张卫民：自动化领域最新发展趋势和水泥行业的应用

　　在国家倡导“两化融合”的大背景下，水泥发展必然也需要走出一条属于自己的“生产-管理”智能一体化道路。中国水泥网将于6月15日（6月14日全天报到）在江苏南京举办2013第六届中国水泥信息化与自动化高峰论坛，会议将以“智能化管控”为主题，围绕水泥行业电子商务拓展；多元化发展的信息化建设；自动化专家系统；自动化先进控制等重点问题展开探讨。

　　现将中国水泥网高级顾问、自动化专家张卫民对自动化领域的最新发展趋势及其在水泥行业的应用的判断和观点分享给诸位。

　　我国水泥工业和其他流程工业一样，面临着市场和能源，清洁生产和环境保护，高效和规范，负责和协调的挑战。节能、环保、安全、高效是每一水泥集团必须要面对的课题，而自动化技术和这四大目标又是紧密相连，本文将就当今自动化领域内和水泥行业有关的最新发展趋势做一简述，以便为我国水泥工业发展，搭建更为广阔的交流和沟通的平台。

　　一．信息技术推动自动化

　　以信息技术改造水泥行业，以信息化推进自动化，自动化再促使节能、环保、安全、高效四大目标的实现，已成为业界的共识。

　　国内一些大水泥集团诸如中国建材、中国中材、海螺水泥、山水、冀东、华新、华润、金隅、亚泰、台泥等，在当前竞争不断加剧的压力下，也紧跟这股信息化的潮流，推进自动化的发展，这些集团在现有的水泥生产线已经应用数字化控制系统（DCS/PLC)配置同时，在过程控制级（PCS）的上端，还增加了制造执行系统（MES ）层，并正在策划和运作ERP，即企业资源规划和管理层。MES是企业管控衔接的核心环节，是管理信息系统和生产过程控制系统的纽带， 制造执行系统包括有生产管理系统、质量控制系统、采购管理系统、仓库管理系统、销售子系统、设备管理系统、财务管理系统、能源管理系统、环保检测系统、安全管理系统、办公自动化管理系统和综合管理子系统等，通过这些子系统逐步实现“管控一体化”。

　　当今在水泥市场供大于求，产能过剩，竞争激烈的形势下，某些大水泥集团由于初步实现了MES的运营，其集团化管理的控制力和执行力明显提高，精细化运行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，实现了综合效益的大幅增长。笔者认为水泥生产是连续性很强的流程工业，其生产实时性，季节性强，品种又较单一，生产中干扰因素多，它基本不以订单来计划生产，故一些专业软件公司开发的MES软件往往不能完全适应水泥行业，水泥集团大多是自己在开发MES，集团之间信息透明度还不够，正在运营的MES，应该还是初期的，同时要把生产调度和企业领导的决策统一成为真正的企业管理级（ERP）还需要进一步开发，主要问题是企业对工业控制系统、部分管理系统如财务、销售等较为重视，通常对生产环节的管理信息化重视不够，未能实现综合的业绩指标。

　　国外一些大的建材企业研究应用MES已取得了一定的成效，如海德堡集团，该公司通过采集生产流程数据以及有关原材料，资源和半成品和成品等相关数据，追踪流程绩效、成本结构以及对环境的影响，再确定关键的绩效指标，又返回来通过过程自动化来指导生产，而一些自动化公司则推出了MES的执行方案，将流程行业企业的目标更加高效地在生产层中得到执行，如Honeywell公司在石化、电力领域内应用的Business FLEX，PKS 等。

　　二．自动化技术的互补与渗透

　　DCS、PLC、IPC是自动控制领域的三大支柱，它们之间竞争激烈，但又取长补短和相互渗透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，某咨询集团把其称之为PAC。水泥行业作为较典型的流程工业决定了其开关量逻辑控制的主导地位，同时模拟量的处理多为简单的显示和给定，控制回路基本上为并不复杂的单回路调节，这些特点适合于HCS的应用。目前市场以PLC为主导地位的ABB、Siemens、Schneider、Rockwell等公司纷纷推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，如Siemens的PCS7，ABB的800xA、800F，800M，Schneider的Modicon Quantum，Rockwell的ControlLogix等，已作为主导产品在水泥行业推广，并已取得不俗的业绩。

　　混合系统HCS的主要特点是：构建一个公共的、集成的开发环境，提供通用开发平台、共用标签和单一数据库，以满足多领域自动化系统设计和集成的需要；

　　同时它采用了可自由组合的模块化的硬件架构，减少系统升级带来的开销。它支持IEC61158等现场总线国际标准以实现高度分散的自动化环境，也支持事实上的工业以太网标准，可方便地和上一级的ERP、MIS、MES集成。 水泥行业用得较多的ABB的800xA、800F系统，能与与ERP连接，ABB还针对水泥，矿产部推出了KM系统(knowledge manage)，它主要是生产报表系统再加上化验室系统，据悉华新集团正在应用KM系统，ABB与国外经典ERP厂商SAP有合作关系，但由于SAP价格过于昂贵，目前国内没有应用，国内各大水泥集团，如能进一步改善开发环境，不断积累实践经验，研发专家系统，可实现集团的MIS和MES更完整的集成，最终达到以“管控一体化”为目标的ERP。[Page]

　　三. 自动化系统更注重功能和信息安全

　　安全生产越来越引起人们的关注，人的生命高于一切，已成为衡量现代工业的重要指标，对于安全事故多发的我国，意义更为重要。自动化控制系统主要考虑的安全有：电气安全、防爆安全、信息安全和功能安全。信息安全是指由于信息泄密、黑客入侵等系统的安全性；功能安全是指控制系统所执行的安全功能失效引起的可能危险。目前已相继出台的国际标准有IEC61508-电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全标准，IEC61511-关于过程工业领域安全仪表系统的功能安全标准，一般以整体安全等级SIL来评估风险程度，共有4级，安全等级SIL越高，风险就越低。

　　水泥行业已大多采用新型水泥干法工艺，它是连续性很强的工艺过程，并已实现了计算机系统的顺序和连锁控制，笔者认为新型干法工艺其安全等级是较高的。要进一步提高整体安全等级必须增强故障诊断环节；人机操作界面要便于故障的监测；对生产规模越大的生产线，如日产万吨熟料的生产线系统配置要提高冗余度，另外信息安全也必须高度关注，要特别增强煤磨车间的防爆安全等级，对于设置低温余热发电的企业，整体安全等级SIL要高于一般企业。

　　在自动化领域内现今纷纷出台了相应的标准产品，如Siemens的故障安全容错S7F/FH系统，Rockwell的Gruard  PLC等，有的公司则配置专用的安全模块和相应的组态软件，并由被动的维护、诊断发展到预防性安全措施，与此相适应还出台了许多安全协议，如PROFIsafe、CIPsafety等。

　　四. 控制系统由集中向分散化发展

　　智能化分布式I/O是将某一部分I/O组成一个有自治能力的节点，其本身带有处理器，独立完成某一部分的控制。由于组合在一个框架内，它可直接安装在现场，甚至空间十分有限的地方，但它同时又可链接到中央计算机，从而将控制系统从传统的三层结构简化为二层结构。许多有名的PLC厂商大都推出了分布式I/O，如Siemens的ET200系列，Rockwell的Flex ArmorI/O， Wago的WAGO-SPEED WAY 767等高速智能I/O。

　　智能化分布式I/O将使水泥生产线的系统配置可更趋扁平化，原设置的远程I/O场合，如矿山、预配料站等可用智能化分布式I/O替代，以节省I/O安装电缆和控制系统整体的开销。

　　五. 无线通讯技术进一步渗透控制领域和无线变送器的应用

　　无线通讯技术作为有线控制系统的补充，正方兴未艾地用于工业自动化系统中，也是工业自动化产品一个新增长点，运行于2.4GHz 1SM波段的跳频扩频（FHSS）无线传输技术具有优良的抗干扰性和高可靠性，无线局域网和无线网状网络扩大了无线传输的覆盖范围。无线通讯的数据安全性是人们所关心的，但可以通过加安全密码和加密密码等一系列措施来确保数据的安全传输。目前如霍尼威尔，艾默生，ABB等有许多无线变送器和相应无线控制系统配套产品，无线控制技术的标准也正在制定和统一，如无线温度压力变送器，无线雷达液位计等，无线标准有HART基金会推出的HART无线通讯新协议ISA100和WIA-PA等。

　　无线通讯技术现在汽车、石化、水处理等行业有较多应用，在水泥行业，有的大集团局部辅助流程也采用了无线技术，如冀东水泥集团在循环水泵站已采用了无线控制，浙江有些水泥厂采用无线控制装卸散装水泥船等，考虑到有些水泥厂占有的物理空间很大，有些工艺测量的位置难于安装，而有些工艺测量点环境十分恶劣，用传统的硬连线安装器件成本又过高，如果改用无线变送器能够节约能源，减少配线和维护费用。

　　六. 人机界面更趋人性化

　　人机界面已全系列化，包括手持式、面板式、台式和PC机式。今后的人机界面已不仅仅局限于SCADA以及编程、监控和诊断等，在工业自动化领域，人机界面可以为操作和管理人员提供越来越多的信息，功能强大的模块化软件和多客户机/服务器结构，使人机界面成为企业实时生产信息以及商务垂直集成的统一的软件平台，它也是连通到外部世界的媒介。通过驱动器或OPC来驱动各种I/O模块，总之人机界面已演变为一个完整的系统。国内某水泥集团MES的运营，集团化管理的控制主要依靠是多种人机界面，通过OPC实现了集团内各个水泥生产线之间的信息交换，也实现了主控系统和各子控制系统的互连，如生料质量控制系统等。[Page]

　　七．中子式活化分析仪

　　由于X射线荧光分析仪组成的生料质量控制系统并不能做到真正的“在线”实时分析，为进一步稳定生料质量，减少或取消原料中间储存的环节，简化流程，国内一些水泥厂采用了前馈控制用于质量控制，即用γ射线分析仪对运行中的皮带机上的物料进行实时分析，根据分析结果进行各种计算，最终在线给出各种原料配比，控制各种原料的喂料量，以保证实际控制的各项质量参数跟踪设定值。美国热电公司开发的跨带式CBX的中子式活化分析仪，可以在线调节配料，减少了原料的成分波动， 使得工艺的波动降到最低.，同时对原料的分析以及控制是实时的高频的工艺过程控制，使得原料的配料均化效果达到最佳结果. 用它可以降低或省去预均化堆场的投资，下图是云浮天山项目的一个具体案例。它还可将分析结果反馈到矿山开采运输上，实施开采的质量控制，做到合理开采，有效保护矿山的资源。

　　八. 变频器性能更加扩展

　　变频器的应用领域已从常规的风机、泵类等拓展到输送、喂料机械等，在行业应用面上也越来越广，因而其功能也进一步提升并多样化，一方面是全数字化、功能齐全、能够补偿负荷变化的自适应、调谐技术，特别是分布式具有通信、联网功能和集成PLC的高端变频器。另一方面是简易或专用的变频器以及机电一体化的变频器。就开展控制技术而言，DTC直接转矩控制、无传感器矢量控制是发展方向，目前速度响应约为2ms，电流响应能达到 0.1到0.5ms。速度调节的发展趋势是提高速度的控制精度，一般在闭环时，对应于全范围，调速比为1:100或更高时，速度控制精度高达0.05%。另外变频器性能在低速时的过载能力，稳定的、四象限运行能力以及一机驱动多台电机的负荷平衡等方面也有所增强。

　　在水泥行业为实施节能降耗，在风机、泵类、输送设备、喂料机械等已广泛应用，如何在低速时经受较大的过载转矩，降低对电力系统的干扰，提高中压变频器的性价比是对制造商提出的课题。现在各大水泥集团大多采用国产中压变频器作为中压变频器的首选方案，由于性价比较高，目前已在对国外的EPC项目中普遍采用。

　　九.看火工业电视和窑内红外测温系统合二为一新型的自动化装置

　　由于比色测温效果并不理想，现在市场有引进的测烧成带温度的红外高温计和看火工业电视合二为一新型的自动化装置问世，看火工业电视显示包括烧成带温度在内的各点温度，节省了为比色高温计设置的冷却和清扫装置，同时监控更为直观，主要用于不间断地实时检测水泥窑内煅烧情况，并和DCS系统通信。它不是最新技术，但随着通讯技术的进步，实时检测更有效，对窑系统的优化控制起到积极作用美国的SYN-FAB公司在国内钢铁行业已广泛应用，在水泥行业也开始采用。

　　十．电能管理系统

　　电能管理系统应该是MES一子系统，水泥企业是能源大户，以吨水泥电耗90千瓦时测算，电力成本占成品比例高达20%，降低电费成本对于经济生产和节能减排都具有重要意义，本文单列为一节。目前大部分水泥厂均已经建立了能源管理机制，但电能的计量还是以人工抄表为主，对于现代化的企业管理已经相对十分滞后。

　　采用电能管理系统，准确、快速、经济的获得用电回路的各类数据是进行用电分析、负荷管理、表计运行状况监测、电费自动结算的基础。同时也是提高企业经济效益的有效手段。

　　十一．结论

　　随着国家宏观经济方针的战略性改革调整，水泥产能过剩，水泥工业发展将不如过去，但IT，通讯技术，传感器技术将会以更快速度发展，也一定会推动中国水泥工业自动化水平更进一步发展和提高，以尽快实现节能、环保、安全、高效这四大目标，同时由于EPC项目将在未来几年中占据主导地位，我们将推动世界水泥工业自动化的发展和提高。