水泥厂模拟和动态数据通信使用NI labview和matrikon OPC外文翻译资料

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水泥厂模拟和动态数据通信使用NI labview和matrikon OPC

作者：Bala Murugan s 2012年10月

在本文中，提出了一个在LabVIEW平台上设计的水泥厂模拟器。 该模拟器生成了过程数据和水泥行业所有生产线的电气参数。模拟设计是普遍适用于各种水泥厂。 客户端 - 服务器架构建立和生成的参数传送到Matrikon OPC客户端。单线图的电气水泥厂的分布也使用MS Visio开发。一个独占的用户界面已经设计并且用于详细监测和分析电气参数。每吨千瓦时消耗量和百分比消耗的能量已经以列表形式而呈现出来。还有，能够将所有的过程和电气数据导出到NI Citadel数据库。所以，可以在单一设计中，将所有相关的关键绩效指标（KPI）进行计算和显示。

关键词：过程数据，电气参数，Kwh /吨消耗，OPC，客户端 - 服务器，单个线图，KPI。

  1. 简介

水泥是构成建筑物的最重要的的成分之一。水泥提供保持另一个的化学材料的化学键从而一起形成一个密集的岩石物质。由于水泥是最大的建筑行业消耗材料，它必须产量巨大。同时，水泥的生产是高度的能源密集型过程。 水泥生产行业的能源消耗占了世界总能源的2％。

关于如何监测和优化水泥工艺厂的各种研究工作已经完成，同时，许多研究论文和文章已经出版发行。参考文献[1]提出了新的电压配电系统由69 kV高电压系统和2400 V至4160 V介质电压系统。这也解释了干法回转窑工艺比湿法回转窑工艺和分离器好得多应安装在修磨机中进行改进的能力。在参考文献[2]中，一种新颖的控制算法被开发，用于确定送入生磨机混合物原料的比例。该控制算法使用奇异值分解计算原料混合比例。在参考文献[3]中，已经有几个提供控制并能进行优化的软件在碾磨机和窑炉上进行实施。这些控制系统的目标是在于最大限度地提高稳定性，生产率和效率。参考文献[4]中的关于新兴工艺水泥厂的控制系统。它解释了如何使用PLC作为继电器控制系统的替代品，如何使用PLC和DCS的组合监控来有效的控制各种流程水泥厂。该文章也抛出关于工厂资产管理方面的问题，其中控制系统控制包括机械设备，计算机，网络，驱动器，电机和过程仪器仪表。而在参考文献[5]中，他们设计了一种建模方法用于精磨机的两腔球磨机。模拟确定破损率然后调整球尺寸。这个导致产能使用效率提高，从而减少整体的单位能耗。参考文献[6]已经提出了一个新设计的Pyro处理单元，这减少了二氧化碳的产量。 在炉内煅烧阶段，CaCO3和MgCO3是分解成CaO，MgO和CO2，不使用任何燃料，因此，一股纯净二氧化碳气体的热流得以被重新的循环使用。

在本文中，已经有一个为整个水泥加工厂开发的监控系统的软件平台--LabVIEW平台。 它可以模拟设计产生过程数据以及电气参数为不同的监测点。 可以对电气参数进行详细的监控和分析，适用于所有现在使用的机器和设备不同的车间，这有赖于其专门设计的用户接口。 这些过程和电气参数也被导出到一个数据库，所以过去的数据可以被引用和分析。 另一个重要特征的设计中所有的参数都有Matrikon OPC客户端通信客户端 - 服务器架构的帮助。 所以，从OPC，所有传达的数据可以进一步传递给仪表板，工厂经理可以通过其查看所有图形和图表中动态变化的数据。

该设计是完全自动化的普及。 所有的初始输入的规格从输入到系统中到加载到模拟中都会生成对应Excel文件。 所以，制造商任何工厂都可以修改这个文件，使设计更加适合他们各自的工厂。

由于提出的设计产生了所有的所有车间的过程和电气数据，它可以进一步研究各种生产特点和优化过程。

  1. 水泥工艺设备

2.1车间线

典型的水泥行业有九条线联合工作。有六条主线粉碎机（CR），生磨研磨机（RMG），化石燃料研磨机（FFG），热处理器（PP），完成研磨机（FGR）和包装机（PCK）。 还有，有三个二级车间，备用燃料准备（AFP），实用程序（UTL）和非生产线（NP）。 每个这些研讨会进一步由不同的子部分组成，具有自己单独的投入和产出。

破碎机用于将从采石场获取的原料粉碎成较小的颗粒，通常并入初级和次级。因此，它们也被称为初级和次级破碎机。 生磨机首先将三种投入物料，即石灰石，粘土和铁矿石按照适当的比例混合，然后，再研磨混合物，这样就得到了存储在生料磨料仓中的细粉料。 热处理器单则包括预热器，回转窑直流驱动和回转窑吹风冷却器。 然后，将精细分散的混合物通过预热器，其中，发生大部分脱羧作用，如化学反应式（1）所示，石灰石被转化为二氧化碳释放以及生石灰，反应的温度保持在800℃左右。

CaCO3 = CaO CO2 (1)

在窑炉中，温度范围为1400 - 1500℃，来自化石燃料研磨机的煤用作主要燃料。 另外，替代燃料可以从备用燃料准备单元使用。 输出的原料被称为熟料，然后在窑冷却器部分冷却并储存在熟料筒仓中。 精磨机组由一个巨大的水泥磨机组成。 该厂将熟料，矿渣和石膏作为输入，并生产出硅酸盐矿渣水泥（PSC）为输出。 然后将该水泥送至包装机，包装机连续运转，生产各50公斤的标准水泥包装袋。实用程序单元由照明，压缩机和HVAC组成。另外，还有非生产单元。

2.2能量分布

水泥行业被认为是与钢铁、造纸和石化行业同等级别的能源行业。 硅酸盐水泥生产成本中能源成本的百分比为20％至30％。 如果能源成本下降，制造成本下降，从而增加公司的利润。 一般情况下，水泥加工厂有2.1中所述的九条车间。

每个车间都根据车间使用的机器和设备的电机额定值，消耗不同的能量。 在工厂中主要使用两种不同形式的能量，即热能和电能。 磨光机磨耗最大量的电能。 另一方面，由于从煤和其他替代燃料中提取能量，热处理器消耗大量的热能。 磨光机消耗大约60％的总电能，热处理器消耗大约90％的总热能。 影响能量分配的另一个因素就是是二氧化碳排放。 本文则讨论了电能分配和消耗。

3.建议的水泥厂设计

3.1动态仿真

所提出的架构是水泥工艺工厂的高度自动化解决方案。 它已经在LabVIEW平台软件版本2009上开发。仿真模型生成实时过程和电气数据，设计效率高，用户友好。

不同的水泥厂则使用不同电机额定值和规格的各种机器和设备。 而在设计架构时，就已经考虑到了这一点。 有一个Excel数据库，其中所有的输入参数和规范都已预加载，并且该文件适用于拟议的模拟模型。 操作人员可以在Excel文件中修改操作电压，kW等级，原材料吨数等规格，着就使得设计与实际工厂类似。因此，提出的模型是通用的和模块化的。

该架构有两个主要部分 - 输入配置和监视进程。 因此，首先，操作人员必须进行配置输入。 它包括破碎机、生料磨磨机、化石燃料研磨机和粉磨机的主要驱动器的类型和负载系数。 此外，运营商还要输入他想生产的水泥产量。

操作人员可以在Monitor进程UI中监视整个工厂，如图1所示。它显示了每个车间的过程数据和电气参数。 该设计是完全动态的，这些参数每秒就会更新一次。在不同车间之间有储存罐。为了避免这些储存罐容量的溢出，在窗口的右上角则提供了紧急暂停控制按钮。 这些暂停控制按钮就可以在车间一级的任何时间进行配置，用以停止该车间的生产过程。 这样，在车间发生任何故障、短路或者在任何紧急情况下，这些暂停控制按钮也都是有用的。 在屏幕的右下方有一个主控制按钮则用于停止整个工厂的生产过程。此外，在屏幕右上角还有一个状态指示灯，用于指示工厂的实际生产状态。

图1 监视进程UI界面

3.2单线分配[SLD]配电

在监视器进程窗口界面中，操作员可以使用View SLD控件打开SLD窗口界面。 单线图[SLD]表示整个水泥厂的电气分布。 它是在Microsoft Visio软件版本2007上开发的。

所有九条线路的车间按照系统的顺序排列，如图2所示。每个车间由主驱动器，辅助设备等各种部件组成，这些子部件由SLD中的电机表示。 变压器用于降压。 各种工作电压为20KV，6.6KV，3.3KV和400V。

SLD有三种不同的仪表。 基本仪表用于车间的所有机器，设备和零部件。 这些仪表将在不同的工作电压下工作。在车间一级使用二次表。 它用于累积基本仪表中所有参数的值。 每个车间将有一个二级仪表。 主要仪表是水泥加工厂的主要仪表。 它将累积二次仪表中所有参数的值。 因此，主仪表将显示整个工厂消耗的总电能。 整个工厂只有一个主要的电表。 在SLD中，当前值已显示在每个仪表附近。

用户可以实现SLD窗口中使用的断路器。 当他使用任何断路器时，所有后续的仪表将与电路断开连接，并且受影响的仪表的当前值将变为零。

图2 SLD界面

3.3电表

该窗口界面用于对工厂使用的所有设备的电气参数的详细分析。 当操作员点击Monitor Process UI中的显示仪表控件时，就会打开一个新窗口，如图3所示。它共有九个不同的选项卡，代表九个车间，每个选项卡都将为每个子部件设置电表。

仪表显示的是电气参数，如电流，操作电压，功率（KW），能量KWh和KWh /吨消耗。 此外，每个仪表中还有一个手动开/关和复位控制。 手动开/关可用于关闭仪表，使电流和功率值变为零，能量和KWh / tonne值变为停滞。 此外，操作者可以使用复位控制来复位所有的值。 当在SLD窗口中实现断路器时，效果在电表中可见。

图3 显示电表UI界面

3.4加载因子和运行模式

在监视器进程窗口中，操作人员可以使用两个控件：重新配置加载模式和操作模式。 重新配置加载控制模式可用于改变破碎机、原料磨机和煤磨机的主驱动装载系数。 操作人员可以使用“操作模式”控制来改变工厂层面和车间层面的模式。 该工厂可以主要运行在两种模式 - 正常模式和异常模式。 通过以异常模式运行，制造商可以假定他们工厂中会发生任何形式的故障、短路或损坏情况的不利影响。 因此，这样，就为操作者提供了预先分析不利影响的附加特征。

4.交流和出口动态数据

4.1通信数据

LabVIEW中的共享变量概念用于通过网络读取和写入数据。 网络发布的共享变量用于设计仿真，然后部署到共享变量引擎（SVE）。 该SVE在网络上托管共享变量值，如图4所示。在每秒结束时，所有过程数据和电气参数的值都将被更新。 这些值将写入网络发布的共享变量并部署到SVE。SVE记录值中的更改，并向所有订阅者发布新值。Matrikon OPC用作客户端，并接收由SVE发出的所有更新的值，该值作为服务器。

图4 共享变量的概念

4.2将数据导出到数据库

LabVIEW DSC模块为网络发布的共享增加了显着的功能

变量。 借助DSC模块，LabVIEW VI可以以编程方式控制共享变量和共享变量引擎（SVE）的各个方面。 当监视进程UI中的“查看历史数据”控件使用时，如图1所示，将打开“测量和自动化浏览器”窗口。 那么NI Citadel数据库可以用来以图形方式查看所有共享变量的值。 Citadel数据库还具有将这些参数导出到文件的选项。 因此，任何参数的任何时间点都可以调用和分析过去的数据。

5.实验结果

本文提出的设计模拟器可用于分析过程数据和电气数据。 过程数据包括工厂现有九个车间的输入量，TPH等级，输出量等，电参数包括电流，电压，KW等级，KWh和KWh /吨消耗的能量。

表1显示了车间使用的所有主要设备的标准吨/小时（TPH）等级。 这些TPH等级可以在输入规格Excel文件中由用户进行修改。表2显示了车间整体消耗的KWh /吨消耗和能量百分比。这些值也是标准的，但可能会根据 Excel文件。工作坊消耗的能量百分比已在饼图中显示，如图5所示。

表1 工艺数据：TPH等级

车间（工作坊）

TPH等级

破碎机[CR]

110

生磨[RMG]

77

煤厂[FFG]

8.25

替代燃料准备[AFP]

5

热处理器[PP]

33

水泥厂[FGR]

62

包装[PCK]

70

公用事业[UTL]

-

非生产[NP]

-

表2 电气参数：KWh / t消耗和％KWh的能量消耗

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