运行、稳步提高产量和质量。

三、       远程系统的实现

    该系统采用PLC控制器,并和生产线上的多个触摸屏、工控机通过工业交换机组成了工业以太网络,在现场的工业交换机上,通过工业通讯模块SY-RSCM302,连接到3G(电信的CDMA-1X制式)的上网模块SY-3G,上到Internet网络。

在远程诊断和维护中心,本地的工控机装有PLC的编程软件,以及上位机的组态软件,通过SY-RSCM302连接到Internet网络。通过维护中心的SY-RSCM302和远端现场的SY-RSCM302的硬件设备的握手和通讯,通过公共的网络建立了最高1536位私钥加密的安全传输通道,完成远程的控制系统程序级的在线诊断、上下载和现场视频查看、数据采集等多种功能,为设备提供分钟级别的维护和诊断响应,并能够依据客户的要求提供运行的预警保障。

    大部分的现场,布置网络线不太方便,为此,通过在国内已经发展了4年,已经普及了的3G网络,快速搭建通讯通道。用户可以根据现场不同的3G网络信号强度,选择不同的运营商,现有的有三种可选:中国电信的CDMA-2000,中国联通的WCDMA,中国移动的TD-SCDMA。

整个运行维护中心结构图如下:

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    该中心,可以连接到多个现场,并具有同时采集多站点的数据和视频信息,并能实现远程的程序级的维护和诊断的功能,进行路由诊断和参数、程序修改。

举水泥筒仓的本地操作工序为例,系统工程实时采集现场水泥筒仓的进、出料数据信息,自动进行数据分析和存储,操作员通过本地人机交互界面监视各个水泥筒仓及其它各个机械设备的状态。

    本系统的本地触摸屏,分别用来显示System A中筒仓的料位和进出料情况以及其它各个部件的运作情况。System A由n个用来装载OPC的筒仓和用来装载PFA的筒仓组成。

    IO数据采集:通过PLC实时采集现场各个水泥筒仓的实时料位、高低料位及其它各个部件的开关数据。

控制功能:通过触摸屏,对输送水泥的螺旋输送机进行控制。

数据存储:系统需要对采集到的水泥筒仓进、出料数据进行分析,并保存至本地数据库中,并可根据需要进行数据的备份。

    查询统计:根据操作员设定的条件(时间、筒仓编号),从本地数据库中检索出符合查询条件的结果集,通过数据库访问浏览器呈现给用户。

报警功能:对水泥料位等关键信息进行报警。

安全管理功能:通过对系统管理员、操作人员、维护人员的不同权限的设计,有效保证系统的安全。

远端的中控室,和本地保持实时的通讯,数据采取同步方式进行。

四、       配置清单

中控总控制站:


序号

名称

型号

数量

1

工控机

IPC

2

2

组态软件(易控)

INSPEC

1

3

远程安全通讯模块(带软硬件防火墙)

SY-RSCM302

1

4

ADSL 4M宽带专线


1

5

编写数据库、报警、存储等


1


每个现场控制站:


序号

名称

型号

数量

1

PLC


1

2

远程安全通讯模块(带软硬件防火墙)

SY-RSCM302

1

3

串口协议转换器(如PLC未带以太网)

SY-NC

1

4

3G通讯模块(如现场未有ADSL)

SY-3G

1

5

ADSL上网(如现场未有3G)


1


注:PLC根据现场的数字量、模拟量的具体需求来选型,如选用西门子的小型PLC S7-200,最大可以扩展200多点,西门子中型PLC S7-300,最大可以扩展上千点。

五、       水泥的现场应用效果

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监控室的水泥生产参数画面

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生料处理的无线数据采集和监控

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