Опыт комплексной автоматизации производства цемента

При всей важности цементной промышленности, она по уровню технологических и технических решений остается на периферии технического прогресса, что связано с практическим отсутствием конкуренции конструкторско-технологических центров, разрабатывающих новые технические и технологические решения, и высоким монополизмом на рынке производителей оборудования для цементной промышленности. Производителей небольших цемзаводов (производительностью 100 000 – 300 000 тонн цемента в год) имеется несколько десятков (это в основном индийские, китайские, немецкие и канадские фирмы), однако в техническом отношении все производители копируют оборудование ведущих производителей.

Для устранения этих недостатков необходимо коренное изменение состава оборудования цементных заводов с иными полезными свойствами и параметрами: полная автоматизация цемзаводов, снижение энергозатрат на спекание клинкера, вовлечение в технологический процесс энергии, содержащейся в отходящих газах и спеченном клинкере, которая на существующих цемзаводах рассеивается в окружающую среду.

В производственном комплексе, разработанном ООО НПП «Цемент – Новые технологии», помимо решения основной задачи (получение наиболее дефицитных строительных материалов), решается еще ряд экологических проблем, успешно внедрено несколько инновационных технологических, инженерных и конструкторских решений.

При разработке комплекса основное внимание было уделено выбору наиболее оптимальных (среди известных) процессов изготовления цемента по следующим критериям:

- минимальные затраты энергии (тепловой и электрической) на единицу получаемой продукции;

- максимальное использование вторичного тепла – особенно тепла отходящих газов и спекаемого клинкера;

- максимальная степень гомогенизации исходной шихты для получения цементов строго заданного химико-минералогического состава и физико-механических свойств;

- предотвращения выбросов пыли и/или максимального снижения их количества.

Комплекс состоит из двух функциональных участков: 

- участка спекания клинкера;

- участка активации цемента.

Участок спекания клинкера включает в себя оборудование для сушки исходных компонентов, их объемного дозирования, помола до фракций 0,15–0,2 мм, тщательного перемешивания (гомогенизации) и спекания для получения минералов – компонентов цемента (алюмосиликатов кальция).

Получение клинкера осуществляется по «сухой» технологии, что позволяет достичь существенной экономии энергоносителей и высокой степени «прореагированности» компонентов клинкера за счет их предварительной гомогенизации. Процесс спекания клинкера в шахтной печи с псевдоожиженным слоем позволяет значительно уменьшить занимаемые производственные площади и эксплуатационные затраты. Избыточная энергия шахтной печи используется на сушку компонентов и обогрев помещений, поэтому энергопотери сведены к минимуму.

Блок активации цемента включает в себя оборудование, позволяющее достичь высокой степени измельчения клинкера (0–80 мкм) и получать высококачественные цементы различного назначения. При использовании различных инертных наполнителей, а также активирующих и корректирующих добавок возможно получение кладочных и штукатурных смесей марки 150 – 200; цемента средней прочности марки 400 – 500 и высокопрочных цементов марки 600 и выше.

Для разработки проекта современной АСУ ТП мини-цементного завода была выбрана SCADA-система Trace Mode 6, предназначенная для создания полнофункциональных автоматизированных рабочих мест операторов технологического процесса. Основанием для выбора именно этой SCADA-системы послужила возможность применения единого инструмента разработки информационного и математического обеспечения как для создания верхнего уровня АСУ, так и для программирования контроллеров, реализующих нижний уровень в ­иерархии проекта автоматизации. 

Интегрированная среда разработки проекта позволяет разрабатывать многоуровневые распределенные АСУ ТП масштаба предприятия и допускает структурирование на четырех уровнях:

- уровень технологического процесса (полевой уровень или DSС);

- уровень контроля и управления технологическим процессом (контроллерный уровень или SOFTLOGIC);

- уровень магистральной сети (сетевой уровень);

- уровень человекомашинного интерфейса (SCADA/HMI или операторский интерфейс).

Полевой уровень формирует первичную информацию, которая обеспечивает работу всей АСУ ТП. На этот уровень адресно поступают и реализуются управляющие воздействия АСУ ТП. Оборудование полевого уровня составляют первичные преобразователи (датчики температуры, давления, разряжения, расхода, вибрации, уровня продукта в бункерах, газоанализатор СО2 и СО и т.п.), исполнительные органы и механизмы (дроссельные задвижки, регулирующие клапана, МЭО и др.).

Уровень контроля и управления процессом (SOFTLOGIC) выполняет функции сбора и обработки первичной информации (дискретных и аналоговых сигналов), автоматическое регулирование технологических параметров и программно-логическое управление ходом технологического процесса. Оборудование этого уровня обычно составляют программируемые контроллеры (микроконтроллеры), устройства связи с объектом (УСО), шкафы с контроллерами и вспомогательными средствами автоматизации и вычислительной техники. В качестве основного оборудования для этого уровня были выбраны модули удаленного ввода/вывода серии MDS (Modules for Distributed System) производства Научно-производственной фирмы «КонтрАвт» (Нижний Новгород), предназначенные для работы в составе распределенных систем сбора данных и управления технологическими объектами. Модули подключаются по последовательному интерфейсу RS-232/422/485 к COM-портам сервера. 

Для работы с дискретными сигналами выбраны восьмиканальные модули ввода/вывода дискретных сигналов – MDS DIO‑4/4R. Которые имеют четыре входных канала и четыре выходных. Выходы – электромагнитные реле с группой контактов на переключение.

Для ввода аналоговых сигналов выбраны модули MDS AI‑8TC – восьмиканальные модули ввода аналоговых сигналов, предназначенные для работы с сигналами от термопар и унифицированными сигналами тока и напряжения.

Уровень магистральной сети является связующим звеном между контроллерами и станцией оператора. В данном проекте для связи модулей MDS и сервера SCADA-системы используется промышленная сеть MODBUS.

Для связи сервера SCADA-системы и операторской станции используется стандартная сеть Ethernet (протокол TCP/IP).

Уровень человекомашинного интерфейса (SCADA/HMI). На уровне SCADA/HMI система АСУ ТП обеспечивает:

- визуализацию параметров технологического процесса и состояния оборудования;

- формирование критериев управления и управляющих воздействий и возможность их корректировки оператором;

- формирование и выдачу различных информационных сообщений;

- вывод значений технологических параметров на дисплей в виде графиков (трендов);

- архивирование данных и протоколирование хода технологического процесса;

- формирование и выдачу отчетной документации;

- протоколирование событий.

Графическое представление хода выполнения технологического процесса, а также управление им с помощью графических средств SCADA-системы является одной из главных задач разработанной АСУ. Графический интерфейс оператора реализован в виде набора графических экранов, объединенных в иерархическую структуру и являющихся неотъемлемыми компонентами проекта. Графическая подсистема обеспечивает наглядное представление текущего состояния объекта управления на экране дисплея и предоставляет технологу-оператору возможности по управлению технологическим процессом. Все они составляют иерархическую структуру.

После запуска монитора реального времени (МРВ) на экране дисплея появляется основной экран проекта (главный). Этот экран является верхним уровнем иерархии графического интерфейса оператора.

На экране (рис. 1) отображается полная мнемосхема технологического процесса производства цемента сухим способом.

Основная задача главного экрана – визуализация состояния технологического оборудования:

- для вибролотка отображаются сигнал датчика нижнего уровня, состояние двигателя (вкл./выкл.);

- для каждого бункера на экране отображается информация о срабатывании датчиков верхнего и нижнего уровней и положении шиберного затвора (откр./закр.);

- для питателей, шнеков, прямоточного и противоточного сушильных барабанов, гранулятора, элеваторов – состояние двигателя (вкл./выкл.).

Основной технологической операцией процесса производства цемента является спекание шихты в печи-реакторе псевдоожиженного слоя ПКСГ для получения клинкера. Для поддержания стабильного процесса в реакторе, позволяющего получить продукт заданного качества, необходимо строго контролировать параметры процесса спекания и подачу воздуха и газа в печь.

Эта задача возложена на три экрана следующего уровня иерархии, которые позволяют осуществлять мониторинг многочисленных технологических параметров процесса спекания, контролировать подачу воздуха и газа в печь, а при необходимости их регулировать:

- «Печь – мнемосхема управления» (рис. 2);

- «ЦНВ – мнемосхема управления» (рис. 3);

- «Тренды».

Экраны представляют собой всплывающие окна в стиле Windows. 

Основная задача мнемосхемы «Печь» – отображение текущих значений, получаемых с датчиков технологических параметров, что позволяет оператору своевременно реагировать на возможные неполадки в ходе технологического процесса.

В проекте контролируется пять типов технологических параметров:

- температура;

- давление;

- расход воздуха и газа;

- содержание СО2 и СО в дымовых газах;

- вибрация.

Для исполнительных устройств (регулирующих клапанов и задвижек) наряду с индикацией положения исполнительного органа на мнемосхеме размещены кнопки вызова экранов ручного управления (это следующий уровень иерархии), позволяющих при необходимости вручную корректировать параметры технологического процесса. Подробное описание работы с экранами ручного управления см. ниже.

Кроме этого экран позволяет задавать уставки для ряда технологических параметров (температура кипящего слоя, коэффициенты расхода воздуха для основных управляющих устройств), установить ручной или автоматический режим управления подачей газа. Указанные операции выполняются с помощью кнопок, расположенных в верхнем правом углу экрана.

Основным агрегатом, обеспечивающим подачу воздуха в ПКСГ, является малонапорный нагнетатель ЦНВ 200/1,6. На разработанной мнемосхеме отображаются текущие значения основных параметров, характеризующих работу ЦНВ:

- температура подшипников;

- вибрация подшипников и корпуса нагнетателя;

- давление масла в маслопроводе;

- давление воздуха на выходе из вентилятора;

- положение заслонки всасывания;

- положение противопомпаж­но­го клапана;

- положение задвижки нагнетания.

Три кнопки, расположенные в левом нижнем углу экрана, позволяют выполнить автоматический запуск нагнетателя, его нормальный останов, а при необходимости ­перейти в режим ручного управления работой нагнетателя. В режиме ручного управления оператору-технологу предоставляется возможность регулировки положения заслонки всасывания, задвижки нагнетания и противопомпажного клапана. Положение исполнительных механизмов индицируется на экране. Кнопки в нижней части экрана позволяют включить/выключить приводной электродвигатель и пусковой маслонасос.

Переход на экран «Тренды» осуществляется нажатием на кнопку «Тренды» Главного экрана. Он наиболее интересен оператору-технологу, так как позволяет проследить динамику изменения значений всех контролируемых системой технологических параметров во времени, а также для отображения данных архива. Контролируемые параметры для удобства технолога разделены на четыре группы (в зависимости от типа параметра):

- температура (ОС);

- давление (МпА);

- разряжение (КпА);

- расход (м³/мин).

Для удобства оператора на тренде, отображаемом при переходе на экран по умолчанию (технологический), представлена выборка наиболее важных для технолога пара­метров различных типов. Для перехода к просмотру того или иного тренда используются соответствующие кнопки в нижней части экрана.

Ниже по иерархии располагаются графические экраны ручного управления, отображающие состояние отдельных технологических узлов и агрегатов и позволяющие оператору-технологу в ручном режиме управлять работой данного оборудования. Такие экраны представляют собой всплывающие окна в стиле Windows.

Для разработки программ в проекте использовались два языка программирования – Техно ST и Техно FBD. На рис. 4 представлены примеры разработанных программ. Спектр возможностей этого сочетания достаточно широк.

При работе АСУ могут возникать различные аварии: неисправность датчика, обрыв линии связи, выход из строя контроллера/компьютера, выход параметров техпроцесса за установленные границы и т.п. Чтобы обеспечить непрерывность процесса, система управления снабжена средствами обнаружения и обработки аварийных ситуаций. В проекте с этой целью используются следующие средства: 

- автоматическая установка признака аппаратной недостоверности для всех аналоговых каналов (связанных с аппаратурой ввода/вывода) в случае сбоя при обмене данными;

- автоматическая установка признака программной недостоверности аналоговому каналу при выходе его значения за установленные пределы;

мониторинг значения каналов FLOAT – для этих каналов задаются 6 границ, с помощью которых возможно своевременное обнаружение нештатного состояния процесса;

- мониторинг событий (в том числе аварий) с помощью канала класса Событие.

Проект располагает средствами, позволяющими выполнить во время работы системы АСУ ТП действия, направленные на предотвращение возникновения и/или развития аварии. К таким средствам относятся, например, возможность включения аварийной сигнализации, выдачи рекомендаций оператору, блокировки и т.п. Информация о состоянии процесса может быть сохранена в архиве и в отчете тревог. 

Предусмотрены:

- прекращение подачи газа в печь при падении давления в магистральном газопроводе;

- подача воды в сушильные барабаны при прекращении подачи сырья;

- остановка взаимосвязанного оборудования технологической цепочки при аварии одного из агрегатов;

- кратковременный останов пе­чи и др. 

В наших дальнейших планах:

- использование модуля T-FAC­TORY для контроля технического состояния основного и вспомогательного технологического оборудования;

- разработка программы взаимодействия с реляционной базой данных Microsoft SQL Server 2005 Express Edition (свободно распространяемая версия) для формирования ряда отчетных документов по требованию заказчика.

С.В. Выхованко, генеральный директор,

В.С. Выхованко, заместитель генерального директора по ИТ,

Г.В. Половинкина, зав. лабораторией математического моделирования и АСУП,

ООО НПП «Цемент – Новые технологии», г. Волгоград,

тел.: (8442) 49-30-85,

e-mail: gendirector@cement-hightech.ru