林 林

北方重工集團有限公司

基于PLC及傳感器技術(shù)的球磨機電氣控制系統(tǒng)研究

林 林

北方重工集團有限公司

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。

PLC；傳感器；球磨機；控制系統(tǒng)

球磨機是礦石磨粉制漿的關(guān)鍵設(shè)備，自1893年以來，已在金屬礦及非金屬礦選礦廠、冶金、建材、化工及電力部門等若干基礎(chǔ)行業(yè)的物料粉碎中得到廣泛的應(yīng)用，而且在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將是物料粉碎的主要設(shè)備。球磨機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運行狀態(tài)容易出現(xiàn)多發(fā)性故障，聯(lián)合影響其運行的穩(wěn)定性。其中關(guān)鍵因素之一是其電氣控制系統(tǒng)。隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展，電氣控制系統(tǒng)也越來越集成化，使其變得更穩(wěn)定，跟精準(zhǔn)，更快速。所以球磨機的控制系統(tǒng)也必然向著更集成化的趨勢發(fā)展進化。

1 PLC及傳感器技術(shù)

PLC全稱為可編程邏輯控制器，它的出現(xiàn)預(yù)示著電氣控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)的融合。通過PLC我們除了可以輕松的對復(fù)雜的控制系統(tǒng)進行控制，同時也可以通過現(xiàn)場總線將現(xiàn)場的設(shè)備信息提供給上級控制設(shè)備。提高了控制系統(tǒng)的可靠性及可傳遞性。傳感器技術(shù)和PLC技術(shù)的融合為設(shè)備的全集成自動化提供了可能。傳感器將現(xiàn)場的溫度、壓力、流量等非電信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號，并為PLC提供連接口，實現(xiàn)與PLC的通信。由于球磨機控制系統(tǒng)的需采集的模擬量信號較多。因此我們在PLC及傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了我們的控制系統(tǒng)解決方案。

2 設(shè)備現(xiàn)場常見問題分析

(1)球磨機設(shè)備配套部分繁多，造成開關(guān)連鎖極其復(fù)雜。球磨機相關(guān)配套設(shè)備包括噴射潤滑系統(tǒng)，高低壓蓄油站，離合器系統(tǒng)等等。如果每一個單一系統(tǒng)都單獨配置電氣控制單元會浪費資源、提高成本，并且對安裝調(diào)試維護增加大量難度，耗費大量人力與時間。所以我們本著集成化控制的概念，集成多種控制單元與一臺低壓電氣控制柜來控制所有的外圍設(shè)備。這樣便省去了不同柜體之間繁雜冗余的連接線，簡化了整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，節(jié)省了安裝、調(diào)試、維修的大量繁雜工作，節(jié)約人力物力，降低成本。(2)球磨機系統(tǒng)的誤停機分析。球磨機電氣控制設(shè)備的原始的指針式儀表在應(yīng)用中由于現(xiàn)場的震動及電磁干擾容易造成表針震動造成設(shè)備誤停機。在我們的設(shè)計方案中，我們采用溫度傳感器及模擬量模塊來檢測溫度。運行更精確，設(shè)備更穩(wěn)定。(3)球磨機小齒輪齒輪副震動。這是開式齒輪傳動經(jīng)常發(fā)生的問題。產(chǎn)生的原因很多。例如：齒輪本身質(zhì)量問題，安裝問題和潤滑問題。球磨機小齒輪齒輪副震動超標(biāo)會造成小齒輪及設(shè)備的損壞。

3 球磨機自動化控制系統(tǒng)

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)散進行擴充，從而使得球磨機具有極為良好的可擴展性，各層之間通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行數(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行傳遞進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EEM235AI4/AO1模塊。

球磨機電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，控制點繁多。設(shè)備工藝要求高。為了解決上述要求，更加新穎，完善的控制方案必然會替代原有的控制方案。譬如模糊控制等優(yōu)化的控制方法必然逐漸加入。這也是我未來所努力的方向。

[1]楊曉勇.大型球磨機電氣及控制系統(tǒng)優(yōu)化[P].機械與電子，2012(01).

[2] 崔堅.西門子S7可編程邏輯控制器-STEP7編程指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 李長久.PLC原理及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.