球磨機自動化控制系統(tǒng)的組成及搭建

摘 要：球磨機是一種廣泛應(yīng)用于水泥、硅酸鹽制品、化肥、金屬選礦等行業(yè)中物料二次粉碎的關(guān)鍵設(shè)備，通過球磨機可以將初次粉碎的物料再次粉碎，以符合物料的大小要求。球磨機是一種能耗極大的生產(chǎn)設(shè)備，由于球磨機是一種多輸入多輸出的系統(tǒng)，為進(jìn)一步提高球磨機的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)球磨機控制系統(tǒng)的自動化控制，通過使用西門子公司的S7-400與S7-200PLC，采用ProfibusDP協(xié)議和MPI協(xié)議，搭建一個小型的DCS系統(tǒng)，以實現(xiàn)對于球磨機的自動控制，提高球磨機控制系統(tǒng)的自動化水平與生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：球磨機；PLC；自動控制

前言

球磨機在化工、火力發(fā)電、礦石開采、冶煉等行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用，由于球磨機的結(jié)構(gòu)及控制特性，使得球磨機的能耗一直居高不下。在新時期，為進(jìn)一步提高球磨機的生產(chǎn)效率、降低能耗，需要對球磨機的控制進(jìn)行全面的自動化改造，在保障球磨機安全性的基礎(chǔ)上節(jié)能增效。

1 球磨機系統(tǒng)簡介

球磨機系統(tǒng)的工作是由給料機將物料從進(jìn)料端送入到球磨機內(nèi)，根據(jù)通入到球磨機內(nèi)的熱風(fēng)將被破碎研磨后的物料吹送出球磨機，這些被吹送出球磨機的物料是氣粉混合物，并且考慮經(jīng)過粗粉分離后，將過粗的物料粉末重新送入到球磨機內(nèi)進(jìn)行再次研磨?，F(xiàn)今應(yīng)用于球磨機的控制系統(tǒng)的形式主要有：基于工控機的分布式控制系統(tǒng)、一般的集散控制系統(tǒng)、基于IPC和PLC的分布式控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。在這些控制系統(tǒng)中，工控機在整體結(jié)構(gòu)上及工作可靠性方面都存在著一定的缺陷，可維護(hù)性較差。DCS控制系統(tǒng)是一種模擬量控制較多的系統(tǒng)，多應(yīng)用于是石油化工等行業(yè)，成本較高。在IPC+PLC的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，通過使用PLC構(gòu)成整個控制系統(tǒng)的控制站，將IPC作為系統(tǒng)的操作站，是一種較為優(yōu)秀的控制系統(tǒng)。

球磨機的控制系統(tǒng)輸入輸出多且復(fù)雜，其主要控制任務(wù)如下：（1）確保球磨機內(nèi)的物料接近最佳加工水平，其中最佳物料存儲量是提高球磨機整體運行系統(tǒng)的的關(guān)鍵，可以確保球磨機以一個較為經(jīng)濟(jì)的水平運行。球磨機內(nèi)的物料水平是通過球磨機的輸入輸出來控制的。（2）為提高球磨機的干燥能力，應(yīng)盡量提高球磨機出口的風(fēng)溫，將其控制在一個較為合理的水平，其中球磨機出口的風(fēng)溫主要通過熱風(fēng)門的開度來進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時球磨機的出口溫度還受到循環(huán)風(fēng)門開度變化的干擾。（3）球磨機磨制好的物料需要通過一定的通風(fēng)量來將其帶出球磨機，因此，需要控制球磨機的循環(huán)風(fēng)門的開度來調(diào)節(jié)球磨機的入口風(fēng)壓。

2 球磨機的整體控制系統(tǒng)的組成

結(jié)合球磨機的控制需求及球磨機的生產(chǎn)的實際情況，在對比了現(xiàn)今較為常見的控制系統(tǒng)形式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，采用IPC+PLC與工業(yè)以太網(wǎng)的的控制形式，利用分布式的控制系統(tǒng)實現(xiàn)對于球磨機運行的整體控制。此種控制方式結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性強、可靠性較高。整個球磨機自動控制系統(tǒng)采用的控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 球磨機控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

球磨機的自動控制系統(tǒng)采用的是層次化的結(jié)構(gòu)，從球磨機自動控制系統(tǒng)的下層至上層分為：信號檢測、下層控制、上層控制及管理三個重要的部分。每一層又橫向發(fā)散進(jìn)行擴(kuò)充，從而使得球磨機具有極為良好的可擴(kuò)展性，各層之間通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，構(gòu)建成一個良好的有機整體，從而有效的提高球磨機控制的安全性與可靠性。其中球磨機控制系統(tǒng)的檢測環(huán)節(jié)包含有：各種模擬的或數(shù)字的傳感器和變送器，實現(xiàn)對于球磨機工作時的各種現(xiàn)場信號的測量。下層控制環(huán)節(jié)主要包含：控制站和信號站。其中控制站主要實現(xiàn)與上位機和信號站的數(shù)據(jù)處理與通信交換。信號站實現(xiàn)對于各種輸入信號的采集及預(yù)處理以及控制信號的輸出。上層控制站主要分為操作站和球磨機運行系統(tǒng)監(jiān)控站，完成對于整體控制系統(tǒng)的組態(tài)和球磨機自動控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

通過對比并且考慮球磨機自動控制系統(tǒng)的控制要求，選用西門子公司的S7系列的PLC作為主控器，搭建一個小型的集散控制系統(tǒng)，球磨機自動控制系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)管理和操作管理主要集中在上層控制站中的2臺上位機中。下層控制通過使用1臺S7-400實現(xiàn)上位機和下層控制下的數(shù)據(jù)通信，最下層的使用3臺PLC實現(xiàn)對于各種傳感器信號的采集和處理。通過這種分層控制可以使得球磨機自動控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性大為提高，上下層之間的故障不會進(jìn)行傳遞進(jìn)而影響到整個控制系統(tǒng)，同時采用此種結(jié)構(gòu)方便與后期的擴(kuò)展。

通過對球磨機自動控制信號的統(tǒng)計和分析，球磨機的控制信號主要有模擬信號和數(shù)字信號，其中模擬輸入信號包括：球磨機的負(fù)荷、出/入口壓差、出/入口負(fù)壓、粗/細(xì)粉分離器出口負(fù)壓、球磨機電機電流、球磨機風(fēng)門的開度反饋信號等。球磨機的模擬輸出信號主要有：風(fēng)門開度的控制輸出信號、物料給料的控制信號等。在統(tǒng)計分析球磨機輸入輸出信號數(shù)目的基礎(chǔ)上留有一定的裕度，選用合適的PLC輸入輸出模塊。下層控制及通信采用的是S7-400PLC來實現(xiàn)的，不僅是系統(tǒng)總的ProfibusDP和多點接口網(wǎng)絡(luò)的主站，還是整個球磨機自動控制系統(tǒng)的核心控制設(shè)備。結(jié)合球磨機的控制需求選用的是412-2的CPU，其中底層的S7-200完成了對于球磨機輸入輸出信號的搭建，因此，在下層的S7-400的選擇上僅保持基本設(shè)置即可。在底層的PLC的模塊的選擇上，使用EM231熱電偶模塊和熱電阻模塊作為測溫模擬量輸入模塊，在模擬量的輸入/輸出環(huán)節(jié)，選用EEM235 AI4/AO1模塊。

3 球磨機自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 球磨機自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本系統(tǒng)選用過的是ProfibusDP和MPI的混合組網(wǎng)方式，上、下層之間采用的是ProfibusDP的通信協(xié)議，下層與底層之間采用的是MPI的通信協(xié)議，S7-200與S7-400之間的通信可以依靠其本身的MPI接口實現(xiàn)。

3.2 球磨機自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

在球磨機自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，選用NetPro工具來實現(xiàn)，在NetPro工具中建立MPI和Profibus網(wǎng)絡(luò)，其中MPI網(wǎng)絡(luò)的傳送速率為187.5kit/s，在S7-400的CPU接口屬性中選擇新建Profibus網(wǎng)絡(luò)，并將地址設(shè)置為3，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點地址，不得存在沖突，在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中可以有重復(fù)。在MPI網(wǎng)絡(luò)中，S7-400地址為3為主站，S7-200的地址為5和6為從站。

4 結(jié)束語

球磨機是一種高能耗的大型粉磨設(shè)備，隨著經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展，對球磨機進(jìn)行自動化改造，以提高球磨機的自動化控制水平和工作效率是球磨機發(fā)展的重要方向，文章對球磨機自動化系統(tǒng)的構(gòu)成及搭建進(jìn)行分析闡述。

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