21世紀初中國水泥工業(yè)迎來(lái)了新一輪的增長(cháng)和結構調整。為了在激烈的國際和國內競爭中立于不敗之地，水泥企業(yè)需要采用工廠(chǎng)的信息化、自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù)改造水泥這一傳統產(chǎn)業(yè)，提高管理水平，使傳統產(chǎn)業(yè)突現新的行業(yè)效益增長(cháng)點(diǎn)。浙江三獅集團作為浙江水泥的龍頭企業(yè)、國內大型的水泥集團之一，在其富春江生態(tài)工業(yè)園重大項目“富陽(yáng)三獅5000噸/天新型干法水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)項目”中采用了施耐德電氣公司基于Modbus TCP/IP的“透明就緒”方案作為其自動(dòng)化控制系統。

    客戶(hù)的需求

    水泥生產(chǎn)有其自身的工藝特點(diǎn)，因而對控制系統也提出了特定的需求：

    1．由于廠(chǎng)區面積大、站點(diǎn)多、控制設備范圍廣、通訊信息量大，因而要求控制系統網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放、支持遠距離通訊、網(wǎng)絡(luò )可靠性高，同時(shí)必須要求網(wǎng)絡(luò )通訊帶寬高。

    2．水泥生產(chǎn)的連續性強，過(guò)程控制和順序控制要求高，尤其是從生料入窯到窯系統要求各個(gè)環(huán)節生產(chǎn)穩定、協(xié)調、高效，從而對控制系統提出了控制器能力要強，系統可靠性要高，不同環(huán)節之間實(shí)現信息共享要簡(jiǎn)單而有效，同時(shí)要有高實(shí)時(shí)性的要求。

    3．由于水泥工廠(chǎng)設備的工作環(huán)境相對較差，電磁干擾、粉塵污染等要求控制系統設備抗干擾抗腐蝕的能力要強。

    通訊網(wǎng)絡(luò )

    為了應付激烈的國際和國內競爭，企業(yè)向我們提出了系統集成和信息集成的需求，即把工廠(chǎng)的過(guò)程級（儀器儀表、供電配電、電機等設備）、生產(chǎn)級（MES執行制造系統）、企業(yè)級（ERP企業(yè)資源計劃系統）等方面有機地組織起來(lái)，協(xié)調生產(chǎn)，使各方面資源充分調配、平衡和控制，最大限度地發(fā)揮其能力，形成市場(chǎng)、經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)和研發(fā)之間緊密的協(xié)作鏈。

圖1

    實(shí)現這樣的工廠(chǎng)從上層到底層的協(xié)作鏈就需要工廠(chǎng)對各方企業(yè)資源建立完善開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )，保持LEVEL1、LEVEL2和LEVEL3，甚至與Internet之間的信息流高效而通暢，保證各種設備和基于其它協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )能夠接入系統。因此，控制系統的網(wǎng)絡(luò )采用了施耐德電氣公司Modbus  TCP/IP  工業(yè)以太網(wǎng)主干網(wǎng)，結構上采用自愈環(huán)結構，介質(zhì)采用光纖。網(wǎng)絡(luò )通訊速率為100Mbps，保證了系統大信息量的通訊，光纖自愈環(huán)結構保證了系統的可靠性，從容錯性上分析，該主干網(wǎng)允許一個(gè)斷點(diǎn)而不會(huì )影響整個(gè)系統的運行。采用開(kāi)放的Modbus  TCP/IP協(xié)議有利于控制系統網(wǎng)絡(luò )與工廠(chǎng)的MES、ERP系統實(shí)現無(wú)縫連接，以太網(wǎng)Modbus TCP/IP構建的開(kāi)放的工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )平臺使工廠(chǎng)的管理升級更加易于實(shí)現和操作。

圖2

    施耐德電氣的“透明就緒”方案還支持SNMP、NDDS、DHCP、FTIP、FTP、HTTP等應用層協(xié)議，可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理、基于UDP的廣播訂閱、基于DHCP的故障設備快速替換、基于嵌入式Web server的遠程診斷和維護功能。Web server被嵌入到140NOE工業(yè)以太網(wǎng)模板中，因而用戶(hù)可以通過(guò)Windows   IE瀏覽器瀏覽Web  server中的所有系統信息，同時(shí)還可以通過(guò)電話(huà)線(xiàn)遠程登陸或互聯(lián)網(wǎng)安全登陸到工廠(chǎng)，在任何時(shí)候，任何地方，第一時(shí)間了解工廠(chǎng)的工作情況。

“透明就緒”通訊棧

圖3

    通過(guò)I/O 掃描可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )上各個(gè)現場(chǎng)站的信息交換，由于采用了基于TCP/IP的Modbus主/從協(xié)議，因此只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的配置和采用讀寫(xiě)請求的方式，而無(wú)須編寫(xiě)程序，一改某些系統控制站之間的數據需要通過(guò)上位機編程來(lái)進(jìn)行交換這種不安全的方式和復雜煩瑣的編寫(xiě)通訊程序的方式，既減小了編寫(xiě)程序的工作量，又提高了系統運行的可靠性。
系統的網(wǎng)絡(luò )交換設備采用NOS17100工業(yè)交換機，構架光纖環(huán)網(wǎng)以連接各個(gè)現場(chǎng)控制站。同樣，每臺NOS17100交換機都具有內嵌網(wǎng)頁(yè)，可以通過(guò)IE瀏覽監視進(jìn)行管理。

    每個(gè)控制站的I/O網(wǎng)絡(luò )采用S908遠程I/O，具有可確定的I/O掃描時(shí)間和高實(shí)時(shí)性，通訊速率達1.544Mbps，恒定的通訊速率不會(huì )隨I/O站點(diǎn)的多少和距離的長(cháng)短而變化。
 
    控制系統中窯尾和窯頭的儀表均采用現場(chǎng)總線(xiàn)通訊接入系統，數字化的儀表和通訊方式不僅提高了儀表的精度，也減少了接線(xiàn)工作量。

    現場(chǎng)控制站

    根據生產(chǎn)及工藝流程的需要,我們將所控制的區域分為原料配料遠程站（RIO）、生料磨現場(chǎng)控制站、窯尾現場(chǎng)控制站、窯頭現場(chǎng)控制站、熟料輸送遠程站（RIO）、煤磨現場(chǎng)控制站，另外為了滿(mǎn)足砂巖破碎車(chē)間和石灰石破碎車(chē)間比較分布、控制點(diǎn)不是太多的特點(diǎn)，采用了更適合分布控制的、基于開(kāi)放以太網(wǎng)Modbus     TCP/IP通訊的Momentum以太網(wǎng)I/O(TIO)。

    現場(chǎng)控制站采用了施耐德電氣公司的Modicon Quantum通用自動(dòng)控制平臺，處理器采用140CPU43412A。其快速的指令處理能力非常適合水泥廠(chǎng)對高速離散控制和回路控制的要求，平均高于30萬(wàn)小時(shí)的無(wú)故障時(shí)間也保證了工廠(chǎng)的可靠運行。
此方案針對水泥廠(chǎng)窯系統的特點(diǎn)，窯尾現場(chǎng)站和窯頭現場(chǎng)站采用雙機熱備方案，雙機熱備采用140CHS21000熱備套件，此熱備套件的特點(diǎn)是實(shí)現了在主站故障的情況下可以無(wú)擾切換到從站。

    中央控制室

    全廠(chǎng)設置一個(gè)中央控制室，實(shí)現從石灰石破碎到熟料散裝等主要生產(chǎn)車(chē)間的電動(dòng)機和各種用電設備的順序邏輯控制、控制參數檢測、回路自動(dòng)控制等功能，在中央控制室內通過(guò)IFIX監控軟件可以對所控制的生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行管理和操作。
 
    下位機的編程軟件采用CONCEPT 2.5，對全廠(chǎng)的設備采用面向對象的編程方式自定義設備功能塊，同時(shí)CONCEPT 2.5自帶的32位IEC 模擬器提高了編程和調試的效率，節省了不少工期。

    中央控制室內設有操作員操作站（OS）、報告打印機、報警打印機和彩色屏幕拷貝裝置。

    為了編制計算機系統應用軟件和實(shí)現對軟件的維護，在中央控制室內設有工程師工作站（EWS），并配有激光打印機。

    結語(yǔ)

    在國內倡導“鼠標+水泥”的今天，施耐德電氣公司基于Modbus TCP/IP的”透明就緒”方案為水泥行業(yè)管控一體化提供了開(kāi)放的通訊平臺，從而提高了水泥企業(yè)的競爭力，為水泥企業(yè)帶來(lái)了整體效益，其在浙江三獅集團項目中的成功應用就是最有力的證明。