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    21世紀初中國水泥工業(yè)迎來了新一輪的增長和結構調(diào)整。為了在激烈的國際和國內(nèi)競爭中立于不敗之地，水泥企業(yè)需要采用工廠的信息化、自動化等先進技術改造水泥這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高管理水平，使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)突現(xiàn)新的行業(yè)效益增長點。浙江三獅集團作為浙江水泥的龍頭企業(yè)、國內(nèi)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“富陽三獅5000噸/天新型干法水泥熟料生產(chǎn)線項目”中采用了施耐德電氣公司基于Modbus TCP/IP的“透明就緒”方案作為其自動化控制系統(tǒng)。

    客戶的需求

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

    1．由于廠區(qū)面積大、站點多、控制設備范圍廣、通訊信息量大，因而要求控制系統(tǒng)網(wǎng)絡開放、支持遠距離通訊、網(wǎng)絡可靠性高，同時必須要求網(wǎng)絡通訊帶寬高。

    2．水泥生產(chǎn)的連續(xù)性強，過程控制和順序控制要求高，尤其是從生料入窯到窯系統(tǒng)要求各個環(huán)節(jié)生產(chǎn)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、高效，從而對控制系統(tǒng)提出了控制器能力要強，系統(tǒng)可靠性要高，不同環(huán)節(jié)之間實現(xiàn)信息共享要簡單而有效，同時要有高實時性的要求。

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

    通訊網(wǎng)絡

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

圖1

    實現(xiàn)這樣的工廠從上層到底層的協(xié)作鏈就需要工廠對各方企業(yè)資源建立完善開放的網(wǎng)絡，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)絡能夠接入系統(tǒng)。因此，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡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，介質采用光纖。網(wǎng)絡通訊速率為100Mbps，保證了系統(tǒng)大信息量的通訊，光纖自愈環(huán)結構保證了系統(tǒng)的可靠性，從容錯性上分析，該主干網(wǎng)允許一個斷點而不會影響整個系統(tǒng)的運行。采用開放的Modbus  TCP/IP協(xié)議有利于控制系統(tǒng)網(wǎng)絡與工廠的MES、ERP系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，以太網(wǎng)Modbus TCP/IP構建的開放的工廠網(wǎng)絡平臺使工廠的管理升級更加易于實現(xiàn)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，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、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，因而用戶可以通過Windows   IE瀏覽器瀏覽Web  server中的所有系統(tǒng)信息，同時還可以通過電話線遠程登陸或互聯(lián)網(wǎng)安全登陸到工廠，在任何時候，任何地方，第一時間了解工廠的工作情況。

“透明就緒”通訊棧

圖3

    通過I/O 掃描可以實現(xiàn)網(wǎng)絡上各個現(xiàn)場站的信息交換，由于采用了基于TCP/IP的Modbus主/從協(xié)議，因此只需經(jīng)過簡單的配置和采用讀寫請求的方式，而無須編寫程序，一改某些系統(tǒng)控制站之間的數(shù)據(jù)需要通過上位機編程來進行交換這種不安全的方式和復雜煩瑣的編寫通訊程序的方式，既減小了編寫程序的工作量，又提高了系統(tǒng)運行的可靠性。
系統(tǒng)的網(wǎng)絡交換設備采用NOS17100工業(yè)交換機，構架光纖環(huán)網(wǎng)以連接各個現(xiàn)場控制站。同樣，每臺NOS17100交換機都具有內(nèi)嵌網(wǎng)頁，可以通過IE瀏覽監(jiān)視進行管理。

    每個控制站的I/O網(wǎng)絡采用S908遠程I/O，具有可確定的I/O掃描時間和高實時性，通訊速率達1.544Mbps，恒定的通訊速率不會隨I/O站點的多少和距離的長短而變化。
 
    控制系統(tǒng)中窯尾和窯頭的儀表均采用現(xiàn)場總線通訊接入系統(tǒng)，數(shù)字化的儀表和通訊方式不僅提高了儀表的精度，也減少了接線工作量。

    現(xiàn)場控制站

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

    現(xiàn)場控制站采用了施耐德電氣公司的Modicon Quantum通用自動控制平臺，處理器采用140CPU43412A。其快速的指令處理能力非常適合水泥廠對高速離散控制和回路控制的要求，平均高于30萬小時的無故障時間也保證了工廠的可靠運行。
此方案針對水泥廠窯系統(tǒng)的特點，窯尾現(xiàn)場站和窯頭現(xiàn)場站采用雙機熱備方案，雙機熱備采用140CHS21000熱備套件，此熱備套件的特點是實現(xiàn)了在主站故障的情況下可以無擾切換到從站。

    中央控制室

    全廠設置一個中央控制室，實現(xiàn)從石灰石破碎到熟料散裝等主要生產(chǎn)車間的電動機和各種用電設備的順序邏輯控制、控制參數(shù)檢測、回路自動控制等功能，在中央控制室內(nèi)通過IFIX監(jiān)控軟件可以對所控制的生產(chǎn)車間進行管理和操作。
 
    下位機的編程軟件采用CONCEPT 2.5，對全廠的設備采用面向對象的編程方式自定義設備功能塊，同時CONCEPT 2.5自帶的32位IEC 模擬器提高了編程和調(diào)試的效率，節(jié)省了不少工期。

    中央控制室內(nèi)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(tǒng)應用軟件和實現(xiàn)對軟件的維護，在中央控制室內(nèi)設有工程師工作站（EWS），并配有激光打印機。

    結語

    在國內(nèi)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。