印尼STAR5000TPD熟料水泥項目電氣及自動化設(shè)計特點

金葆文

（合肥水泥研究設(shè)計院有限公司， 安徽 合肥 230051）

1 項目概況

印尼PT.Sinar Tambang Arthalestari日產(chǎn)5000噸熟料水泥生產(chǎn)線（一期）（以下簡稱印尼STAR水泥項目）是印尼STAR集團投資的一條5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線。項目位于印度尼西亞爪哇島東南，于2013年11月1日開工建設(shè)，項目于2015年12月8日實現(xiàn)了點火運行。合肥水泥研究設(shè)計院有限公司為該項目EPC工程總承包商。在電氣和自動化設(shè)計中，針對項目具體情況和業(yè)主要求做了大量特殊處理，優(yōu)化設(shè)計，盡可能使項目功能、經(jīng)濟效益和壽命周期成本達到最優(yōu)。

2 電氣設(shè)計中的特點

在電氣設(shè)計中，我們將變壓器和電氣室盡可能設(shè)在靠近負(fù)荷中心處，以降低線路損耗。選用高性能的節(jié)能型變壓器，以減少自身的損耗，采取高低壓電容補償?shù)姆绞?，使系統(tǒng)負(fù)載的實際功率因子在0.92~0.95左右，從而達到降低線路損耗、減小導(dǎo)線截面的目的，在設(shè)計期間最大程度地考慮降低生產(chǎn)線的長期運行成本。根據(jù)印尼當(dāng)?shù)靥攸c和生產(chǎn)控制的要求，電氣專業(yè)設(shè)計有以下主要特點：

2.1 大功率設(shè)備采取變頻或軟啟動器進行拖動控制

回轉(zhuǎn)窯、磨機、破碎機及大型風(fēng)機等大功率設(shè)備采用可控硅為主要器件、單片機為控制核心的智能型電動機拖動設(shè)備，采用軟起動器或變頻器起動。大型風(fēng)機和部分工況變化較大的或特殊場合的風(fēng)機采用變頻裝置調(diào)速，節(jié)能效果比較顯著。據(jù)以往生產(chǎn)統(tǒng)計，采用變頻調(diào)速控制，比簡單的風(fēng)門控制節(jié)約電能在 30%以上。

2.2 優(yōu)化大型風(fēng)機運行參數(shù)，采取PID在線自動控制，提高風(fēng)機運行效率

水泥工廠大量的電能消耗在風(fēng)機設(shè)備上，風(fēng)機運行參數(shù)不合理，將會帶來不小的電耗損失。電氣設(shè)計中，我們根據(jù)工藝操作需要，優(yōu)化運行參數(shù)，對篦冷機風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機等設(shè)備采取 PID控制。通常，操作員人工控制情況下，不能對系統(tǒng)進行實時的連續(xù)跟蹤控制，勢必造成對能效的浪費，采用 PID控制后，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)變化實時對設(shè)備進行連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而減少電能的消耗。我們對于PID控制的參數(shù)采用西門子最新PCS7參數(shù)自整定功能，長期在線自動調(diào)整PID參數(shù)，并結(jié)合經(jīng)驗對PID參數(shù)進行優(yōu)化，達到在不同工況下，PID控制設(shè)備的穩(wěn)定運行。

2.3 大量選用先進可靠的節(jié)能型電氣設(shè)備

生產(chǎn)線主要電氣設(shè)備選用節(jié)能型M系列變壓器、Y系列高效率電機、智能電控設(shè)備等；同時根據(jù)各生產(chǎn)工段及自控要求，采用DCS系統(tǒng)自動控制，避免機電設(shè)備長時間空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.4 建筑照明多采用自動控制，節(jié)約電耗

各場所的建筑照明采用更加節(jié)能環(huán)保的LED燈具，結(jié)合整個生產(chǎn)系統(tǒng)的DCS自控要求，采用聲控或光控等方式控制，避免常明燈現(xiàn)象。中控室操作員可以控制全廠車間照明配電箱的啟停，做到自動控制與人工控制相結(jié)合。

2.5 針對當(dāng)?shù)赜甓嘟邓看蟮奶幚泶胧?/h3>

印尼當(dāng)?shù)赜晁?，雨季降水量大。針對?dāng)?shù)貙嶋H情況，在廠區(qū)和各控制室電纜溝內(nèi)預(yù)留足夠數(shù)量的集水井，并在電纜溝底部做合適的散水坡度，以便在大量降水時能及時把電纜溝內(nèi)積水強制排出至廠區(qū)排水溝內(nèi)。避免由電纜溝將雨水帶入控制室。

2.6 防雷安全技術(shù)措施

印尼雷電多發(fā)，地下水位較高，容易腐蝕地下接地體。對此，設(shè)計中將分散在各子項建筑物的避雷帶、引雷裝置和接地體做整體考慮，將相近車間的地下接地體相連，形成全廠防備接地網(wǎng)絡(luò)。以防止在局部接地體銹蝕后接地不良的情況出現(xiàn)。同時也大大降低了接地電阻，起到了更好的接地和等電位連接效果。

2.7 充分利用現(xiàn)場施工用臨時變壓器，減少工程投資

在項目前期，業(yè)主負(fù)責(zé)的110kV總降壓站建設(shè)進度非常緩慢，將直接影響生產(chǎn)線的調(diào)試和投產(chǎn)。為此，我們將場內(nèi)主要負(fù)荷按照工藝分為熟料段和水泥段，并預(yù)留接口，以便能夠采用業(yè)主已有的2臺22kV、25000kVA變壓器分別為燒成工段及水泥工段配電，并在施工期間同時解決施工用電。事實上，到生產(chǎn)線正式投產(chǎn)時，110kV總降壓站也沒有建成。這一方案在110kV總降壓站尚未建成的情況下，使項目調(diào)試、試生產(chǎn)得以順利進行，沒有受到總降壓站進度的影響，保證了工程項目的總體工期。同時，設(shè)計方案在接口上考慮了與110kV總降系統(tǒng)最大程度上的兼容，避免重復(fù)投資和浪費。

3 自動化設(shè)計中的特點

按照合同的要求，全廠的電能計量需要在中控集中抄表。在設(shè)計中，我們創(chuàng)新式的大規(guī)模采用Modbus RTU網(wǎng)絡(luò)連接全廠的電能計量與考核所需計量表，并轉(zhuǎn)換為profibus網(wǎng)絡(luò)后與DCS系統(tǒng)相連接。在本次項目的方案中，最大的特色就首先是利用了成本較低的自帶 Modbus RTU通訊協(xié)議的多功能數(shù)字顯示型儀表。Modbus RTU通訊協(xié)議具有以下幾個特點：

（1）標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus RTU協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)。因此自帶Modbus RTU通訊協(xié)議的多功能數(shù)字顯示型儀表從成本上考慮是最佳選擇。

（2）Modbus RTU通訊協(xié)議可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

（3）Modbus RTU通訊協(xié)議的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

（4）Modbus RTU通訊協(xié)議不是 SIMATIC家族的通用協(xié)議，需要大量的組態(tài)與編程。這點算是Modbus RTU通訊協(xié)議的缺點。

為了發(fā)揮Modbus RTU通訊協(xié)議的優(yōu)點，避免Modbus RTU通訊協(xié)議的缺點，我們將Modbus RTU通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成了Profibus通訊協(xié)議。與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，Profibus協(xié)議的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性。它包括了加工制造、過程和數(shù)字自動化等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并可同時實現(xiàn)集中控制、分散控制和混合控制三種方式。該系統(tǒng)分為主站和從站：主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。在Profibus協(xié)議中主站也稱為主動站。從站為外圍設(shè)備，典型的從站包括：輸入/輸出裝置、閥門、驅(qū)動器和測量發(fā)射器。它們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。從站也稱為被動站。由于從站只需總線協(xié)議的一小部分，所以實施起來特別經(jīng)濟。

為了能夠使用Profibus通訊協(xié)議，我們采用了成熟穩(wěn)定的Modbus RTU通訊協(xié)議與Profibus通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換的接口協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它能使處于通信網(wǎng)上采用不同高層協(xié)議的主機仍然互相合作，完成各種分布式應(yīng)用。協(xié)議轉(zhuǎn)換是一種映射，就是把某一協(xié)議的收發(fā)信息(或事件)序列映射為另一協(xié)議的收發(fā)信息序列。需要映射的信息為重要信息，因此協(xié)議轉(zhuǎn)換可以看作是兩個協(xié)議的重要信息之間的映射。

使用以上方案后，我們做到在中央控制室集中抄表，進行電耗考核。獲取數(shù)據(jù)由原來的人工抄表每天3~4次，增加到現(xiàn)在的每1s獲取一次數(shù)據(jù)。并且現(xiàn)在的方案簡化了抄表難度，并利用DCS系統(tǒng)自動存儲抄表數(shù)據(jù)，較以往人工抄表有了本質(zhì)的進步。現(xiàn)在采用DCS系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲于服務(wù)器中SQL數(shù)據(jù)庫，為今后在現(xiàn)有基礎(chǔ)上拓展為管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）提供了硬件上的保障。在未來項目中，為了進一步簡化系統(tǒng)，優(yōu)化配置，我們考慮將Modbus RTU通訊協(xié)議轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)協(xié)議，這樣可以直接進入更高級工廠網(wǎng)絡(luò)，直接面向用戶管理、決策層面。

全廠DCS控制系統(tǒng)采用西門子最新PCS7完全無縫集成的自動化解決方案，使用現(xiàn)場總線PROFIBUS DP將原料磨、篦冷機、煤磨等主要設(shè)備的現(xiàn)場PLC與DCS相連，同時用PROFIBUS PA將預(yù)熱器、熟料冷卻工段的現(xiàn)場儀表接入DCS系統(tǒng).采用PA 現(xiàn)場總線的優(yōu)勢之一是：在生產(chǎn)現(xiàn)場，總線型現(xiàn)場設(shè)備按照不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行連接，并由總線直接供電，不再需要額外的供電電源。另外，由于采用總線連接設(shè)備而節(jié)約了大量的電纜、電源箱、配電柜、匯線槽、接線柜、端子箱、安全柵或隔離電路，也不再需要傳統(tǒng)的 I/O 模塊，因此將節(jié)省一筆可觀的費用。近兩年來，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣和普及，總線型儀表的制造成本也在逐年下降。采用 PA 現(xiàn)場總線的儀表在中控室工程師站提供了圖形化的儀表參數(shù)修改整定界面，并提供了全面的儀表診斷界面。能夠大大簡化儀表整定的工作量，并對判斷儀表狀態(tài)和可能存在的問題有了全面的數(shù)據(jù)支持，并有儀表實際工作環(huán)境與時間預(yù)警，在儀表尚未損壞就發(fā)出更換提醒。

4 結(jié)語

印尼 STAR項目電氣及自動化系統(tǒng)（能夠針對項目的特點和難點做出大量優(yōu)化，是在項目部領(lǐng)導(dǎo)和同仁的支持下，結(jié)合以往多條總承包生產(chǎn)線經(jīng)驗基礎(chǔ)上，設(shè)計單位全心全意為項目殫精竭慮、努力工作的結(jié)果。希望我們能將印尼項目的這些優(yōu)化成果在更多的生產(chǎn)線上得以應(yīng)用，實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益、使用功能。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50295-2008水泥工廠設(shè)計規(guī)范[S].中國計劃出版社,2009

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB50303-2015建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社,2016

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB50093-2013自動化儀表工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范[S].中國計劃出版社,2014

[4]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50054-2011低壓配電設(shè)計規(guī)范[S].中國計劃出版社,2012

[5]王厚余建筑電氣裝置600問[M].中國電力出版社2013

[6]H.Wayne Beaty Handbook of Electric Power Calculations [M].McGRAW-HILL,2001

[7]戈瑞.基于現(xiàn)場總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與應(yīng)用[D].華中科技大學(xué),2012-02