基于遠(yuǎn)程 I/O 的立磨控制系統(tǒng)設(shè)計

李喜文，韓高翔，吳永強(qiáng)，郭 庶，孔自亮

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

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 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)勢正在體現(xiàn)出來，市場競爭力逐漸提高[1]。同時，許多專家、學(xué)者致力于立磨自動控制系統(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。

立磨由傳動系統(tǒng)(主電動機(jī)、減速器和慢驅(qū))、液壓系統(tǒng)(磨輥液壓站、磨輥潤滑站和減速器液壓站)、研磨系統(tǒng)(磨輥、擋料圈和磨盤)、給料系統(tǒng)(鎖風(fēng)閥、回轉(zhuǎn)下料器和喂料溜管)、分級系統(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)場儀表和操作箱組成。高壓柜為主電動機(jī)供電，并控制主電動機(jī)電源的通斷；PLC 控制柜將現(xiàn)場送來的模擬量信號和數(shù)字量信號經(jīng)過邏輯判斷和數(shù)據(jù)計算后，顯示在觸摸屏并送給現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)；變頻器主要用于電動機(jī)調(diào)速；現(xiàn)場儀表主要檢測模擬量信號，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)測和控制立磨運(yùn)行狀態(tài)，按照工藝要求實現(xiàn)基本的邏輯判斷和控制(如啟停主電動機(jī)和各個油泵)，同時加入了必要的保護(hù)(如溫度、壓力等)，最終實現(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 可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停電動機(jī)，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行工況。

2 遠(yuǎn)程 I/O 方案的設(shè)計

傳統(tǒng)的控制方式是將控制柜中的模塊與現(xiàn)場的檢測設(shè)備以信號線的形式連接起來，由于現(xiàn)場檢測設(shè)備多，而且控制柜距離現(xiàn)場較遠(yuǎn)，因此需要的信號線多且長，這就需要大量的人力來敷設(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，對立磨控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計。

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、模塊類型等)，在有限的范圍內(nèi)可以根據(jù)現(xiàn)場環(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。整個控制網(wǎng)絡(luò)中有一個主控制器，總線上的所有 I/O模塊都由這個主控制器進(jìn)行管理，從而對現(xiàn)場的傳感器、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：

(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，大大減少了現(xiàn)場的布線面積，不僅節(jié)約了成本，而且增加了系統(tǒng)的可靠性，使原來復(fù)雜冗余的 I/O 連線變成單一可靠的通信線[4]；同時減少了干擾，提高了穩(wěn)定性和檢測精度；

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

(3)遠(yuǎn)程 I/O 模塊可拆卸，可根據(jù)現(xiàn)場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，真正地實現(xiàn)了物理分散，在現(xiàn)場設(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。

2.2 檢測信號的統(tǒng)計

立磨需要檢測的主要有溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、電流和液位等信號，在保證這些信號正常的情況下，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啟動和停止液壓泵及打開和關(guān)閉閥來實現(xiàn)的。主輥潤滑站在磨輥啟動和運(yùn)行過程中潤滑和冷卻磨輥軸承，供油泵和回油泵均成對工作，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靜液壓潤滑膜頂起磨盤載荷，在安全范圍內(nèi)，油膜壓力的大小隨磨盤載荷自我調(diào)節(jié)，其他檢測和保護(hù)裝置保證液壓潤滑系統(tǒng)正常運(yùn)行。選粉機(jī)通過靜止導(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，需要檢測參數(shù)是否達(dá)到指標(biāo)。

表1、2 分別為立磨各個模塊和減速器各個模塊需要檢測的信號數(shù)量。由表 1、2 可知，除擺臂干油站需要檢測的信號較少以外，其他模塊及減速器各個模塊需要檢測的信號較多。主輥潤滑站、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，主電動機(jī)在底部通過連軸與減速器相連。

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

表2 減速器各個模塊需要檢測的信號數(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

遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)主要由 1 臺西門子系列 PLC(CPU 1513-1)、1 臺 HMI(TP1500)、4 個 ET200SP 遠(yuǎn)程 I/O 單元和現(xiàn)場控制測控信號組成。PLC 不僅對 4個遠(yuǎn)程 I/O 單元送來的信號進(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主電動機(jī)、液壓站、潤滑站和選粉機(jī)等設(shè)備的控制，而且作為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主站，主要完成對整個立磨電控系統(tǒng)的通信控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算及系統(tǒng)管理等工作。整個系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程 I/O 控制方式，基于 Profinet 現(xiàn)場總線控制技術(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 是西門子推出的新一代分布式 I/O 系統(tǒng)，采用了與 ET200S 類似的緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，改變了模板供電方式，無需 PM-E 模板；對模板功能進(jìn)行了整合，減少了模塊的種類；系統(tǒng)集成了電源模塊，無需單獨(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)置在主輥潤滑站和主輥液壓站附近，負(fù)責(zé)主輥潤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)的實時檢測和控制，控制主輥潤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)置在主電動機(jī)附近，負(fù)責(zé)檢測和控制主電動機(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，實時檢測壓力、溫度和震動，控制泵的啟停。

各個遠(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 所列為各個遠(yuǎn)程 I/O 站的模擬量輸入信號、數(shù)字量輸入信號和數(shù)字量輸出信號的統(tǒng)計。由表 3 可得各個遠(yuǎn)程 I/O 站所需要檢測的模擬量和數(shù)字量信號數(shù)量，并由此可計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 各個遠(yuǎn)程 I/O 站信號統(tǒng)計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)各個遠(yuǎn)程 I/O 站，各個遠(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。立磨系統(tǒng)的啟動控制流程如圖 3 所示。立磨也必須具備應(yīng)有的保護(hù)，對立磨系統(tǒng)各個油站的油壓、油溫和油位，主電動機(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)的啟動控制流程Fig.3 Startup control flow of vertical grinding system

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

4 原電控方案與遠(yuǎn)程 I/O 方案的對比分析

4.1 控制系統(tǒng)主要模塊的造價對比

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

原方案使用 2 個控制柜，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格對比，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格對比Tab.5 Comparison of original control system and new one in price of main modules

原方案所有的信號通過信號線進(jìn)入控制柜，而新方案控制柜與現(xiàn)場的連接只通過通信線和動力線，進(jìn)一步降低了成本。由于各個現(xiàn)場立磨與控制室的距離不同，電纜的成本粗略計算可節(jié)約 80%。

4.2 優(yōu)缺點對比分析

原方案已在衢州元立礦渣立磨項目中應(yīng)用，需要較多的線槽、支架等，接線和施工量較大；每個線槽中有幾十根信號線，必然導(dǎo)致之間相互干擾；每個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)問題檢修不便[5]，調(diào)試耗時 2 個月。

遠(yuǎn)程 I/O 方案應(yīng)用于江蘇金峰礦渣立磨項目中，控制柜中僅有斷路器、PLC 和 HMI，所以只需要 1 個控制柜，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、用工量和施工時間都大幅縮減；各個分站負(fù)責(zé)各自的設(shè)備檢測和控制，以分站的形式依次分別調(diào)試各個設(shè)備，縮短了調(diào)試時間，調(diào)試耗時 1 個月；由于控制柜與現(xiàn)場通過通信線聯(lián)系，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)使用 1 個控制柜，1 套控制系統(tǒng)統(tǒng)籌管理，控制柜與現(xiàn)場的連接只通過通信線和動力線，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 Profinet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，安裝、接線和校線的工作時間都明顯縮短；模塊化的調(diào)試使調(diào)試工作快捷簡便，并且信號的增減方便，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，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。