分布式 I/O 在輥壓機控制系統的應用

王昕悅，趙偉剛，劉麗麗，張田歌

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

輥 壓機作為一種高效節能的破磨設備，具有結構緊湊、質量輕、體積小等特點，能夠使粉磨設備的生產能力得以充分發揮。此外，它投資少、占用空間小、操作維護方便，且與其他粉磨設備相比粉塵少、噪聲低[1]。隨著其結構的不斷完善，可靠性不斷提高，近年來已成為水泥行業及金屬礦山破磨的首選設備，并取得了良好運用效果[2]。

1 輥壓機工作原理

輥壓機采用料壓給料，依靠兩個水平安裝且同步相向旋轉的擠壓輥進行高壓料層粉碎，利用側擋板形成完全密閉的破碎空間，被封閉的物料層在重力和摩擦力的共同作用下，在磨輥間強制形成密實料層，相互擠壓，促使物料顆粒內部產生足夠大的內應力而發生變形，進而粉碎。由于輥壓機直接將粉碎物料所需要的能量作用于物料顆粒，其能量利用率高，能夠達到大幅度增產和節能的效果。輥壓機的工作原理如圖1 所示。

圖1 輥壓機工作原理Fig.1 Working principle of roller press

2 輥壓機控制系統

輥壓機控制系統主要由主電動機傳動系統、主減速器及稀油潤滑控制系統、液壓加載控制系統、主軸承干油潤滑控制系統、料流調節控制系統、現場儀表監測系統等組成[3]，其構成如圖 2 所示。

圖2 輥壓機控制系統構成Fig.2 Constitution of control system for roller press

根據輥壓機的工藝操作流程，其電控系統主要完成對主電動機、主減速器及稀油潤滑系統、液壓加載系統、主軸承干油潤滑系統等輔助設備的控制?？刂葡到y實時采集現場儀表的模擬量信號及數字量信號，經過數據計算和邏輯判斷啟停相應輔助設備，并根據監控數據作出相應的聯鎖保護，從而保證輥壓機安全、可靠、穩定、連續地運行。

輥壓機控制系統不僅能夠實現對輥壓機及輔助設備的邏輯控制，還支持 PROFINET、PROFIBUSDP、Modbus TCP/IP 等多種通信協議，可實現輥壓機電控系統與廠區集控中心 (DCS) 之間的數據通信，使廠區集控中心能夠實時掌握現場設備的運行狀況，達到遠程監控輥壓機的目的。

3 傳統集中控制系統

輥壓機傳統集中控制系統由 1 臺 PLC 控制柜 (含觸摸屏)、1 個現場操作箱及多個設備接線盒構成。現場儀表監測信號先引入接線盒，通過控制電纜全部接入 PLC 控制柜信號模塊，來實現對其集中監控。集中控制系統拓撲結構如圖 3 所示。

圖3 集中控制系統拓撲結構Fig.3 Topological structure of centralized control system

集中控制系統架構具有結構簡單、網絡節點少、易于管理及控制等優勢。但是，集中控制系統架構普遍存在可靠性差、施工量大、經濟投入大等諸多缺點，且不利于系統擴展。

4 分布式 I/O 控制系統

計算機網絡通信技術的發展，為解決傳統集中控制系統技術可靠性差等問題提供了突破口，一種采用模塊化設計、基于分布式 I/O 的輥壓機控制系統應運而生。

4.1 分布式 I/O 控制系統拓撲結構

分布式 I/O 控制系統根據各部件功能進行分區，就近設置 I/O 子站，各 I/O 子站與主控制器通過網絡通信形式進行數據交換。以西門子 S7-1500 系列 PLC為例，選用 CPU 1511-1PN 作為主控制器，分布式I/O 子站選用 IM155-6PN 標準型接口模塊，主控制器和 I/O 子站都集成 PROFINET 通信接口，主控制器通過工業以太網能夠直接訪問 PROFINET I/O 子站[4]。分布式 I/O 控制系統由主控制器和多個分布式 I/O 子站組成，系統網絡結構主要分為星形和環網形，2 種網絡拓撲結構如圖 4 所示。

圖4 分布式 I/O 控制系統網絡拓撲結構Fig.4 Network topological structure of distributed I/O control system

根據設備功能分區，輥壓機分布式 I/O 控制系統劃分為 1 個本地 I/O 子站和 2 個遠程 I/O 子站。本地 I/O 子站主要完成主傳設備及輔機設備聯鎖保護信號采集，現場配置的 2 個 I/O 子站主要用于采集現場檢測儀表信號，如壓力、流量、溫度、位移、振動等。主控制器與 I/O 子站之間通過工業以太網(PROFINET) 進行網絡通信，最終由主控制器完成所有信號的數據監測和邏輯控制。輥壓機分布式 I/O 控制系統網絡拓撲結構如圖 5 所示。

圖5 輥壓機分布式 I/O 子站控制系統網絡拓撲結構Fig.5 Network topological structure of distributed I/O substation control system for roller press

4.2 分布式 I/O 控制系統硬件優化及網絡監測

由于分布式 I/O 控制系統主控制器與 I/O 子站之間的數據交換完全依賴于通信網絡，因此，通信網絡的穩定性及可靠性對保障設備的長期安全運行至關重要。為了保障分布式 I/O 控制系統通信網絡穩定可靠，可采取以下 2 種方式對其進行優化設計及實時監測：

(1) 優化硬件以增強通信可靠性 在傳輸距離較遠或重要節點之間使用光纖介質，光纖通信具有抗電磁干擾能力強、損耗低、通信容量大的特點，在網絡通信應用中有很大優勢。另外，為了進一步提高通信的可靠性，還可使用管理型工業交換機組成環網，建立冗余連接。

(2) 利用軟件程序實時監測網絡狀態 使用DeviceStates 指令讀取指定網絡 (LADDR) 出現問題的 I/O 設備 (MODE) 狀態 (STATE)，得到網絡故障信息，從而觸發設備安全停機機制，網絡監測程序如圖6 所示。

圖6 網絡監測程序Fig.6 Network monitoring program

網絡故障及網絡中斷位置的報警信息將在人機交互界面實時顯示，便于維護人員快速定位故障位置、查找故障原因并排除故障。

4.3 分布式 I/O 控制系統的優勢

通過對比分析分布式 I/O 控制系統和集中控制系統各自的性能，不難發現分布式 I/O 控制系統具有明顯的優勢，能夠有效提升輥壓機運行的可靠性及高效性。下面將從其技術先進性、可靠性、安全性、經濟性 4 個方面一一論述。

(1) 先進性 分布式 I/O 控制系統遵循開放式、標準化、模塊化和系列化設計理念，控制系統中各I/O 子站采用局域網方式通信，實現信息傳輸。分布式 I/O 控制系統擴展、移植性強，便于增加或刪減相應的 I/O 子站，且不影響系統其他 I/O 子站的工作。

(2) 可靠性 分布式 I/O 控制系統通過網絡通信形式完成數據交換，使用單一可靠的通信線纜替代復雜冗余的信號硬接線。通信線纜可根據傳輸距離選用網線或光纖，有效地解決了信號干擾及失真問題。同時，也避免了控制信號在遠距離傳輸途中造成的衰減，降低了信號采集的故障率。

(3) 安全性 分布式 I/O 控制系統可在設備附近完成對儀表信號的模數、數模轉換處理工作，使得儀表信號就近在 I/O 子站得以處理，真正實現物理分散[5]。此外，強、弱電信號的分離還提高了設備操作的安全性。

(4) 經濟性 分布式 I/O 控制系統中信號模塊無需與主控制器保持同一系列，可選用經濟型模塊，有效地降低成本投入。I/O 子站與主控制器之間僅需一根動力電纜和一根通信線纜連接，節省了信號電纜、橋架等材料的投入。同時，現場施工可實現平行交叉同步作業，有利于縮短項目安裝調試周期，減少人力資源投入。

5 應用實施

輥壓機分布式 I/O 控制系統已成功應用在寬城某輥壓機現場，其分布式 I/O 控制系統網絡結構如圖 7所示。

圖7 輥壓機分布式 I/O 控制系統網絡結構Fig.7 Network structure of distributed I/O control system for roller press

可以看出，輥壓機分布式 I/O 控制系統由 PLC控制柜、就地控制箱和遠程 I/O 箱組成。其中，PLC控制柜作為主站，采用西門子高性能 CPU 1511-1PN為主控制器，同時，在 PLC 控制柜內配置一個本地I/O 子站，作為主控制器的 I/O 信號模塊，用于完成主傳設備及輔機設備 (液壓泵、潤滑泵、電加熱器等)聯鎖保護信號的采集，并對其進行邏輯處理。

另外，根據輥壓機附屬設備控制功能進行劃分，在設備現場設置輥壓機就地控制箱 (RLCP)，對應 I/O 子站命名為遠程 I/O-1 站；另設置遠程 I/O箱 (RI/OP)，對應 I/O 子站命名為遠程 I/O-2 站。其中，I/O 子站選用西門子經濟型 PLC——ET200SP。

輥壓機就地控制箱 (RLCP) 安裝在輥壓機附近，內置遠程 I/O-1 子站主要完成主電動機繞組及軸承測溫、輥縫位移、液壓系統壓力等模擬量的實時采集，以及氣動閘門系統信號聯鎖。控制箱面板上配置有控制按鈕及關鍵性指示燈，可實現就地對輥壓機主電動機及輔機系統的一鍵啟?？刂?。同時，選用西門子 TP1200 觸摸屏作為輥壓機控制系統的人機交互界面，將其內嵌安裝在輥壓機就地控制箱 (RLCP) 面板上，便于現場巡檢人員觀察、記錄輥壓機運行狀態及報警故障信息。

遠程 I/O 箱 (RI/OP) 安裝在主軸承干油潤滑系統旁，內置遠程 I/O-2 子站主要完成減速器及其冷卻站、主軸承油脂潤滑系統信號監測及邏輯控制。

輥壓機分布式 I/O 控制系統信號模塊配置清單如表 1 所列。

表1 分布式 I/O 控制系統信號模塊配置清單Tab.1 Configuration list of signal module of distributed I/O control system

為了保障輥壓機分布式 I/O 控制系統通信網絡的穩定性及可靠性，利用軟件程序實時監測網絡狀態，網絡故障記錄如圖 8 所示。

圖8 分布式 I/O 控制系統網絡故障記錄Fig.8 Fault records of distributed I/O control system network

目前，該項目已調試完畢，竣工驗收后已交付用戶使用，設備整體運行穩定可靠。整個設備的安裝調試周期縮減 30%，用戶的施工投入減少 40%，產生了很好的經濟效益。

6 結語

分布式 I/O 控制系統在輥壓機上已成功應用，并達到預期效果。主控制器與 I/O 子站之間僅通過通信線纜連接，有效地解決了現場儀表信號的電磁干擾及信號失真問題，保障了現場儀表信號的可靠性及安全性；電纜、橋架、人力等投入的減少，節省了項目成本；模塊化設計使得調試工作快捷簡便、信號增減方便、系統擴展靈活。由此可見，分布式 I/O 控制系統在技術先進性、可靠性、安全性、經濟性各方面均優于傳統集中控制系統，增加了系統的穩定性、連續性和可擴展性，可在輥壓機及其他設備電控系統中推廣應用。