自動化領(lǐng)域最新發(fā)展趨勢及在水泥行業(yè)的應(yīng)用

                          作者：張衛(wèi)民   來源：中國建材報  

核心提示：隨著國家宏觀經(jīng)濟方針的戰(zhàn)略性改革調(diào)整，水泥產(chǎn)能過剩，水泥工業(yè)發(fā)展將不如過去，但IT、通訊、傳感器技術(shù)將會以更快速度發(fā)展，也一定會推動我國水泥工業(yè)自動化水平更進一步發(fā)展和提高，以盡快實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效這四大目標。同時由于EPC項目將在未來幾年中占據(jù)主導地位，我國水泥工業(yè)將推動世界水泥工業(yè)自動化的發(fā)展和提高。
                     
    我國水泥工業(yè)和其他流程工業(yè)一樣，面臨市場和能源、清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護、高效和規(guī)范、負責和協(xié)調(diào)的挑戰(zhàn)。節(jié)能、環(huán)保、安全、高效是每一個水泥集團必須要面對的課題，而自動化技術(shù)和這四大目標又緊密相連，本文將就當今自動化領(lǐng)域內(nèi)和水泥行業(yè)有關(guān)的最新發(fā)展趨勢作一簡述，以便為我國水泥工業(yè)發(fā)展搭建更為廣闊的溝通和交流平臺。
                     
    以信息技術(shù)改造水泥行業(yè)，以信息化推進自動化，自動化再促使水泥行業(yè)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效四大目標的實現(xiàn)，已成為業(yè)界的共識。

    信息技術(shù)推動自動化
                     
    國內(nèi)一些大水泥集團諸如中國建材、中國中材、海螺水泥、山水、冀東、華新、華潤、金隅、亞泰、臺泥等，在當前競爭不斷加劇的壓力下，也緊跟這股信息化的潮流，推進自動化的發(fā)展，這些集團在現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線已經(jīng)應(yīng)用數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS/PLC)配置的同時，在過程控制級（PCS）的上端，還增加了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）層，并正在策劃和運作企業(yè)管理級（ERP），即企業(yè)資源規(guī)劃和管理層。MES是企業(yè)管控銜接的核心環(huán)節(jié)，是管理信息系統(tǒng)和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的紐帶，制造執(zhí)行系統(tǒng)包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、銷售子系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、財務(wù)管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、環(huán)保檢測系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、辦公自動化管理系統(tǒng)和綜合管理子系統(tǒng)等，通過這些子系統(tǒng)逐步實現(xiàn)“管控一體化”。
                     
    當今在水泥市場供大于求、產(chǎn)能過剩、競爭激烈的形勢下，某些大水泥集團由于初步實現(xiàn)了MES的運營，其集團化管理的控制力和執(zhí)行力明顯提高，精細化運行方式使得物流和原材料成本得到控制，實現(xiàn)了綜合效益的大幅增長。筆者認為水泥生產(chǎn)是連續(xù)性很強的流程工業(yè)，其生產(chǎn)實時性、季節(jié)性強，品種又較單一，生產(chǎn)中干擾因素多，它基本不以訂單來計劃生產(chǎn)，故一些專業(yè)軟件公司開發(fā)的MES軟件往往不能完全適應(yīng)水泥行業(yè)，水泥集團大多是自己在開發(fā)MES，集團之間信息透明度還不夠，正在運營的MES應(yīng)該還是初期的，同時要把生產(chǎn)調(diào)度和企業(yè)領(lǐng)導的決策統(tǒng)一成為真正的ERP還需要進一步開發(fā)，主要問題是企業(yè)對工業(yè)控制系統(tǒng)、部分管理系統(tǒng)如財務(wù)、銷售等較為重視，通常對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理信息化重視不夠，未能實現(xiàn)綜合的業(yè)績指標。

    自動化技術(shù)的互補與滲透
                     
    DCS、PLC、IPC是自動控制領(lǐng)域的三大支柱，它們之間競爭激烈，但又取長補短和相互滲透，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。水泥行業(yè)作為較典型的流程工業(yè)，決定了其開關(guān)量邏輯控制的主導地位，同時模擬量的處理多為簡單的顯示和給定，控制回路基本上為并不復(fù)雜的單回路調(diào)節(jié)，這些特點適合于HCS的應(yīng)用。
                     
    水泥行業(yè)用得較多的是ABB公司的800xA、800F系統(tǒng)，能與ERP連接，ABB公司還針對水泥、礦產(chǎn)部推出了KM系統(tǒng)，它主要是生產(chǎn)報表系統(tǒng)再加上化驗室系統(tǒng)，據(jù)悉華新集團正在應(yīng)用KM系統(tǒng)。國內(nèi)各大水泥集團如能進一步改善開發(fā)環(huán)境，不斷積累實踐經(jīng)驗研發(fā)專家系統(tǒng)，可實現(xiàn)集團MIS和MES更完整的集成，最終達到以“管控一體化”為目標的ERP。

    自動化系統(tǒng)更加注重功能和信息安全
                     
    水泥行業(yè)已大多采用新型水泥干法工藝，它是連續(xù)性很強的工藝過程，并已實現(xiàn)了計算機系統(tǒng)的順序和連鎖控制，筆者認為新型干法工藝其安全等級是較高的。要進一步提高整體安全等級必須增強故障診斷環(huán)節(jié)；人機操作界面要便于故障的監(jiān)測；對生產(chǎn)規(guī)模越大的生產(chǎn)線，如日產(chǎn)萬噸熟料的生產(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，要特別增強煤磨車間的防爆安全等級，對設(shè)置低溫余熱發(fā)電的企業(yè)，整體安全等級SIL要高于一般企業(yè)。

    控制系統(tǒng)由集中向分散化發(fā)展
                     
    智能化分布式I/O將使水泥生產(chǎn)線的系統(tǒng)配置更趨扁平化，原設(shè)置的遠程I/O場合，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)整體的開銷。

    無線通訊技術(shù)進一步滲透控制領(lǐng)域和無線變送器的應(yīng)用
                     
    無線通訊技術(shù)目前在汽車、石化、水處理等行業(yè)有較多應(yīng)用。在水泥行業(yè)，有的大集團局部輔助流程也采用了無線技術(shù)，如冀東水泥集團在循環(huán)水泵站已采用無線控制，浙江有些水泥廠采用無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，有些工藝測量點的位置難于安裝，而有些工藝測量點環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)的硬連線安裝器件成本又過高，如果改用無線變送器能夠節(jié)約能源，減少配線和維護費用。

    人機界面更趨人性化
                     
    國內(nèi)某水泥集團MES的運營、集團化管理的控制主要依靠多種人機界面，通過OPC實現(xiàn)了集團內(nèi)各個水泥生產(chǎn)線之間的信息交換，也實現(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。

    中子式活化分析儀
                     
    由于X射線熒光分析儀組成的生料質(zhì)量控制系統(tǒng)并不能做到真正的“在線”實時分析，為進一步穩(wěn)定生料質(zhì)量，減少或取消原料中間儲存的環(huán)節(jié)，簡化流程，國內(nèi)一些水泥廠采用了前饋控制用于質(zhì)量控制，即用γ射線分析儀對運行中的皮帶機上的物料進行實時分析，根據(jù)分析結(jié)果進行各種計算，最終在線給出各種原料配比，控制各種原料的喂料量，以保證實際控制的各項質(zhì)量參數(shù)跟蹤設(shè)定值。

    變頻器性能更加擴展
                     
    變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域已從常規(guī)的風機、泵類等拓展到輸送、喂料機械等，在行業(yè)應(yīng)用面上也越來越廣，因而其功能也進一步提升并多樣化，一方面是全數(shù)字化、功能齊全、能夠補償負荷變化的自適應(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。另一方面是簡易或?qū)Ｓ玫淖冾l器及機電一體化的變頻器。就開展控制技術(shù)而言，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制、無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)能達到 0.1m~0.5ms。速度調(diào)節(jié)的發(fā)展趨勢是提高速度的控制精度，一般在閉環(huán)時，對應(yīng)于全范圍，調(diào)速比為1:100或更高時，速度控制精度高達0.05%。另外變頻器性能在低速時的過載能力，穩(wěn)定的四象限運行能力，以及一機驅(qū)動多臺電機的負荷平衡能力等方面也有所增強。
                     
    如何在低速時經(jīng)受較大的過載轉(zhuǎn)矩，降低對電力系統(tǒng)的干擾，提高中壓變頻器的性價比是對制造商提出的課題。現(xiàn)在各大水泥集團大多采用國產(chǎn)中壓變頻器作為中壓變頻器的首選方案，由于性價比較高，目前已在對國外的EPC項目中普遍采用。       
    看火工業(yè)電視和窯內(nèi)紅外測溫系統(tǒng)二合一新型自動化裝置
                     
    由于比色測溫效果并不理想，現(xiàn)在市場有引進的測燒成帶溫度的紅外高溫計和看火工業(yè)電視二合一新型的自動化裝置問世，看火工業(yè)電視顯示包括燒成帶溫度在內(nèi)的各點溫度，節(jié)省了為比色高溫計設(shè)置的冷卻和清掃裝置，同時監(jiān)控更為直觀，主要用于不間斷地實時檢測水泥窯內(nèi)煅燒情況，并和DCS系統(tǒng)通信。它不是最新技術(shù)，但隨著通訊技術(shù)的進步，實時檢測更為有效。

    電能管理系統(tǒng)
                     
    電能管理系統(tǒng)是MES一子系統(tǒng)，水泥企業(yè)是能源大戶，以噸水泥電耗90kWh測算，電力成本占成品的比例高達20%，降低電費成本對經(jīng)濟生產(chǎn)和節(jié)能減排都具有重要意義。目前大部分水泥廠均已經(jīng)建立了能源管理機制，但電能的計量還是以人工抄表為主，對現(xiàn)代化的企業(yè)管理來說已經(jīng)相對十分滯后。
                     
    采用電能管理系統(tǒng)，準確、快速、經(jīng)濟地獲得用電回路的各類數(shù)據(jù)是進行用電分析、負荷管理、表計運行狀況監(jiān)測、電費自動結(jié)算的基礎(chǔ)，同時也是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的有效手段。
                     
    隨著國家宏觀經(jīng)濟方針的戰(zhàn)略性改革調(diào)整，水泥產(chǎn)能過剩，水泥工業(yè)發(fā)展將不如過去，但IT、通訊、傳感器技術(shù)將會以更快速度發(fā)展，也一定會推動我國水泥工業(yè)自動化水平更進一步發(fā)展和提高，以盡快實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效這四大目標。同時由于EPC項目將在未來幾年中占據(jù)主導地位，我國水泥工業(yè)將推動世界水泥工業(yè)自動化的發(fā)展和提高。