Geinus I／O总线技术及其在水泥厂的应用

1 概述
随着计算机软硬件技术的发展，计算机技术、网络技术在工业自动化领域起着越来越重大的作用。水泥厂由于其工艺特点决定了其用电设备复杂、工业环境比较恶劣，其自动化的实现要求可靠性高、抗干扰性强、稳定、实用和易操作。
Geinus I／O总线是美国GE Fanuc自动化公司推出的一种工业控制总线，它既是I／O总线又是通信网络，非常适合于大量I／O处理和数据传输。Geinus I／O总线稳定性极强，适于高速及长距离传送，是一种确定性和开放性的总线，是为工业环境中的可靠通信而设计的。Genius是一种将I／O监控系统与信息处理集成于一体的分布式I／O系统，是计算机控制技术、网络技术和通信技术综合发展的产物。
2 水泥厂自动控制系统设计要点
水泥厂的工艺是比较多样的，目前采用较多的是干法或湿法的回转窑水泥工艺流程，如图1。经过破碎处理后的石灰石和各种原料按一定的配比关系进入生料磨机，合格的水泥生料储存在生料库中以备下道工序；煤磨处理后的煤粉在窑内燃烧后形成高温火焰，放出大量热量，高温气体在窑尾高温风机的抽引下沿着回转筒体向窑尾流动；回转窑煅烧分为干燥、预热、分解、放热、烧成及冷却六个带，流程中预热与分解由五级旋风筒和分解炉进行窑外处理。在整个工艺生产中生料的配料决定生料质量，生料质量和烧成过程决定熟料质量，熟料及熟料配料最终决定水泥质量。
水泥厂由于其工艺特点决定了其用电设备复杂、生产环境比较恶劣，其自动化的实现要求可靠性高、抗干扰性强、稳定、实用和易操作，设计要点如下：
(1)可靠性和稳定性：高质量的采集控制装置，决定系统的安全性，是系统存在的意义。
(2)抗干扰性：用电设备和生产环境使抗干扰措施成为系统能否正常运行的重要环节。
(3)性能价格比：以最低的投资，获取最高的性能。
(4)适用性：满足并优化厂生产和管理。
(5)易操作和维护：全中文界面和信息，各界面结构简单合理，且维护方便。
(6)兼容性：系统是一软硬件一体化的整体，要求具有兼容性。
(7)扩展性：为系统的升级和技术改造的实现，留有可扩展空间。
(8)开放性：控制系统网络具有良好的开放性，易于管理。


3 Genius I／O总线3.1 Genius I／0总线结构
Genius I／O总线结构和传输如图2，适用于不同距离下的高速数据传输。


3.2 Genius I／0总线特性
提供全局数据(Global Data)和数据报文(Data gram)两种类型的信息传送方式；是开放的，通过与其它总线的接口，使用户现存的网络与Genius总线相连；总线的互连性已向下扩充到设备一级，具有现场设备级接口；具有与多种计算机操作系统的接口，软件应用具有最大的灵活性；通信当中出现的总线错误不防碍I／O系统的正常的连续操作和运行；在总线上可以使用几种不同的通信连接方式；总线采用调频(FSK)的方式对数据信号进行调制，使得总线的抗干扰性得到提高、传输距离增长；总线采用如下方法保证通讯可靠进行：每个数据被编码后，连续发送三次，接收方作三选二表决。接收完一个完整的数据包之后，接收方会对整个数据包作CRC - 6环冗余校验，一旦校验失败，数据包会被要求重发；通过多点连接(Multi - drop)将每个网站接入，构成总线型网络拓补结构，安全性强；总线支持冗余配置，包括通信电缆和I／(3模块。
3．3 Genius I／0总线技术指标
通信速率：153．6Kbit；Genius总线最长通信距离可达2．3公里；一条总线上最多可连接32台设备，包括计算机、PLC和其它设备；支持的物理介质包括双绞线和光纤；总线扫描时间独立于PLC扫描时间；对每个网站的数据吞吐量为：发送128 bytes，接收128 bytes。
4 DCS系统的结构设计
4．1系统结构
根据厂规模、各工艺流程的设备、生产工艺要求及各流程总图布局和生产管理的合理性要求等多种因素，系统的结构设计成一分散控制集中管理的集散控制系统，如图3。系统分设三级，即：现场设备信号级、控制站级、中央操作站级。通过Genius网络完成系统的通信，同时整个系统可通过以太网与厂上层管理网之间通信，实现资源共享。


1#6#中央操作站分别监控石灰石破碎／原料输送与储存流程、生料制备与储存流程、窑尾流程、窑头流程、煤粉制备流程、熟料输送和储备／zK泥制备与储存饱装流程六大块工艺流程段的生产。操作站互为冗余，且其中一台兼有工程师站的功能，另配置一台报警打印机和一台生产报表打印机。设置在中央控制室内，完成系统所有的操作、监视、报警、记录、存储和报表生成等功能。
1#7#控制站分别为石灰石破碎、原料输送与储存站、生料制备与储存站、窑尾站、窑头站煤粉制备站、熟料输送和储备站、水泥制备与储存／包装站。设置在现场控制室，选用GE Fanue的90 - 30系列PLC，完成系统的数据和信息的采集、处理和控制的功能。
4．2 系统配置
Genius I／O总线需要与运行在PLC或主计算机上的控制程序交换信息，通过总线控制器(GBC)、通信模块(GCM)或总线接口单元(GBI)，实现Genius网络。
以一个控制站为例，基本配置如下：CPU模块：IC693CPU352 PLC站控制器；I／O模块： IC693MDL645、IC693MDL940，数字量输入、输出模块；IC693ALG223、IC693ALG392，模拟量输入、输出模块；总线接口模块(GBC)：IC693BEM331； Genius网络电缆：屏蔽双绞线；Genius I／O总线终端插头：IC693ACC307；
操作站的基本配置：选用高可靠性的工业控制计算机，PⅢ或PⅣ机，大于20G硬盘，大于128M内存；Genius I／O IBM PC接口卡：IC660ELB921(单通道)，PCIM卡。
4．3 软件配置
包括总线接口模块的编程、PCIM卡的编程和 Genius网络监控的编程，前者使用GE提供的Logicmaster 90软件，软件具有提供系统的通信、诊断特性，通用的用户界面和特性设置、通用的梯形图指令集、I／O组态功能和可靠的通信功能。PCIM卡含串行接口软件和PCIM管理软件，串行接口软件和PCIM管理软件之间有一个公共存储区，即共享RAM区域。Genius网络的监控由上位机人机交换界面实现，选用Wonderware公司的Intouch软件实现；支持Windwods2000或WindwosNT4．1操作系统软件运行。
5 系统功能
系统通过Genius I／O总线实现对数据的采集／处理功能、控制功能和管理功能，通过软件体系实现。
系统采集的数字量信号有电气设备的手／自动信号、运行信号、各种故障信号、电源信号和设备启／停控制信号等；模拟量信号有温度、压力、物料流量、设备的电流等。
系统设现场手动控制、中央控制室遥控和自动控制三种控制方式。现场手动控制用于在自动控制系统停机、或PLC停机、或电气设备现场维护、或现场处理紧急事故时，最具优先权。遥控控制为满足安全生产要求，单台设备的启／停，不影响其它任何设备的状态，用于单台设备运行、试车、维修等工况。系统对任何一个工艺段、任何一台设备设计了故障联锁控制，并实现流程中电气设备及控制参数之间的全自动联锁控制。如：生料均化联锁控制、原料输送联锁控制、各原料仓料位联锁控制、生料磨机系统联锁控制、生料输送联锁控制、各生料仓料位联锁控制、窑尾喂料联锁控制、烧成窑尾联锁控制、烧成窑头联锁控制、窑主电机联锁控制、冷却机联锁控制、熟料输送联锁控制、各熟料仓料位联锁控制、原煤破碎联锁控制、煤磨联锁控制、煤粉输送联锁控制、各收尘系统联锁控制等。
对生产过程设置如下主要自动控制回路，实现手段采用专家控制策略、复杂调节回路和简单调节回路等。自动控制回路有：石灰石破碎系统负荷自动控制回路、生料(熟料)配料自动控制回路、生料磨磨机负荷自动控制回路、生料均化库自动控制回路、入窑喂料量自动控制回路、五级旋风筒出口温度自动调节回路、增湿塔出口温度自动调节回路、煤磨出口温度自动调节回路、窑头罩负压自动调节回路、冷却风机风量自动调节回路等。
系统具有各种管理功能，如自动／遥控／手动切换操作、操作员登录、“权限”操作等，并有误操作保护功能；按工艺流程分画面、分系统实时显示和监视各流程的运行工况，通过动态、变色、闪烁、数字、棒图及曲线的方式实时监视各电气设备、工艺参数的工况等；界面友好、全中文信息，便于操作和使用；对被测参数有实时／历史趋势功能，对重要电气设备的启／停、重要操作有记录功能，报警功能、打印生产报表和历史储存等功能。
6 系统抗干扰措施
(1)系统结构设计：系统拓扑结构采用树型的总线结构，一个分支上的干扰不会影响到其它分支上。操作站和控制站的各类设备和功能板卡选用具有高抗干扰特性的工业级产品。
(2)供电电源：由于水泥厂大负荷、高压等设备较多，这类设备的启／停往往引起供电网络线路负载突变，引起的电压波动对自控系统的设备威胁很大。采用由变压器副边一个供电支路对自控系统进行单独供电，并同时在供电支路上配置在线式 UPS电源，是很有效的措施。
(3)信号线路：采用信号线不与动力线平行敷设，使信号线免于强磁场的干扰；采用屏蔽电线(缆)、结合绞合敷设的方式；对桥架式敷设的现场，应使用双绞线或几何中心重合的四芯线(缆)；对采用穿管敷设的方式，尽量避开上下水、通风及工艺金属管道。
(4)过压保护：雷电、浪涌冲击、短路等现象的干扰常常对设备造成致命的威胁，隔离措施是过压保护功能实现的有效途径，可通过安装于设备的电源、信号等线路上的各种保护器实现。如德国 OBO、英国FURSE等公司的电源防雷器、通信信号防雷器、网络保护器、数据接口保护器等。
(5)系统接地：水泥厂常采用三相四线制的配电网络，其中最常用的又是中性点直接接地，按规程同时还要进行重复接地，设专用接地极，并在电源的馈线上增加一条中性线，只要保证专用接地极电阻值不大于4Ω，就可达到一定的效果。
7 结束语
根据水泥厂具体的生产工艺要求和生产规模，选择合适的系统结构及配置，实现相应的系统功能，是一个水泥厂自动控制系统成功的关键。Geinus I／O总线技术在DCS系统中的应用，优化了自动控制系统的结构，提高了可靠性，降低了成本。根据本文提出的设计内容和思路，已成功实现多个不同生产规模的水泥厂DCS系统，证明了Genius网络具有可靠性高、操作简单、维护方便等特点。
参考文献
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[2]冯勇．现代计算机控制系统[M]．哈尔滨工业大学出版社，1997．
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