基于PLC及傳感器技術的球磨機電氣控制系統研究

林 林

北方重工集團有限公司

基于PLC及傳感器技術的球磨機電氣控制系統研究

林 林

北方重工集團有限公司

球磨機是一種廣泛應用于水泥、硅酸鹽制品、化肥、金屬選礦等行業中物料二次粉碎的關鍵設備，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設備，由于球磨機是一種多輸入多輸出的系統，為進一步提高球磨機的生產效率，實現球磨機控制系統的自動化控制，通過使用西門子公司的S7-400與S7-200PLC，采用ProfibusDP協議和MPI協議，搭建一個小型的DCS系統，以實現對于球磨機的自動控制，提高球磨機控制系統的自動化水平與生產效率。

PLC；傳感器；球磨機；控制系統

球磨機是礦石磨粉制漿的關鍵設備，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行業的物料粉碎中得到廣泛的應用，而且在今后相當長的時間內仍將是物料粉碎的主要設備。球磨機的結構較為復雜，運行狀態容易出現多發性故障，聯合影響其運行的穩定性。其中關鍵因素之一是其電氣控制系統。隨著自動化技術的快速發展，電氣控制系統也越來越集成化，使其變得更穩定，跟精準，更快速。所以球磨機的控制系統也必然向著更集成化的趨勢發展進化。

1 PLC及傳感器技術

PLC全稱為可編程邏輯控制器，它的出現預示著電氣控制系統與網絡及信息技術的融合。通過PLC我們除了可以輕松的對復雜的控制系統進行控制，同時也可以通過現場總線將現場的設備信息提供給上級控制設備。提高了控制系統的可靠性及可傳遞性。傳感器技術和PLC技術的融合為設備的全集成自動化提供了可能。傳感器將現場的溫度、壓力、流量等非電信號轉化為標準電信號，并為PLC提供連接口，實現與PLC的通信。由于球磨機控制系統的需采集的模擬量信號較多。因此我們在PLC及傳感器技術的基礎上，提出了我們的控制系統解決方案。

2 設備現場常見問題分析

(1)球磨機設備配套部分繁多，造成開關連鎖極其復雜。球磨機相關配套設備包括噴射潤滑系統，高低壓蓄油站，離合器系統等等。如果每一個單一系統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，簡化了整體結構系統，節省了安裝、調試、維修的大量繁雜工作，節約人力物力，降低成本。(2)球磨機系統的誤停機分析。球磨機電氣控制設備的原始的指針式儀表在應用中由于現場的震動及電磁干擾容易造成表針震動造成設備誤停機。在我們的設計方案中，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，設備更穩定。(3)球磨機小齒輪齒輪副震動。這是開式齒輪傳動經常發生的問題。產生的原因很多。例如：齒輪本身質量問題，安裝問題和潤滑問題。球磨機小齒輪齒輪副震動超標會造成小齒輪及設備的損壞。

3 球磨機自動化控制系統

球磨機的自動控制系統采用的是層次化的結構，從球磨機自動控制系統的下層至上層分為：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，各層之間通過數據網絡進行數據交換，構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的檢測環節包含有：各種模擬的或數字的傳感器和變送器，實現對于球磨機工作時的各種現場信號的測量。下層控制環節主要包含：控制站和信號站。其中控制站主要實現與上位機和信號站的數據處理與通信交換。信號站實現對于各種輸入信號的采集及預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監控站，完成對于整體控制系統的組態和球磨機自動控制系統的實時監控。

通過對比并且考慮球磨機自動控制系統的控制要求，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，球磨機自動控制系統的3層結構的生產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實現上位機和下層控制下的數據通信，最下層的使用3臺PLC實現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的安全性與穩定性大為提高，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，同時采用此種結構方便與后期的擴展。

通過對球磨機自動控制信號的統計和分析，球磨機的控制信號主要有模擬信號和數字信號，其中模擬輸入信號包括：球磨機的負荷、出/入口壓差、出/入口負壓、粗/細粉分離器出口負壓、球磨機電機電流、球磨機風門的開度反饋信號等。球磨機的模擬輸出信號主要有：風門開度的控制輸出信號、物料給料的控制信號等。在統計分析球磨機輸入輸出信號數目的基礎上留有一定的裕度，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來實現的，不僅是系統總的ProfibusDP和多點接口網絡的主站，還是整個球磨機自動控制系統的核心控制設備。結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/輸出環節，選用EEM235AI4/AO1模塊。

球磨機電氣控制系統構成復雜，控制點繁多。設備工藝要求高。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優化[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：機械工業出版社，2007.

[3] 李長久.PLC原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2010.