（控制理论与控制工程专业论文）水泥回转窑监控软件设计与开发.pdf

0一 电、， at h e s i si nc o n t r o lt h d e s i g na n dd e 、 j 、 1 。1 1 。1 。1 。1 。1 。”1 1 1 。1 。1 。_ 。_ _ 。_ 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。_ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 己 思。 学位论文作者签名梅；咖( l 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 细t ( l 签字日期： 2 汐7 7 导师签名：? 吐 ，l ，i i ，一 签字日期：z o o 吁7 9 f 丫 ， 水泥回转窑监控软件设计与开发 摘要 水泥工业是我国的基础原材料工业，我国每年的水泥产量长期以来一直居世界各国 首位，但产品质量不高、生产水平落后、污染严重的问题也十分突出，急需进行产业升 级。而回转窑作为水泥生产过程中的一道关键工序，生产流程长、工艺复杂，工作人员 的劳动强度大，设备极易误操作。因此，研究水泥回转窑监控系统，实现生产过程的全 面监视和远程控制，提高水泥生产的自动化水平，具有重要的意义。 本文依托国家8 6 3 高技术研究发展计划课题“大型回转窑智能控制系统”，开展了对 水泥回转窑监控软件的研究并进行了工程应用。本文的主要内容归纳如下： ( 1 ) 分析了水泥回转窑的工艺，并对水泥回转窑监控软件进行了详细的需求分析， 总结了水泥回转窑生产过程中需要监控的参数。结合需求分析，对水泥回转窑监控软件 进行了功能设计、结构设计和数据流的设计。功能设计包括运行监控功能和系统管理功 能两部分，结构设计包括图形界面系统、实时数据库、i o 设备驱动、控制功能模块、 通信接口等部分。在此基础上，对水泥回转窑监控软件的各个组成部分进行了详细的设 计。 ( 2 ) 综合利用各种先进技术，结合现场实际情况，借助w i n c c 监控组态软件平台， 开发实现水泥回转窑监控软件。监控界面包括窑头系统、煤磨系统、窑尾系统等部分， 界面友好且具有系统检测、参数设定、设备控制、故障报警、数据处理等丰富功能，采 用实时数据库对现场数据进行高效处理，利用c s 方式建立分布式监控软件应用程序， 便于对多个工艺段同时监控。 ( 3 ) 在上述工作的基础上，以“酒钢( 集团) 宏达建材有限公司1 撑回转窑自动化 改造项目为背景，设计了包括以太网、工业以太控制网、设备网三层网络结构的总体 方案，将所开发的水泥回转窑监控软件进行了成功的工程应用。应用效果表明，该监控 软件系统满足工业现场的运行操作和监控要求，有助于操作人员及时了解水泥生产的运 行工况。 关键词：水泥回转窑；新型干法水泥；监控软件；w i n c c ；计算机控制系统 一i i r 。1 。1 。_ - 1 _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - - _ 。- - _ _ - _ _ _ _ _ _ 。- _ - _ - _ - _ 。_ _ _ - 。a _ o b 。s o o t 。r o 。a o c - 。t d e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gs o f t w a r ef o r r o t a r yc e m e n tk i l n 东北大学硕士学位论文 d e s i g na n d a b s t r a c t c e m e n ti n d u s t r yi st h eb a s i cl a wm a t e r i a li n d u s t r yo fc h i n a , c h i n e s ea n n u a lc e m e n t p r o d u c t i o nh a sl o n gb e e nt h ef i r s tc o u n t r yi nt h ew o r l d b u tt h eq u a l i t yo ft h ec e m e n ti sn o t h i g h ，t h et e c h n i q u eo fp r o d u c t i o ni sl o wa n dt h ep r o b l e mo fp o l l u t i o ni sa l s oav e r ys e r i o u s p r o b l e m a ni n d u s t r i a lr e s t r u c t u r i n gi sn e e d e di nc e m e n tp r o d u c t i o n t h er o t a r yc e m e n tk i l n w h i c hi sf o rt h eu s eo fc e m e n tc l i n k e rb u r n i n gi st h ek e yp a r to fn e wd r y i n gc r a f to fc e m e n t p r o d u c t i o n ，b e c a u s et h er o t a r yc e m e n tk i l np r o c e s sh a sa ni n t e r m i n a b l ea n di n t r i c a t ei n d u s t r i a l f l o w , t h ew o r k l o a d so ft h eo p e r a t o r sa r et o oh e a v ya n dt h ed e v i c ei se a s yt ob eo p e r a t e d m i s t a k e n l y t h e r e f o r e ，d e s i g n a n d d e v e l o p m e n tm o n i t o r i n g s o f t w a r et oa c h i e v ea c o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n ga n dr e m o t ec o n t r o li so fg r e a ts i g n i f i c a n c e s u p p o r t e db y8 6 3h i 曲- t e c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m o fc h i n a , w et a k eo nar e s e a r c h a b o u tt h em o n i t o r i n gs o f t w a r ef o rr o t a r yc e m e n tk i l na n dt h ed e v e l o p e dp r o g r a mh a sb e e n s u c c e s s f u l l yu s e do nac e m e n tp r o d u c tl i n e i nt h i sp a p e r , t h ec o n t e n t sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h i st h e s i sa n a l y s i st h ec e m e n tk i l np r o c e s sa n dm o n i t o r i n gd i f f i c u l t i e s ，t h e ni ts u m s u pp a r a m e t e r sn e e dt ob em o n i t o ra n dd e v e l o p sn e e d sa n a l y s i si nd e t a i l s b a s e do ft h i s ，t h e m o n i t o r i n gs o f t w a r ei sd e s i g ni nw h o l e ( i n c l u d i n gf u n c t i o n a ld e s i g na n ds t r u c t u r a ld e s i g n ) ， a n dt h e nc o m p o n e n tm o d u l e sa r ed e s i g n e di nd e t a i l s ( 2 ) t h eu s e rf r i e n d l ym o n i t o r i n gs o f t w a r e 诵t l lav a r i e t yo ff u n c t i o ni sd e s i g n e do nt h e w i n c cp l a t f o r mb a s e do nv a r i o u so fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，i tc o n s i s t so fg r a p h i c a li n t e r f a c e s y s t e m ，r e a l t i m ed a t a b a s e ，i od e v i c ed r i v e r s ，c o n t r o lf u n c t i o nm o d u l e s ，c o m m u n i c a t i o n s i n t e r f a c e s ，e t c t h e s ec o m p o n e n t sw o r kt o g e t h e rt oa c h i e v et h ed a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g ， r e m o t em o n i t o r i n g ，d a t at r a n s m i ta n do t h e rt a s k s ( 3 ) b a s e do nt h ea b o v ed e s i g n ，t h ec o m p u t e rn e t w o r kc o n s i s t so f t h r e el a y e r sa si n d u s t r y e t h e r n e t ，c o n t r o ln e t w o r ka n dd e v i c en e t w o r ki sd e v e l o p e do nt h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t o fs e c o n dc e m e n tp r o d u c tl i n e ，w h i c hi sb u i l ti n ( j i u q u a ns t e e lg r o u p ) h o n g d ac o n s t r u c t i o n m a t e r i a ll t d ，t h em o n i t o r i n gs o f t w a r eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e do nt h es y s t e mn o w o p e r a t o r sc a na c h i e v eac o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n g ，d e t e c tt h eh i d d e nt r o u b l ei nt i m ea n d c o n t r o li n v o l v e de q u i p m e n t se a s i l yw i mt h em o n i t o r i n gs y s t e m - i i i - a b s t r a c t e n tk i l mn e w d r y i n gc r a f to fc e m e n tm o n i t o r i n gs o f t w a r e ； o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 一一 r 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 监控技术的现状及发展趋势l 1 2 1 监控技术的特点1 1 2 2 监控技术的现状3 1 2 3 监控技术的发展趋势。4 1 3 水泥工业自动化技术的发展现状6 1 4 本文的主要工作8 第2 章水泥回转窑生产过程描述1 1 2 1 水泥工艺流程简介1 l 2 1 1 新型干法水泥生产过程1 1 2 1 2 水泥回转窑生产流程1 3 2 2 影响水泥熟料质量的因素分析1 6 2 3 本章小结1 8 第3 章水泥回转窑监控软件设计1 9 3 1 系统目标1 9 3 2 水泥回转窑监控软件需求分析2 0 3 3 水泥回转窑监控软件总体设计2 2 3 3 1 功能设计2 2 3 3 2 结构设计2 5 3 3 3 数据流图2 7 3 4 水泥回转窑监控软件详细设计2 7 3 4 1 图形界面系统2 7 3 4 2 实时数据库系统3 2 一v 一 目录 3 4 ：；! ； ：；7 3 7 发3 9 3 9 4 1 r 4l 4 7 一 4 8 4 9 4 9 4 9 ! ；1 ! ；：! ! ；：； ! ；8 工程应用5 9 ! ；9 6 ( ) 6 ( ) 6 1 6 4 6 6 5 4 本章小结7 0 第6 章结束语7 l 参考文献7 3 到c访 。7 7 攻读硕士学位期间的主要工作7 9 一v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 水泥是建筑业的“三大基本材料之一，被称为建筑业的“粮食”，广泛应用于民 用建筑、交通、核工业、林业、军工等多种行业【。我国是一个水泥生产大国，也是水 泥消费大国，水泥的产量和质量直接关系着我国的现代化建设【2 】。 自1 9 8 5 年起，我国每年的水泥产量一直居世界各国首位，但产品质量不高、生产 水平落后、污染严重的问题也十分突出，急需进行产业调整【3 】。在水泥这样一个高耗能 行业，其消耗的煤炭占国内煤炭消费总量的1 5 ，水泥生产中煤、电成本约占有6 8 左 右( 其中煤占3 8 左右，电占3 0 左右) 。在目前水泥行业面临原燃料价格高涨的情况下， 节能降耗无疑成为水泥企业提升业绩的关键手段【4 】。很多水泥生产单位采用人工控制， 凭借操作员的经验对水泥生产过程进行人工调节，自动化程度非常低。由于人的经验、 精力有限，所以存在劳动人数多、工作强度高、生产效率低、质量不稳定和无法对生产 过程进行优化等一系列问题。如何提高水泥的产量和质量，并尽量减少水泥生产过程中 对原料、燃料、电力等的消耗和对环境造成的负面影响已成为制约我国水泥生产行业发 展的“瓶颈”问题【5 j 。因此，在水泥市场竞争日益激烈的今天，提高水泥生产过程的 自动化控制程度，使水泥生产效率化、合理化、节能化，进而使产品成本更低，质量更 高，能更好满足社会可持续发展的要求，更符合国家“十一五规划的基本国策，同时 也能增强企业在市场中的竞争力，具有现实的经济意义和社会意义。 本文依托东北大学流程工业自动化教育部重点实验室和沈阳东大自动化公司的技 术优势，根据“酒钢( 集团) 宏达建材有限公司l 水泥生产线”实际的运行情况，设计 和开发了“水泥回转窑监控软件”，并且成功投入应用。此系统运行稳定，取得了很好 要的经济效益。 1 2 监控技术的现状及发展趋势 1 2 1 监控技术的特点 自本世纪3 0 年代以来，自动化技术取得了惊人的成就，己在工业生产和科学发展中 起着关键的作用。当前，自动化装置己成为大型设备不可分割的重要组成部分。可以说， 如果不配置合适的自动化系统，大型生产过程是根本无法运行的【8 】。实际上，生产过程 自动化的程度已经成为衡量工业企业现代化水平的个重要标志【9 1 。 回顾自动化技术的发展历史，可以看到它与生产过程本身的发展有着密切的联系， 一1 一 东北大学硕七学位论文第1 章绪论 是一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级智能的 发展过程。自动化在工业生产中的作用，大致经历了三个发展阶段f l o 】。 表1 1 过程控制发展的3 个阶段 t a b l e1 1t h r e ep h a s e so fp r o c e s sc o n t r o ld e v e l o p m e n t ( 1 ) 局部自动化阶段( 5 0 - 6 0 年代) 在这一时期中，理论基础是用传递函数并进行数学描述，以根轨迹和频率法作为分 析和综合系统基本方法的经典控制理论，因而带有明显的依靠手动和经验进行分析和综 合的色彩。过程控制的主要工艺参数为温度、压力、流量、液位等热工参数。过程控制 系统结构方案绝大多数为单输入单输出的单回路定值控制系统，逐步开发应用串级控制 系统。在设计过程中，一般是把复杂的工业生产工程认为的分解为若干简单过程，最终 实现单输入单输出系统。其控制目标也就只能满足于保持生产平稳和安全，属于局部自 动化的范畴。当时，也出现了一些如串级、前馈补偿等十分有效的复杂系统，相应的控 制仪表也从基地式发展到单元组合式。但总的说来，自动化水平还处于低级阶段。 ( 2 ) 综合自动化阶段( 6 0 - 7 0 年代中期) 在过程控制系统结构方案的开发和应用方面，相继出现了各种复杂的常规控制系统 和计算机控制系统，如均匀控制、比值控制、前馈控制、分程控制、选择性控制、多变 量控制等。过程控制的主要目的是提高控制质量或实现特种要求。过程控制系统设计的 理论基础，有经典控制理论发展到现代控制理论。在这一时期，数字计算机开始应用于 过程控制领域，女 i d d c 系统、s p c 系统等，从而引发了过程控制技术的重大转变，实现 了局部最优化，推动了过程控制的新发展。 ( 3 ) 全盘自动化阶段( 7 0 年代中后期至今) 由于大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世，是计算机的功能丰富多彩，可 靠性大为提高，而价格却大幅下降。尤其是工业用控制器，在采用了冗余技术，软硬件 自诊断功能等措施后，其可靠性以提高到基本上能够满足工业控制的要求的程度。工业 自动化进入了计算机时代，实现了全车间、全厂、甚至全企业无人或很少人参与操作管 理，实现了过程控制最优化和现代化的集中调度管理相结合的方式。由单变量控制系统 发展到多变量控制系统。e h p i d 控制规律发展到各种特殊的控制规律。由生产过程的定 一2 一 东北火学硕士学位论文第1 章绪论 值控制系统发展到最优控制、自适应控制。 总之，在这个阶段，工业自动化正发生着巨大的变革，它突破了局部控制模式，进 入到全局控制，既包含若干子系统的闭环控制，又有大系统协调控制、最优控制以及决 策管理一体化的新模式。它的出现将使工业自动化系统在大量获取生产过程和市场信息 的基础上，科学的安排、调度生产，充分发挥设备的生产能力，最终达到优质高效低能 耗的控制目标。 计算机监控系统伴随着自动化技术的发展而发展，它又具有一些自身的特点，主要 是一下几个方面： ( 1 ) 体系结构的扁平化和监控管理一体化 由于微处理器的不断发展，现场信号的处理和控制越来越多地会在底层完成，从而 使得计算机监控系统在体系结构上变得扁平【1 1 】。另外，计算机监控系统与生产调度层、 管理层都集成为一体。底层的各类数据可以向上传送，在管理层可以及时地看到现场的 各类数据，了解现场的各种情况，生产调度层和管理层的指令也可以很容易地向下传送， 因而提高了管理的效率。 ( 2 ) 微型化 嵌入式系统也是计算机监控系统的一个发展方向。所谓嵌入式系统，是指计算机监 控系统嵌入到被监控对象之中。微处理芯片技术、液晶显示技术、大容量电子技术的发 展为嵌入式系统的开发提供了可靠的保证。 ( 3 ) 大型化及网络化 与计算机监控系统微型化相反的方向就是大型化。大型化的特点是：一是监控系统， 监控的参量非常多，可以达到数万个甚至数十万个；另一个是监控的地域非常的宽广【1 2 】。 ( 4 ) 多媒体技术 多媒体技术正在迅速地向计算机监控技术应用的各个领域扩散。通过应用多媒体技 术，可以使操作人员获取现场信号。 1 2 2 监控技术的现状 八十年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统概念的推广，个人计算机操作 系统日趋稳定可靠，实时处理能力增强且价格便宜，基于个人计算机的监控系统开始进 入市场并发展壮大。大多数监控系统的开发都是基于组态软件平台的，组态软件作为个 人计算机监控系统的重要组成部分，具有广阔的发展空间。很多d c s 和p l c 厂家主动公 开通信协议，向p c 监控靠拢。目前，几乎所有的p l c 和一半以上的d c s 都使用p c 作为操 作站。由于p c 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人职守的远程监 视、数据采集与计量、数据分析到过程控制，几乎无处不用。各类智能仪表、调节器和 一3 一 数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能；而作为客 户机的监控组态软件则可以通过o p c 与各厂家的驱动程序无缝连接，故从根本上解决了 以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。同时，监控组态软件同样可以 _ _ 4 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 作为服务器为其他的应用系统( 女l l m l 5 等) 提供数据。随着支持o p c 的组态软件和硬件 设备的普及，使用o p c 进行数据采集成为组态中更合理的选择。 ( 2 ) 语言是扩充监控组态系统功能的重要手段。因此，大多数监控组态软件提供 了脚本语言的支持。其具体的实现方式分为两种：一是内置的c b a s i c 语言；二是采用微 软的v b a 的编程语言。c b a s i c 语言要求用户使用类似高级语言的语句书写脚本，使用系 统提供的函数调用组合完成各种系统功能。微软的v b a 是一种相对完备的开发环境。采 用v b a 的监控组态软件通常使用微软的v b a 环境和组件技术，把组态系统中的对象以组 件方式实现。并使用v b a 的程序对这些对象进行访问。 ( 3 ) 展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能的能力。 这种增加的功能可能来自于组态软件开发商、第三方软件提供商或用户自身。增加功能 最常用的手段是a c t i v e x 组件的应用。所以更多厂商会提供完备的a c t i v e x 组件引入功能 及实现引入对象在脚本语言中的访问。 ( 4 ) 软件的应用具有高度的开放性。随着管理信息系统和计算机集成制造系统的 普及，生产现场数据的应用已不仅仅局限于数据采集和监控，在生产制造过程中，需要 现场的大量数据进行流程分析和过程控制，以实现对生产流程的调整和优化。这就需要 监控组态软件大量采用“标准化技术”，如o p c ，d d e ，o d b c ，o l e - - d b ，a c t i v e x 和 c o m d c o m 等，使得监控组态软件演变成软件平台，在软件功能不能满足用户特殊要 求时，可以根据自己的需要进行二次开发。 ( 5 ) m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s ) 和e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 系 统紧密集成。经济全球化促使每个公司都需要在合适的软件模型基础上表达复杂的业务 流程，以达到最佳的生产率和质量。这就要求不受限制的信息流在公司范围内的各个层 次朝水平方向和垂直方向不停地自由传输。e r p 解决方案正日益扩展到m e s 领域，并且 正在寻求到达自动化层的道路。自动化层的解决方案，尤其是s c a d a 系统，正日益扩 展到m e s 领域，并为e r p 系统提供通讯接口。s c a d a 系统是用于构造全厂信息平台的一 种理想的框架。由于它们管理过程画面，因而能直接访问所有的底层数据；此外，s c a d a 系统还能从外部数据库和其他应用中获得数据；同时，处理和存储这些数据。所以，对 m e s 和e r p 系统来说，s c a d a 系统是理想的数据源。在这种情况下，监控组态软件成为 中间件，是构造全厂信息平台承上启下的重要组成部分。 ( 6 ) 现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。i n t e r n e t 将是实现分布 式生产的基础。组态软件将从原有的局域网运行方式跨越到支持i n t e r n e t 。使用这种瘦 客户方案，用户可以在企业的任何地方通过简单的浏览器，输入用户名和口令，就可以 方便地得到现场的过程数据信息。这种b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构可以大幅降低系统安 装和维护费用。 一5 一 东北火学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 水泥工业自动化技术的发展现状 自动化与工艺技术是相辅相成的，它为提高产质量、运转率和劳动生产率，降低能 耗、劳动强度，实现科学管理等提供保证，使企业综合技术经济指标达到最佳。监控技 术在水泥生产中起到越来越重要的作用，其应用现状主要体现在如下几个方面： ( 1 ) 生产过程参数检测与控制 目前，水泥生产过程检测点的设置已经比较成熟、完整。对应水泥生产过程特定要求 的专用检测装置从无到有，处于不断的开发、完善过程中。使用较广泛的如窑头看火工 业电视、窑头比色高温计、回转窑简体温度扫描，磨音检测、窑尾气体成份分析等。其 中有些专用检测装置使用方便、性能稳定，已获得广大水泥生产企业的认可，成为指导 生产的重要参数。但仍有一些检测应用还不十分成熟，如：生料均化库连续料位检测、生 料湿度( 水分) 在线检测、回转窑窑尾及分解炉气体取样预处理装置等。变频调速控制 器在机立窑或回转窑生产线均有采用。调速对象包括风机、输送设备、分格轮、圆盘喂 料机、水泵、空压机等，取代直流电机、滑差电机调速控制器或阀门后，维护工作量减 少，节能效果十分明显。在调节风量场合，则采用变频控制器，如篦冷机的冷却风机等 2 1 1 o ( 2 ) 自动控制技术 水泥生产的自动控制与过程优化是水泥企业增产、节能、降耗的关键所在。自动控 制技术在不同水泥工艺过程中均有应用 2 2 】，如生料及水泥的配料控制、磨机负荷控制、 立窑预加水成球控制、窑外分解窑入窑分解率控制、窑优化控制、篦冷机三元控制、增 湿塔喷水控制、喂煤及喂料的自稳定控制等。这些控制系统中采用了不同的控制技术与 算法，如自整定p i d ，前馈、比例、串级及自适应、模糊逻辑和专家系统等。 ( 3 ) 计算机生产控制系统【2 3 之5 】 8 0 年代建成的窑外分解生产线多采用p l c 控制动力设备顺序启停、过程检测控制则 采用常规仪表；9 0 年代建设或改造的大中型窑外分解生产线则采用d c s ，而中小规模水 泥厂计算机控制系统应用相对滞后，近几年新建或改造的生产线才开始采用。开放性使 得d c s ，p l c ，i p c 互相融合，而面向对象、以满足应用为目标选用控制系统的思想已 经得到用户的共识，p l c 与i p c 集成的控制系统应运而生。具有较高性能价格比的集成 系统推动了中小规模水泥厂计算机控制系统的应用，成为近期控制系统的主角。近几年 现场总线的发展趋势十分强劲，它的介入将改变现有控制系统的结构与模式。 ( 4 ) 生产与经营信息化管理系统 从8 0 年代中期的华新、宁国等水泥厂到近期的耀县水泥厂，我国的大中型水泥企业 或多或少进行了诸如管理信息系统( m i s ) 、企业资源规划( e r p ) 等信息化管理尝试， 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 更多的则是局部应用，如财务、人事、调度、销售等，企业应用计算机提高管理水平的 积极性较高。但使用结果往往是用p c 替代手工，效益并不明显。应该认识到，信息化管 理系统是一种全新概念的管理工具，只有形成新的管理模式与机制，促进企业趋向现代 管理制度，信息化管理的经济效益才能真正体现出来1 2 6 1 。企业信息化管理不可能一蹴而 就，企业根据具体情况，逐步建立开放的计算机网络，是比较切合实际的办法。如有的 企业把生产控制系统与化验室、调度室联接形成生产管理网络，投资少，利用率高，生 产管理效率提高明显。 作为传统产业的水泥工业将在可持续发展、产业国际化等方面顺应世界发展潮流。 高效、节能以及废物综合利用的水泥生产新工艺、环境保护、规模生产及参与国际竞争 等从不同的角度对水泥生产自动化技术、装备、企业生产管理信息化等提出新的更高要 求。现根据当前应用及发展趋向，对2 1 世纪前期水泥工业自动化发展作些分析【2 1 1 。 ( 1 ) 生产过程检测控制更加完备 ( a ) 自动化程度的提高首先反映在检测控制点的增加。 预计窑外分解生产线的检测控制点在未来2 0 年内将增j j n 4 0 。 ( b ) 装备智能化。 2 “无所不在的计算”将渗透到自动化系统的末端，嵌入式微处理器使检测仪表和控制 装置智能化，信息更加充分、功能更加完善。 ( c ) 水泥生产专用检测控制装置将推陈出新。 举例如下：烧成过程各关键点设置气体成份分析，不但有利于优化热工过程，而且 可以掌握有害气体的排放，符合环境保护要求；成像与测温相结合的监控装置，可用于 水泥窑，篦冷机内高温熟料的监控；细度在线监控装置；有效监控水泥、生料等粉体物 料的细度；新的磨内物料状态检测手段，不再简单地依靠磨音来推测磨内物料状态。 ( d ) 软测量技术快速发展。 针对水泥生产过程复杂多变，高温高粉尘的具体情况，许多重要参数直接在线检测 成本非常大。以系统辨识、模式识别、状态估计、机理建模及模糊聚类分析、回归分析、 神经元网络等各种新的控制、建模技术为基础，以计算机软件形式体现的软测量技术具 有投资低、响应快、应用灵活等优势，应用前景广阔。 ( 2 ) 开放的生产控制系统 控制系统的开放性越来越好，不同厂商生产的通用或专用控制系统连接更加方便， 企业内一台或几台计算机组成的“孤岛”将逐渐消失。同时，生产控制系统的趋同性增强， 各生产厂家的软硬件兼容性越来越好，d c s 与p l c 的区别不复存在。现场总线的介入将 改变现有控制系统的结构与模式，由于水泥生产控制中，过程参数只占少数的特点使生 产控制系统不可能单独由现场总线构成，可能的结构是面向应用采用多种开放网络组成 一7 一 东北人学硕十学位论文第1 章绪论 系统。尽管现场总线国际标准尚未最终确定，但发展趋势不可阻挡。新的控制系统组态 更加灵活，功能更加分散，一些常规控制分散到智能的检测或执行装置中，可靠性提高， 价格下降。 ( 3 ) 企业经营管理信息化、管控一体化 开放性使得生产控制系统易于与管理信息系统联成一体，控制管理一体化为信息化 管理系统的建立、信息集成奠定了基础，水泥厂的生产过程控制、生产管理及经营管理 对网络可靠性、安全性、实时性、传输速率等有不同的要求，所以，管控一体化系统将 由各种开放网络构成，但对于使用者是透明的。信息化管理系统将在以下方面为企业发 展提供新的动力： ( a ) 计划优化是信息集成的重要内容，对提高企业效益作用明显。 ( b ) 运用诸如管理经济学、运筹学等边缘科学，为资本运作提供最优的定量化管 理模式和决策系统。 ( c ) 建立包括生产流程每一个环节、每个工段的全过程质量控制系统。 ( d ) 以i n t e r n e t 为载体的电子商务使企业由面向业务改变为直接面向用户，电子商 务的进一步演变将分为电子业务和电子协作。 ( 4 ) 运用先进控制技术，有效控制如窑、磨等复杂对象 以自整定控制、最优控制、模型预测控制等为代表的先进控制方法将在生产过程的 各个环节普遍使用；而以模糊逻辑控制和专家系统为代表的智能控制技术将应用在回转 窑、磨机等复杂对象，实现水泥生产主机设备及主要生产过程的综合优化控制。先进控 制技术的应用不但可以稳定运行、提高产质量，而且对节能降耗、环境保护意义重大， 如窑优化控制可以稳定并降低烧成温度，减少n o x 的产生和排放。 ( 5 ) 全过程质量控制概念及相应的技术与装备 水泥生产质量控制不再仅仅强调生料、水泥的配料，而是涵盖每一个环节、每一个 工段，形成全过程质量控制的概念。核心的质量控制环节如：供应链管理。进厂物料、 燃料要求有更准确、完整的数据可供生产控制使用。从可持续发展要求考虑，将更加强 调不同品位矿石的搭配使用，使用计算机控制、管理矿山开采己是必然趋势。采用在线 连续分析仪可以检测原料成份，实现前馈控制，弥补目前长延时反馈控制所存在的实时 性差等问题，从而提高配料控制精度。成功的应用将在一定程度上减少预均化堆场、均 化库的作用，直至省掉预均化堆场或均化库。窑综合优化控制可以减少人为因素的影响， 达到烧成系统稳定运行、优质高产的目的。 1 4 本文的主要工作 本文依托国家“8 6 3 大型回转窑智能控制系统”高技术研究发展计划，开展了对水泥 一8 一 东北人学硕七学位论文第l 章绪论 回转窑监控软件的研究并进行了工程应用。本文的主要内容归纳如下： ( 1 ) 分析了水泥回转窑的工艺，并对水泥回转窑监控软件进行了详细的需求分析， 总结了需要监控的参数。结合需求分析，对水泥回转窑监控软件进行了功能设计、结构 设计和数据流的设计。功能设计包括运行监控功z f | 匕l - - , 和系统管理功能两部分，结构设计包 括图形界面系统、实时数据库、i o 设备驱动、控制功能模块、通信接口等部分。在此 基础上，对水泥回转窑监控软件的各个组成部分进行了详细的设计。 ( 2 ) 综合利用各种先进技术，结合现场实际情况，借助w i n c c 监控组态软件平台， 开发实现水泥回转窑监控软件。监控界面包括窑头系统、煤磨系统、窑尾系统等部分， 界面友好且具有系统检测、参数设定、设备监控、故障报警、数据处理等丰富功能，采 用实时数据库对现场数据进行高效处理，利用c s 方式建立分布式监控软件应用程序， 便于对多个工艺段同时监控。 ( 3 ) 在上述工作的基础上，以“酒钢( 集团) 宏达建材有限公司1 牟回转窑自动化改 造项目”为背景，设计了包括以太网、工业以太控制网、设备网三层网络结构的总体方 案，并对监控软件进行了工程应用。对关键段的网络通信采用冗余结构和光纤通信，使 系统安全可靠。水泥回转窑监控系统在工业现场稳定运行，证明了我们设计开发的合理 性。 _ - 9 _ _ 。 东北大学硕十学位论文第2 章水泥回转窑生产过程描述 第2 章水泥回转窑生产过程描述 2 1 水泥工艺流程简介 2 1 1 新型干法水泥生产过程 凡是以悬浮预热和预分解技术为核心，并把现代科学技术如：矿山计算机控制网络 化开采，原料预均化，生料均化，高效多功能挤压粉末技术、新型机械粉体输送装置、 新型耐热、耐磨、耐火、隔热材料以及i t 技术等广泛应用于水泥干法生产全过程，使水 泥生产具有高效、优质、节约资源、清洁生产、符合环境保护要求和工艺装备大型化、 生产控制自动化、实行科学管理的现代化水泥生产方法，称为新型干法水泥生产方法 3 1 。 图2 1 新型千法水泥生产工艺流程图 f i g 2 1t h et e c h n i c a lf l o w c h a r to fn e wd r y i n gc r a f tf o r c e m e n tp r o d u c t i o n 图2 1 即为新型干法水泥生产工艺流程图，图中虚框内的部分( 包括煤粉制备过程、 回转窑煅烧、篦冷机冷却过程) 即本文中所设计的水泥回转窑控制系统所控制的工艺过 程【2 7 3 0 1 。 东北大学硕士学位论文第2 章水泥回转窑生产过程描述 ( 1 ) 原料预处理过程 原料预处理过程主要包括原料烘干、原料粉磨、生料配料三个步骤。水泥用原料主 要有石灰质原料、硅质原料、黏土质原料。在水泥原料中，石灰质原料用量大约占8 0 左右，是水泥工厂的主要原料。原料中水分的变化直接影响生料混和料的成分，另外粉 状物料在水分较多时容易结块，影响配料及粉磨的顺利进行，所以要把它烘干。石灰石 经过破碎机破碎，与粘土混合，经过预均化堆场进行均化处理，它们的混合物再与砂岩、 校正原料( 主要有铁质、铝质、硅质校正原料) 通过配料系统的配比调配，即可进入生 料制备工序。生料配方的计算是根据熟料的质量要求推算生料混合料的化学成分，再根 据原材料的化学成分计算出符合混合料化学成分的生料配方。 ( 2 ) 生料制备过程 生料粉磨的细度与其成分配比、均匀性系数、水分等指标有关，是优质、高产、低 能耗生产水泥的前提条件。因此生料需经过磨制、均化等过程，以保证最终的产品质量。 经过预处理的原料以一定配比进入生料磨进行研磨，合格的生料粉磨通过进入磨机 的风带到生料均化库，进行均化处理；不合格的生料继续被研磨。 生料均化是靠具有一定压力的空气对生料进行吹射均化，通常在库底设置了充气装 置，充气后首先使物料松动，然后将物料流态化并翻腾搅拌，使生料混合达到均化目的。 ( 3 ) 熟料烧成过程 悬浮预热器充分利用窑尾排出的高温废气和分解炉底部燃烧产生的高温烟气，然后 经过最下级旋风筒收集入窑，提高系统的热效率，以降低系统的热耗，提高熟料产量。 五级悬浮预热器是一个气固逆流系统，由于单级预热器的热交换效果比较有限，采 用多级串联悬浮预热器能充分利用窑尾废气余热，窑尾产生的废气与生料反向流动，形 成气固混合、换