21世纪初中国水泥工业迎来了新一轮的增长和结构调整。为了在激烈的国际和国内竞争中立于不败之地，水泥企业需要采用工厂的信息化、自动化等先进技术改造水泥这一传统产业，提高管理水平，使传统产业突现新的行业效益增长点。浙江三狮集团作为浙江水泥的龙头企业、国内大型的水泥集团之一，在其富春江生态工业园重大项目“富阳三狮5000吨/天新型干法水泥熟料生产线项目”中采用了施耐德电气公司基于Modbus TCP/IP的“透明就绪”方案作为其自动化控制系统。

    客户的需求

    水泥生产有其自身的工艺特点，因而对控制系统也提出了特定的需求：

    1．由于厂区面积大、站点多、控制设备范围广、通讯信息量大，因而要求控制系统网络开放、支持远距离通讯、网络可靠性高，同时必须要求网络通讯带宽高。

    2．水泥生产的连续性强，过程控制和顺序控制要求高，尤其是从生料入窑到窑系统要求各个环节生产稳定、协调、高效，从而对控制系统提出了控制器能力要强，系统可靠性要高，不同环节之间实现信息共享要简单而有效，同时要有高实时性的要求。

    3．由于水泥工厂设备的工作环境相对较差，电磁干扰、粉尘污染等要求控制系统设备抗干扰抗腐蚀的能力要强。

    通讯网络

    为了应付激烈的国际和国内竞争，企业向我们提出了系统集成和信息集成的需求，即把工厂的过程级（仪器仪表、供电配电、电机等设备）、生产级（MES执行制造系统）、企业级（ERP企业资源计划系统）等方面有机地组织起来，协调生产，使各方面资源充分调配、平衡和控制，最大限度地发挥其能力，形成市场、经营、生产和研发之间紧密的协作链。

图1

    实现这样的工厂从上层到底层的协作链就需要工厂对各方企业资源建立完善开放的网络，保持LEVEL1、LEVEL2和LEVEL3，甚至与Internet之间的信息流高效而通畅，保证各种设备和基于其它协议的网络能够接入系统。因此，控制系统的网络采用了施耐德电气公司Modbus  TCP/IP  工业以太网主干网，结构上采用自愈环结构，介质采用光纤。网络通讯速率为100Mbps，保证了系统大信息量的通讯，光纤自愈环结构保证了系统的可靠性，从容错性上分析，该主干网允许一个断点而不会影响整个系统的运行。采用开放的Modbus  TCP/IP协议有利于控制系统网络与工厂的MES、ERP系统实现无缝连接，以太网Modbus TCP/IP构建的开放的工厂网络平台使工厂的管理升级更加易于实现和操作。

图2

    施耐德电气的“透明就绪”方案还支持SNMP、NDDS、DHCP、FTIP、FTP、HTTP等应用层协议，可以实现网络管理、基于UDP的广播订阅、基于DHCP的故障设备快速替换、基于嵌入式Web server的远程诊断和维护功能。Web server被嵌入到140NOE工业以太网模板中，因而用户可以通过Windows   IE浏览器浏览Web  server中的所有系统信息，同时还可以通过电话线远程登陆或互联网安全登陆到工厂，在任何时候，任何地方，第一时间了解工厂的工作情况。

“透明就绪”通讯栈

图3

    通过I/O 扫描可以实现网络上各个现场站的信息交换，由于采用了基于TCP/IP的Modbus主/从协议，因此只需经过简单的配置和采用读写请求的方式，而无须编写程序，一改某些系统控制站之间的数据需要通过上位机编程来进行交换这种不安全的方式和复杂烦琐的编写通讯程序的方式，既减小了编写程序的工作量，又提高了系统运行的可靠性。
系统的网络交换设备采用NOS17100工业交换机，构架光纤环网以连接各个现场控制站。同样，每台NOS17100交换机都具有内嵌网页，可以通过IE浏览监视进行管理。

    每个控制站的I/O网络采用S908远程I/O，具有可确定的I/O扫描时间和高实时性，通讯速率达1.544Mbps，恒定的通讯速率不会随I/O站点的多少和距离的长短而变化。
 
    控制系统中窑尾和窑头的仪表均采用现场总线通讯接入系统，数字化的仪表和通讯方式不仅提高了仪表的精度，也减少了接线工作量。

    现场控制站

    根据生产及工艺流程的需要,我们将所控制的区域分为原料配料远程站（RIO）、生料磨现场控制站、窑尾现场控制站、窑头现场控制站、熟料输送远程站（RIO）、煤磨现场控制站，另外为了满足砂岩破碎车间和石灰石破碎车间比较分布、控制点不是太多的特点，采用了更适合分布控制的、基于开放以太网Modbus     TCP/IP通讯的Momentum以太网I/O(TIO)。

    现场控制站采用了施耐德电气公司的Modicon Quantum通用自动控制平台，处理器采用140CPU43412A。其快速的指令处理能力非常适合水泥厂对高速离散控制和回路控制的要求，平均高于30万小时的无故障时间也保证了工厂的可靠运行。
此方案针对水泥厂窑系统的特点，窑尾现场站和窑头现场站采用双机热备方案，双机热备采用140CHS21000热备套件，此热备套件的特点是实现了在主站故障的情况下可以无扰切换到从站。

    中央控制室

    全厂设置一个中央控制室，实现从石灰石破碎到熟料散装等主要生产车间的电动机和各种用电设备的顺序逻辑控制、控制参数检测、回路自动控制等功能，在中央控制室内通过IFIX监控软件可以对所控制的生产车间进行管理和操作。
 
    下位机的编程软件采用CONCEPT 2.5，对全厂的设备采用面向对象的编程方式自定义设备功能块，同时CONCEPT 2.5自带的32位IEC 模拟器提高了编程和调试的效率，节省了不少工期。

    中央控制室内设有操作员操作站（OS）、报告打印机、报警打印机和彩色屏幕拷贝装置。

    为了编制计算机系统应用软件和实现对软件的维护，在中央控制室内设有工程师工作站（EWS），并配有激光打印机。

    结语

    在国内倡导“鼠标+水泥”的今天，施耐德电气公司基于Modbus TCP/IP的”透明就绪”方案为水泥行业管控一体化提供了开放的通讯平台，从而提高了水泥企业的竞争力，为水泥企业带来了整体效益，其在浙江三狮集团项目中的成功应用就是最有力的证明。