(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

球磨機(jī)系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要組成環(huán)節(jié)，是鍋爐的主要輔助設(shè)備，其工作情況直接影響鍋爐的運(yùn)行。球磨機(jī)系統(tǒng)在化工廠、火力發(fā)電廠、礦石開采和冶煉當(dāng)中都有廣泛的應(yīng)用，并且球磨機(jī)系統(tǒng)也是耗電大戶，其用電量約占工廠用電的15%～25%。因此，球磨機(jī)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不僅直接影響到整個(gè)工廠發(fā)電機(jī)組的安全性和可靠性，而且也是工廠節(jié)能降耗的重要途徑[1-2]。

1 球磨機(jī)系統(tǒng)介紹

球磨機(jī)系統(tǒng)是由給煤機(jī)將原煤倉(cāng)內(nèi)的原煤送入球磨機(jī)內(nèi)，同時(shí)將熱風(fēng)也送入球磨機(jī)。經(jīng)過(guò)破碎研磨，磨制好的煤粉被氣流送出去。從球磨機(jī)出來(lái)的是氣粉混合物，經(jīng)粗粉分離器分離后，過(guò)粗的煤粉重新返回球磨機(jī)入口進(jìn)行再研磨。合格的煤粉被帶入細(xì)分分離器進(jìn)行氣粉分離，再次合格的煤粉落入煤粉倉(cāng)。根據(jù)鍋爐負(fù)荷的需要，給粉機(jī)將煤粉倉(cāng)中的煤粉輸入一次風(fēng)管，再送入爐內(nèi)燃燒[3-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外球磨機(jī)系統(tǒng)控制的主要形式有：基于工控機(jī)(industrial personal computer,IPC)的分布式控制系統(tǒng)、一般的集散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)、基于IPC+PLC的分布式控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system,FCS)等。其中，工控機(jī)在整體結(jié)構(gòu)上還不能完全適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，系統(tǒng)的可靠性不高，可維護(hù)性較差。DCS適合應(yīng)用在模擬量較多的環(huán)境中，而且目前DCS系統(tǒng)一般用于比較龐大的連續(xù)過(guò)程控制系統(tǒng)中，如石油化工等，成本較高。

在IPC+PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，PLC構(gòu)成系統(tǒng)控制站，IPC構(gòu)成系統(tǒng)操作站，這種方式可以形成與DCS相媲美的大型控制系統(tǒng)。FCS是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的一種開放性數(shù)字通信技術(shù)，具有開放性、互操作性、分散性等特點(diǎn)，同時(shí)也促成了低成本、高性能的信息網(wǎng)絡(luò)——以太網(wǎng)向工業(yè)控制領(lǐng)域的滲透[5-7]。

球磨機(jī)系統(tǒng)的控制任務(wù)如下。

① 保證球磨機(jī)內(nèi)存煤量接近最佳設(shè)定值，最佳存煤量是提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。存煤量是通過(guò)調(diào)節(jié)給煤機(jī)的輸煤量來(lái)控制的。

② 為了提高球磨機(jī)的干燥出力，應(yīng)盡量提高出口風(fēng)溫，但同時(shí)為了防止氣粉混合物自燃的發(fā)生，又必須嚴(yán)格控制出口風(fēng)溫不得超過(guò)最高值。出口風(fēng)溫主要通過(guò)熱風(fēng)門的開度來(lái)調(diào)節(jié)，其同時(shí)也受到再循環(huán)風(fēng)門開度變化的影響。

③ 磨制好的煤粉需要一定的通風(fēng)量將其帶出球磨機(jī)，因此要保證最佳通風(fēng)量，使盡可能多的磨制好的煤粉都被送入煤粉倉(cāng)，同時(shí)保證煤粉沒有泄漏。這需要對(duì)球磨機(jī)的入口風(fēng)壓進(jìn)行控制。入口風(fēng)壓主要由再循環(huán)風(fēng)門開度的變化來(lái)控制[8-10]。

2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)球磨機(jī)系統(tǒng)控制要求和實(shí)際生產(chǎn)情況，在比較了目前常用的幾種分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)后，本文采用 IPC+PLC+工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，基于微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和PLC 技術(shù)，滿足系統(tǒng)便于擴(kuò)展和維護(hù)的要求。控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用層次化結(jié)構(gòu)。由下而上分為檢測(cè)環(huán)節(jié)、下層控制環(huán)節(jié)、上層控制及管理環(huán)節(jié)3個(gè)部分。每個(gè)部分在結(jié)構(gòu)上是橫向分散的，具有良好的可擴(kuò)展性；在設(shè)計(jì)上是獨(dú)立的。它們通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，使其具有高效率的安全可靠機(jī)制、高開放性和易擴(kuò)展性。檢測(cè)環(huán)節(jié)：包括各種傳感器和變送器，主要完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量。下層控制環(huán)節(jié)：分為控制站和信號(hào)站，控制站主要完成上位機(jī)和信號(hào)站的通信工作，信號(hào)站負(fù)責(zé)所有信號(hào)的采集、預(yù)處理以及控制信號(hào)的輸出。上層控制及管理環(huán)節(jié)：上層控制為兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，一臺(tái)為工程師站，一臺(tái)為操作員站。工程師站完成系統(tǒng)組態(tài)任務(wù)，操作員站擔(dān)負(fù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)工藝及控制性能要求，采用西門子公司的S7系列PLC 進(jìn)行控制。系統(tǒng)由工程師/操作員站、控制站、信號(hào)站3個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可以看出，這是一個(gè)小型集散控制系統(tǒng)，生產(chǎn)管理級(jí)和操作管理級(jí)集中在2臺(tái)上位機(jī)上，過(guò)程控制級(jí)通過(guò)3臺(tái)PLC來(lái)完成，2臺(tái)S7-200 PLC采集系統(tǒng)的模擬、開關(guān)信號(hào)，并將控制的輸出信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，1臺(tái)S7- 400 PLC完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。這樣，控制前端可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)制粉系統(tǒng)的控制，上位機(jī)的故障不會(huì)影響到PLC的控制，極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，而且系統(tǒng)擴(kuò)展方便。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 PLC模塊配置

對(duì)控制系統(tǒng)甲、乙兩側(cè)球磨機(jī)數(shù)字量和模擬量進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)的I/O點(diǎn)總體概括如下。

① 模擬量輸入共計(jì)28個(gè)點(diǎn)，包括球磨機(jī)負(fù)荷、球磨機(jī)出入口差壓、球磨機(jī)入口負(fù)壓、球磨機(jī)出口負(fù)壓、粗粉分離器出口負(fù)壓、細(xì)粉分離器出口負(fù)壓、排粉機(jī)出口風(fēng)壓、球磨機(jī)東電機(jī)電流、球磨機(jī)西電機(jī)電流、排粉機(jī)電機(jī)電流、熱風(fēng)門開度反饋、再循環(huán)風(fēng)門開度反饋、給煤機(jī)稱重信號(hào)、熱風(fēng)壓力。

② 模擬量輸出共計(jì)6個(gè)點(diǎn)，包括給煤機(jī)控制信號(hào)、熱風(fēng)門控制輸出、再循環(huán)門控制輸出。

確定PLC 的輸入輸出點(diǎn)的數(shù)量后，根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模塊。系統(tǒng)采用西門子S7- 400 PLC作為控制站，也是系統(tǒng)中Profibus DP和多點(diǎn)接口(multi-point interface，MPI)網(wǎng)絡(luò)的主站，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制設(shè)備。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本文選擇了S7- 400系列PLC的CPU 412-2。因?yàn)閿?shù)據(jù)的采集和控制量的輸出都在信號(hào)站S7-200 PLC中完成，因此沒有為S7- 400配置模擬量和數(shù)字量的I/O模塊，只為其配備了機(jī)架、電源模塊以及Profibus通信電纜和接頭。S7-200 PLC作為信號(hào)站，采用CPU 224DC/DC/DC。在測(cè)溫模塊方面，選用EM231熱電偶模塊和EM231熱電阻模塊作為CPU 224 的擴(kuò)展;在模擬量輸入/輸出方面，選用EM235 AI4/AO1 模塊作為S7-200 PLC的擴(kuò)展模塊。系統(tǒng)上位機(jī)選用了2臺(tái)研華工控機(jī)，型號(hào)都是研華IPC-610，操作員站顯示器選擇三星TFT-LCD BW226 LCD顯示器，工程師站為冠捷778S CRT 顯示器。

此外，為了使工控機(jī)與西門子Simatic系統(tǒng)進(jìn)行通信，2臺(tái)工控機(jī)都配置了西門子公司的PCI接口CP5611通信卡。

3.2 系統(tǒng)信號(hào)測(cè)量

系統(tǒng)需要測(cè)量的信號(hào)有球磨機(jī)負(fù)荷信號(hào)、相關(guān)的溫度信號(hào)和系統(tǒng)風(fēng)壓信號(hào)。對(duì)于球磨機(jī)負(fù)荷信號(hào)的測(cè)量，系統(tǒng)采用磨音法。磨音檢測(cè)儀放置在球磨機(jī)的筒體旁，安裝維護(hù)方便。磨音檢測(cè)儀對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、求絕對(duì)值、積分、反向等處理，輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。對(duì)于球磨機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的溫度信號(hào)(均在0～400 ℃)，系統(tǒng)選用Pt100熱電阻測(cè)量除粉倉(cāng)以外的溫度信號(hào)，選用K型熱電偶測(cè)量粉倉(cāng)溫度。對(duì)于系統(tǒng)風(fēng)壓信號(hào)，系統(tǒng)選用電容式風(fēng)壓變送器進(jìn)行測(cè)量，4～20 mA輸出，測(cè)量范圍為0～6 kPa。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由相應(yīng)的PLC控制程序和在上位計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的監(jiān)控程序組成。系統(tǒng)的軟件編寫采用的是Siemens公司的專用軟件，包括系統(tǒng)硬件組態(tài)、通信組態(tài)和系統(tǒng)軟件的編寫?？刂瞥绦虻木帉懖捎肧tep 7 V5.4軟件。

4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

基于成本、通信能力、穩(wěn)定性和配置復(fù)雜度等多方面的考慮，本文采用Profibus DP+MPI的混合組網(wǎng)方式。

① S7-200 PLC與S7- 400 PLC之間采用MPI通信，S7-200 PLC與S7- 400 PLC都有內(nèi)建的MPI接口，不需要額外增加硬件。本系統(tǒng)的MPI網(wǎng)采用全局?jǐn)?shù)據(jù)通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為187.5 kbit/s。1臺(tái)S7- 400 PLC作為主站，2臺(tái)S7-200 PLC作為從站。

② S7- 400 PLC與上位機(jī)之間采用Profibus DP通信。Profibus DP有著很高的可靠性和實(shí)時(shí)性，傳輸速率高。本系統(tǒng)的Profibus DP采用1.5 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，1臺(tái)S7- 400 PLC和2臺(tái)上位機(jī)都為主站。

4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

本文使用Step 7中的NetPro工具進(jìn)行組網(wǎng)。在NetPro中新建一個(gè)MPI網(wǎng)路和一個(gè)Profibus 網(wǎng)絡(luò)。MPI網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為187. 5 kbit/s，Profibus網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為1.5 Mbit/s，類型為DP。在CPU 412-2 DP 的DP接口屬性里選擇新建的Profibus網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)地址為3；在MPI/DP接口屬性里選擇新建的MPI網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)地址為3。同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地址不能重復(fù)，但是不同網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以有相同的地址。類似地，還可以配置2臺(tái)工控機(jī)連接到Profibus網(wǎng)絡(luò)上，2臺(tái)S7-200連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上。在MPI網(wǎng)絡(luò)中，S7- 400 PLC的地址為3，作為主站；2臺(tái)S7-200 PLC的地址分別為5和6，均作為從站。在Profibus DP網(wǎng)絡(luò)中，S7- 400 PLC的地址為3，工程師站和操作員站的地址為0和1，3個(gè)節(jié)點(diǎn)都為主站。此外，在上位機(jī)還需要配置CP5611通信卡。

4.3 PLC控制程序的開發(fā)

在S7-200 PLC中主要完成信號(hào)采集、濾波處理和控制量的輸出功能。為了使程序具有較好的可讀性，采用了結(jié)構(gòu)化的編程方法，將各部分程序模塊化；同時(shí)，為了安全運(yùn)行的需要，啟用了硬件模塊的錯(cuò)誤檢查功能。S7- 400 PLC中的程序從信號(hào)站PLC讀取數(shù)據(jù)，S7- 400 PLC中的程序流程如圖3所示。

圖3 S7- 400 PLC程序流程圖

5 運(yùn)行結(jié)果

球磨機(jī)在本控制系統(tǒng)運(yùn)行情況下，入口負(fù)壓在-50 kPa左右來(lái)回波動(dòng)，最高時(shí)接近-60 kPa，最低時(shí)接近-30 kPa；出口風(fēng)溫穩(wěn)定在60 ℃左右；球磨機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定在70%左右；給煤機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持在510 r/min。球磨機(jī)運(yùn)行情況如圖4所示。

圖4 球磨機(jī)運(yùn)行情況

由此可以看出，在本控制系統(tǒng)運(yùn)行情況下，給煤機(jī)制粉力明顯增加，且其他參量也都能夠維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。因此,控制系統(tǒng)能保證球磨機(jī)系統(tǒng)基本維持在較高的制粉力水平，達(dá)到了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)球磨機(jī)系統(tǒng)的工藝及控制要求，基于PLC技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，采用IPC+PLC+工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)采用西門子S7系列搭建。運(yùn)行情況表明，系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

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