李喜文，韓高翔，吳永強(qiáng)，郭 庶，孔自亮

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

在鋼鐵、化工和建材等行業(yè)，立磨是將大顆粒物料研磨成細(xì)微顆粒物料的機(jī)械設(shè)備，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高和粉磨技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用，立磨粉磨技術(shù)的優(yōu)勢(shì)正在體現(xiàn)出來(lái)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力逐漸提高[1]。同時(shí)，許多專(zhuān)家、學(xué)者致力于立磨自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，以求生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高，能源成本進(jìn)一步降低，以保證和提高立磨生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

立磨由傳動(dòng)系統(tǒng)(主電動(dòng)機(jī)、減速器和慢驅(qū))、液壓系統(tǒng)(磨輥液壓站、磨輥潤(rùn)滑站和減速器液壓站)、研磨系統(tǒng)(磨輥、擋料圈和磨盤(pán))、給料系統(tǒng)(鎖風(fēng)閥、回轉(zhuǎn)下料器和喂料溜管)、分級(jí)系統(tǒng)(選粉機(jī))和電氣控制系統(tǒng)(操作箱、接線箱和控制柜)組成。

1 立磨控制系統(tǒng)介紹

立磨控制系統(tǒng)主要由高壓柜、PLC 控制柜、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)儀表和操作箱組成。高壓柜為主電動(dòng)機(jī)供電，并控制主電動(dòng)機(jī)電源的通斷；PLC 控制柜將現(xiàn)場(chǎng)送來(lái)的模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯判斷和數(shù)據(jù)計(jì)算后，顯示在觸摸屏并送給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；變頻器主要用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速；現(xiàn)場(chǎng)儀表主要檢測(cè)模擬量信號(hào)，顯示數(shù)值并將數(shù)值送入控制柜 PLC；操作箱用于在設(shè)備旁操作設(shè)備。

立磨控制系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)和控制立磨運(yùn)行狀態(tài)，按照工藝要求實(shí)現(xiàn)基本的邏輯判斷和控制(如啟停主電動(dòng)機(jī)和各個(gè)油泵)，同時(shí)加入了必要的保護(hù)(如溫度、壓力等)，最終實(shí)現(xiàn)立磨安全、穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)。

另外，在 PLC 中還提供了與 DCS 的通信接口，一般為 Profinet、Profibus-DP 和 Modbus，常見(jiàn)的工業(yè)通信協(xié)議都可以與之連接，采用何種通信協(xié)議由用戶決定，DCS 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停電動(dòng)機(jī)，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行工況。

2 遠(yuǎn)程 I/O 方案的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的控制方式是將控制柜中的模塊與現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)設(shè)備以信號(hào)線的形式連接起來(lái)，由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備多，而且控制柜距離現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)，因此需要的信號(hào)線多且長(zhǎng)，這就需要大量的人力來(lái)敷設(shè)支架、線槽和接線，增加了故障率和不穩(wěn)定性。鑒于此，提出了基于遠(yuǎn)程 I/O 的控制方式，對(duì)立磨控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2.1 遠(yuǎn)程 I/O 介紹

遠(yuǎn)程 I/O 是指工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中所連接的 I/O 模塊的數(shù)量和規(guī)格(輸入或輸出、模塊的通道數(shù)目、模塊類(lèi)型等)，在有限的范圍內(nèi)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和用戶需求進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，以滿足多種多樣的控制要求。整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)主控制器，總線上的所有 I/O模塊都由這個(gè)主控制器進(jìn)行管理，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、變送器和執(zhí)行器等設(shè)備進(jìn)行控制。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)一般采用通信網(wǎng)絡(luò)與主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[2-3]，由于采用通信方式傳輸信號(hào)，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)的布線面積，不僅節(jié)約了成本，而且增加了系統(tǒng)的可靠性，使原來(lái)復(fù)雜冗余的 I/O 連線變成單一可靠的通信線[4]；同時(shí)減少了干擾，提高了穩(wěn)定性和檢測(cè)精度；

(2)可在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近實(shí)現(xiàn)模數(shù)、數(shù)模的轉(zhuǎn)換，使信號(hào)在各自的 I/O 站得到處理，真正地實(shí)現(xiàn)物理分散；

(3)遠(yuǎn)程 I/O 模塊可拆卸，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況靈活配置。

因此，遠(yuǎn)程 I/O 在功能分散的基礎(chǔ)上，真正地實(shí)現(xiàn)了物理分散，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近完成數(shù)據(jù)處理，降低了干擾的可能性，具有可靠程度高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)。

2.2 檢測(cè)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)

立磨需要檢測(cè)的主要有溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、電流和液位等信號(hào)，在保證這些信號(hào)正常的情況下，控制立磨按照工藝流程正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

主輔輥液壓站的主要功能是將研磨壓力控制在給定范圍內(nèi)，控制磨輥的升降。研磨壓力的控制及磨輥的升降是通過(guò)啟動(dòng)和停止液壓泵及打開(kāi)和關(guān)閉閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主輥潤(rùn)滑站在磨輥啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中潤(rùn)滑和冷卻磨輥軸承，供油泵和回油泵均成對(duì)工作，以保持磨輥里有合適的油位。減速器液壓站主要是形成一個(gè)靜液壓潤(rùn)滑膜頂起磨盤(pán)載荷，在安全范圍內(nèi)，油膜壓力的大小隨磨盤(pán)載荷自我調(diào)節(jié)，其他檢測(cè)和保護(hù)裝置保證液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)正常運(yùn)行。選粉機(jī)通過(guò)靜止導(dǎo)向葉片和變頻鼠籠式轉(zhuǎn)子進(jìn)入離心式選粉。為了保證立磨系統(tǒng)正常工作，需要檢測(cè)參數(shù)是否達(dá)到指標(biāo)。

表1、2 分別為立磨各個(gè)模塊和減速器各個(gè)模塊需要檢測(cè)的信號(hào)數(shù)量。由表 1、2 可知，除擺臂干油站需要檢測(cè)的信號(hào)較少以外，其他模塊及減速器各個(gè)模塊需要檢測(cè)的信號(hào)較多。主輥潤(rùn)滑站、主輥液壓站、減速器液壓站都在距離立磨 5 m 遠(yuǎn)的混凝土平臺(tái)上，擺臂干油站在 2 樓，輔輥液壓站在 3 樓，選粉機(jī)在立磨頂部，主電動(dòng)機(jī)在底部通過(guò)連軸與減速器相連。

表1 立磨各個(gè)模塊需要檢測(cè)的信號(hào)數(shù)量Tab.1 Number of signals to be detected for each module of vertical grinding mill

表2 減速器各個(gè)模塊需要檢測(cè)的信號(hào)數(shù)量Tab.2 Number of signals to be detected for each module of gearbox

2.3 遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)主要由 1 臺(tái)西門(mén)子系列 PLC(CPU 1513-1)、1 臺(tái) HMI(TP1500)、4 個(gè) ET200SP 遠(yuǎn)程 I/O 單元和現(xiàn)場(chǎng)控制測(cè)控信號(hào)組成。PLC 不僅對(duì) 4個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 單元送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷與處理，使立磨按照規(guī)定的工藝操作流程完成對(duì)主電動(dòng)機(jī)、液壓站、潤(rùn)滑站和選粉機(jī)等設(shè)備的控制，而且作為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主站，主要完成對(duì)整個(gè)立磨電控系統(tǒng)的通信控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算及系統(tǒng)管理等工作。整個(gè)系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程 I/O 控制方式，基于 Profinet 現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，利用 PLC 中央處理器的結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建 Profinet 控制網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)共配置了 4 個(gè)遠(yuǎn)程 I/O，分別為遠(yuǎn)程 I/O-1、I/O-2、I/O-3 和 I/O-4。

ET200SP 是西門(mén)子推出的新一代分布式 I/O 系統(tǒng)，采用了與 ET200S 類(lèi)似的緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變了模板供電方式，無(wú)需 PM-E 模板；對(duì)模板功能進(jìn)行了整合，減少了模塊的種類(lèi)；系統(tǒng)集成了電源模塊，無(wú)需單獨(dú)的電源模塊；采用的 100 MBit/s 背板總線，使背板數(shù)據(jù)刷新速度得到了極大提高；采用快速接線技術(shù)，無(wú)需接線工具。

2.4 遠(yuǎn)程 I/O 站分布

遠(yuǎn)程 I/O-1 站設(shè)置在主輥潤(rùn)滑站和主輥液壓站附近，負(fù)責(zé)主輥潤(rùn)滑站和主輥液壓站的壓力、溫度、主輥轉(zhuǎn)速、位移等模擬量參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，控制主輥潤(rùn)滑站和主輥液壓站的泵、電磁閥和加熱器的啟停。

遠(yuǎn)程 I/O-2 站設(shè)置在輔輥液壓站旁，用于檢測(cè)和控制油溫、油壓和輔輥的轉(zhuǎn)速、位移，啟停液壓泵、電磁閥和加熱器。

遠(yuǎn)程 I/O-3 站設(shè)置在主電動(dòng)機(jī)附近，負(fù)責(zé)檢測(cè)和控制主電動(dòng)機(jī)、選粉機(jī)和擺臂干油站。

遠(yuǎn)程 I/O-4 站設(shè)置在減速器液壓站旁，實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力、溫度和震動(dòng)，控制泵的啟停。

各個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 站由 ET200SP 模塊、6ES7 134-6GF00-0AA1 模擬量輸入模塊、6ES7 131-6BH01-0BA0 數(shù)字量輸入模塊和 6ES7 132-6BH01-0BA0 數(shù)字量輸出模塊組成。

表3 所列為各個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 站的模擬量輸入信號(hào)、數(shù)字量輸入信號(hào)和數(shù)字量輸出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)。由表 3 可得各個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 站所需要檢測(cè)的模擬量和數(shù)字量信號(hào)數(shù)量，并由此可計(jì)算出所配置的模擬量和數(shù)字量模塊數(shù)量。表 4 所列為遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)主要模塊配置數(shù)量。

表3 各個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 站信號(hào)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of signal of each remote I/O station

表4 遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)主要模塊配置數(shù)量Tab.4 Number of main modules of remote I/O system

依據(jù)表 4 組態(tài)各個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 站，各個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 站的模塊組態(tài)如圖 2 所示。

圖1 遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of remote I/O system

圖2 各個(gè)遠(yuǎn)程 I/O 站模塊組態(tài)Fig.2 Configuration of modules in each remote I/O station

3 程序?qū)崿F(xiàn)

立磨系統(tǒng)的控制要有嚴(yán)格的啟停順序，各設(shè)備之間要具備嚴(yán)格的連鎖保護(hù)，如潤(rùn)滑站的油壓和油溫不滿足要求，磨機(jī)就必須處于互鎖狀態(tài)不能啟動(dòng)。立磨系統(tǒng)的啟動(dòng)控制流程如圖 3 所示。立磨也必須具備應(yīng)有的保護(hù)，對(duì)立磨系統(tǒng)各個(gè)油站的油壓、油溫和油位，主電動(dòng)機(jī)繞組溫度和軸承溫度，密封風(fēng)機(jī)壓力，磨輥位置等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，作為立磨的啟停、運(yùn)行和保護(hù)條件。

圖3 立磨系統(tǒng)的啟動(dòng)控制流程Fig.3 Startup control flow of vertical grinding system

上位機(jī)設(shè)計(jì)的畫(huà)面組成有：起始畫(huà)面、主監(jiān)控視圖、遠(yuǎn)程 I/O-1 畫(huà)面、遠(yuǎn)程 I/O-2 畫(huà)面、遠(yuǎn)程 I/O-3畫(huà)面、遠(yuǎn)程 I/O-4 畫(huà)面、系統(tǒng)信息畫(huà)面、系統(tǒng)啟動(dòng)畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面和參數(shù)趨勢(shì)畫(huà)面。圖 4 所示為上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面。

4 原電控方案與遠(yuǎn)程 I/O 方案的對(duì)比分析

4.1 控制系統(tǒng)主要模塊的造價(jià)對(duì)比

圖4 上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面Fig.4 Configuration interface of master computer

原方案使用 2 個(gè)控制柜，2 套控制系統(tǒng)分別控制立磨和減速器，而新方案使用 1 個(gè)控制柜，1 套控制系統(tǒng)集中管理，使成本明顯降低。表 5 所列為電控系統(tǒng)原方案與新方案主要模塊價(jià)格對(duì)比，可知主要模塊節(jié)約成本約 65.7%。

表5 電控系統(tǒng)原方案與新方案主要模塊價(jià)格對(duì)比Tab.5 Comparison of original control system and new one in price of main modules

原方案所有的信號(hào)通過(guò)信號(hào)線進(jìn)入控制柜，而新方案控制柜與現(xiàn)場(chǎng)的連接只通過(guò)通信線和動(dòng)力線，進(jìn)一步降低了成本。由于各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)立磨與控制室的距離不同，電纜的成本粗略計(jì)算可節(jié)約 80%。

4.2 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

原方案已在衢州元立礦渣立磨項(xiàng)目中應(yīng)用，需要較多的線槽、支架等，接線和施工量較大；每個(gè)線槽中有幾十根信號(hào)線，必然導(dǎo)致之間相互干擾；每個(gè)控制柜中集中了相應(yīng)的所有模塊，難以進(jìn)行擴(kuò)展；出現(xiàn)問(wèn)題檢修不便[5]，調(diào)試耗時(shí) 2 個(gè)月。

遠(yuǎn)程 I/O 方案應(yīng)用于江蘇金峰礦渣立磨項(xiàng)目中，控制柜中僅有斷路器、PLC 和 HMI，所以只需要 1 個(gè)控制柜，因此可以節(jié)省大量的空間；節(jié)省了大量的電纜，隨之安裝、接線及校線的工作量大大減少，因此施工量、用工量和施工時(shí)間都大幅縮減；各個(gè)分站負(fù)責(zé)各自的設(shè)備檢測(cè)和控制，以分站的形式依次分別調(diào)試各個(gè)設(shè)備，縮短了調(diào)試時(shí)間，調(diào)試耗時(shí) 1 個(gè)月；由于控制柜與現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)通信線聯(lián)系，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)使用 1 個(gè)控制柜，1 套控制系統(tǒng)統(tǒng)籌管理，控制柜與現(xiàn)場(chǎng)的連接只通過(guò)通信線和動(dòng)力線，控制系統(tǒng)的硬件成本明顯降低；遠(yuǎn)程 I/O站與主站和中控之間通過(guò) Profinet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，安裝、接線和校線的工作時(shí)間都明顯縮短；模塊化的調(diào)試使調(diào)試工作快捷簡(jiǎn)便，并且信號(hào)的增減方便，模塊擴(kuò)展靈活；一根通信線替代大量電纜，避免了信號(hào)之間的相互干擾，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，充分體現(xiàn)了分布式遠(yuǎn)程 I/O 的可靠性、可擴(kuò)充性、經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性等特點(diǎn)，可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、連續(xù)性，為立磨控制系統(tǒng)的進(jìn)一步改善提供參考。