科研開發(fā)
輥壓粉磨系統(tǒng)的經(jīng)濟適用型控制方案
合肥水泥研究設(shè)計院 杜明星 許瑞康 許瑞超
1 概 述
隨著輥壓機的應(yīng)用不斷增加，輥壓粉磨系統(tǒng)已有多種工藝流程可以選擇。如，輥壓預(yù)粉磨、輥壓混合粉磨以及新開發(fā)的輥壓半終粉磨和輥壓聯(lián)合粉磨系統(tǒng)等。無球磨的輥壓終粉磨系統(tǒng)作為國家九 ? 五攻關(guān)課題也正在進行之中。輥壓半終粉磨和輥壓聯(lián)合粉磨系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的輥壓粉磨系統(tǒng)。而與之配套的電氣自動化控制系統(tǒng)作為整個輥壓粉磨系統(tǒng)不可分割的一部分，起到了穩(wěn)定工藝參數(shù)、提高勞動生產(chǎn)率和文明生產(chǎn)的作用。本文結(jié)合安慶白鰭豚水泥有限公司、江蘇花山特種水泥廠、江蘇灣山水泥廠等廠輥壓半終粉磨和輥壓聯(lián)合粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用，對其電氣自動化控制過程進行了探索和實踐，提出一種經(jīng)濟適用型解決方案。供參考。
2 控制系統(tǒng)的基本配置
系統(tǒng)方案采用 SIMATIC S7-300 可編程控制器，上位機采用研華工控機，由 Wincc 軟件實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)控制。SIMATIC S7-300 可編程控制器采用模塊化設(shè)計，無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)且易于實現(xiàn)分布。多種性能的 CPU 和豐富的多種 I/O 模塊可供選擇。尤其當(dāng)擴大任務(wù)規(guī)模時，可隨時使用附加模塊對 PLC 進行擴展。其電磁兼容性和抗震動、抗沖擊性均能夠滿足工業(yè)環(huán)境。SIMATIC Wincc 的設(shè)計思想是視窗控制中心、建立在標(biāo)準(zhǔn)個人計算機硬件以及 WINDOWS NT/95/98 操作系統(tǒng)下的功能較全面的監(jiān)控系統(tǒng)。 Wincc 具有全面的開放性，可通過開放的接口開發(fā)新的應(yīng)用軟件。 Wincc 的基本系統(tǒng)即可滿足我們的控制要求。
3 控制方案的應(yīng)用
3.1 安慶白鰭豚水泥有限公司
該水泥廠 4# 水泥磨原為 600t/d 旋窯生產(chǎn)線的水泥粉磨車間，由 Φ3 ′ 9.0m 球磨機加選粉機構(gòu)成了傳統(tǒng)的閉路水泥粉磨系統(tǒng)。技術(shù)改造后，增加了兩臺主機設(shè)備： HFCG120/40 輥壓機及 SFC500/100 打散分級機各一臺。投產(chǎn)后經(jīng)實物標(biāo)定，臺時平均產(chǎn)量為 55.8 t/h ，電耗為 29.1kWh/t (425# 硅酸鹽水泥 , 比表面積 310m 2 /kg) 。在輥壓機框架內(nèi)設(shè)兩層控制室 ,0.00m 控制室為中控室， 5.50m 控制室為電力室。原磨房控制室保持不變。 5.50m 電力室距原磨房控制室約 40m 。根據(jù)合同要求，本項目既作為技術(shù)改造同時又作為合肥院九 ? 五攻關(guān)項目的試驗線。故在工程設(shè)計中，設(shè)計了三種工藝流程。一種為輥壓半終粉磨，第二種為輥壓聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，第三種為無球磨的輥壓終粉磨系統(tǒng)。這三種粉磨流程可按要求隨時方便的切換。同時，為配合九 ? 五攻關(guān)項目的試驗，輥壓機采用變頻調(diào)速，振動監(jiān)測。其工藝流程見圖 1 。
3.1.1 控制系統(tǒng)配置及投資
采用 SIMATIC S7-300 可編程控制器作現(xiàn)場控制站。其中，系統(tǒng) I/O 站作為 1# 站，輥壓機作為 2#I/O 站。磨房原有部分設(shè)備由 ET200 組成磨房 I/O 站。磨房 I/O 站和打散機的分級電機的變頻器、輥壓機活動輥和固定輥的變頻器、板鏈?zhǔn)搅巷炍沽蠙C的變頻器等作為 PROFIBUS-DP 從站。見圖 2 。
由圖看到，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分兩層，其一為 MPI ，即多點接口，其二 PROFIBUS-DP 接口。 MPI 多點接口負責(zé)連接兩臺工控機及 1#I/O 站和 2#I/O 站。 PROFIBUS-DP 接口負責(zé)連接 ET200 和各臺變頻器。 1#I/O 站與 2#I/O 站采用全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊實現(xiàn)過程控制。
系統(tǒng)控制點數(shù)： AI=48 AO=10 DI=144 DO=64
上位機：研華工控機 17' 彩顯 PIII500 128MRAM WIN98
投資額： 24 萬元
該配置的特點為： 2 臺單用戶操作員站，相互獨立，相互備用?？梢慌_作為系統(tǒng)監(jiān)視操作，一臺作為輥壓機等主機設(shè)備的監(jiān)視操作。
3.1.2 電氣系統(tǒng)配置
對原磨房電氣控制柜進行線路改造，為了盡量減少改動工作量，以加轉(zhuǎn)換開關(guān)的方式來滿足控制要求。新增部分開關(guān)柜選用 GCK 抽屜式開關(guān)柜。控制方式選擇開關(guān)設(shè)在現(xiàn)場。電器元件選用 ABB 產(chǎn)品。變頻器選用 SIEMENS 產(chǎn)品。打散機的分級電機變頻器選用 SIEMENS MDV3700/3 ，輥壓機主電動機變頻器選用 SIEMENS 6ES7035 — 1EK60 250kW ，板鏈?zhǔn)搅巷炍沽蠙C的變頻器選用 SIEMENS MMV550/3 。為滿足通訊要求，各臺變頻器均配置 PROFIBUS 通訊接口模塊。
3.1.3 控制程序設(shè)計
該控制系統(tǒng)設(shè)置集中—停止—機旁三種控制方式，選擇開關(guān)設(shè)在現(xiàn)場，機旁優(yōu)先。控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括以下幾個功能：半終粉磨控制程序，聯(lián)合粉磨控制程序，終粉磨控制程序，模板狀態(tài)檢測程序，開機畫面，歷史趨勢，報表記錄
? 江蘇省花山特種水泥廠
該水泥廠新建一條水泥半終粉磨生產(chǎn)線，由兩臺球磨機(一臺為 Φ2.2×6.5m, 一臺為 Φ2.2×7.5m )， HFCG120/40 輥壓機及 SFC500/100 打散分級機各一臺組成。于 2001 年 2 月投產(chǎn)。在輥壓機框架內(nèi)設(shè)中控室。采用庫底配料，共有 12 臺熟料配料秤，一臺石膏秤，一臺混合材秤。入磨物料采用粉體喂料秤實現(xiàn)穩(wěn)定喂料?？刂屏鞒桃妶D 3 。
3.2.1 控制系統(tǒng)配置及投資
采用 SIMATIC S7-300 可編程控制器作現(xiàn)場控制站。其中，系統(tǒng) I/O 站作為 1# 站，輥壓機作為 2#I/O 站。打散機的分級電機的變頻器、選粉機風(fēng)機的變頻器、板鏈?zhǔn)搅巷炍沽蠙C的變頻器等作為 PROFIBUS-DP 從站。見圖 4 。
由圖看到，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分兩層，其一為 MPI ，即多點接口，其二 PROFIBUS-DP 接口。 MPI 多點接口負責(zé)連接工控機及 1#I/O 站和 2#I/O 站。 PROFIBUS-DP 接口負責(zé)連各臺變頻器。 1#I/O 站與 2#I/O 站采用全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊實現(xiàn)過程控制。
系統(tǒng)控制點數(shù)： AI=48 AO=24 DI=80 DO=48
上位機：研華工控機 17' 彩顯 PIII500 128MRAM WINNT
投資額： 23 萬元
3.2.2 電氣系統(tǒng)配置
開關(guān)柜選用 GCK 抽屜式開關(guān)柜。控制方式選擇開關(guān)設(shè)在各個抽屜上。電器元件選用施耐德產(chǎn)品。變頻器選用 SIEMENS 產(chǎn)品。打散機的分級電機變頻器選用 SIEMENS MDV3700/3 ，選粉機風(fēng)機變頻器選用 SIEMENS MDV1750/3 ，板鏈?zhǔn)搅巷炍沽蠙C的變頻器選用 SIEMENS MMV550/3 。為滿足通訊要求，各臺變頻器均配置 PROFIBUS 通訊接口模塊。
3.2.3 控制程序設(shè)計
該控制系統(tǒng)設(shè)置集中—停止—本盤三種控制方式，選擇開關(guān)設(shè)在抽屜上，集中優(yōu)先?？刂瞥绦虿捎媚K化結(jié)構(gòu)，主要包括以下幾個功能：半終粉磨控制程序，水泥配料程序，穩(wěn)流稱重倉料位自動調(diào)節(jié)程序，模板狀態(tài)檢測程序，開機畫面，歷史趨勢，報表記錄。該程序的特點在于實現(xiàn)多庫搭配喂料，根據(jù)化驗室要求可隨時設(shè)定各下料點的下料系數(shù)，石膏及混合材下料量自動跟蹤熟料下料量，而穩(wěn)流稱重倉的料位在 FUZZY — PID 復(fù)合調(diào)節(jié)的作用下始終保持在設(shè)定值。各主要設(shè)備均設(shè)有電流監(jiān)控，當(dāng)設(shè)備負荷超過上限時，在屏幕畫面上出現(xiàn)聲光報警;當(dāng)設(shè)備負荷超過上上限時自動停機且關(guān)閉與之相關(guān)的設(shè)備。
? 江蘇省灣山水泥廠
該水泥廠原有一條輥壓機生產(chǎn)線。技改后新增一條輥壓機生產(chǎn)線。輥壓機為 HFCG120/36 ，打散機為 SF500/100 。于 2001 年 3 月投產(chǎn)，在輥壓機框架內(nèi)設(shè)中控室，。原磨房控制室保持不變。原配料系統(tǒng)不變，但與新系統(tǒng)互連網(wǎng)。流程見圖 5 。
由圖中看到，兩套輥壓機閉路粉磨系統(tǒng)共用配料系統(tǒng)，共用成品入庫的輸送設(shè)備。共用設(shè)備的控制將成為本控制工程的關(guān)鍵。
3.3.1 控制系統(tǒng)配置
采用 SIMATIC S7-300 可編程控制器作現(xiàn)場控制站。其中， X 線系統(tǒng) I/O 站作為 1# 站， Y 線系統(tǒng) I/O 站作為 2#I/O 站。磨房原有部分設(shè)備不考慮。打散機的分級電機的變頻器、料餅喂料機的變頻器等作為 PROFIBUS-DP 從站。見圖 6 。
由圖看到，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分三種，其一為 MPI ，即多點接口，其二 PROFIBUS-DP 接口，其三為采用 TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。 MPI 多點接口負責(zé)連接兩臺工控機及 1#I/O 站和 2#I/O 站。 PROFIBUS-DP 接口負責(zé)連接各臺變頻器。 1#I/O 站與 2#I/O 站采用全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊實現(xiàn)過程控制。 TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)負責(zé) 1#I/O 站、 2#I/O 站與配料站的通訊。
3.3.2 電氣系統(tǒng)配置及投資
新增部分開關(guān)柜選用 GGD 式開關(guān)柜?？刂品绞竭x擇開關(guān)設(shè)在控制柜上，分組切換。電器元件選用 ABB 產(chǎn)品。變頻器選用 SIEMENS 產(chǎn)品。打散機的分級電機變頻器選用 SIEMENS MDV3700/3 ，料餅喂料秤的變頻器選用 SIEMENS MMV450/3 。為滿足通訊要求，各臺變頻器均配置 PROFIBUS 通訊接口模塊。
系統(tǒng)控制點數(shù)： AI=80 AO=16 DI=160 DO=96
上位機( 2 套)：研華工控機 19' 彩顯 X2 PIII500 256MRAM WINNT
投資額： 36.8 萬元
該配置的特點為：操作員站一機雙屏，可同時進行系統(tǒng)監(jiān)視操作和輥壓機等主機設(shè)備的監(jiān)視操作。
3.3.3 控制程序設(shè)計
該控制系統(tǒng)設(shè)置集中—停止—本盤三種控制方式，選擇開關(guān)設(shè)在控制柜上，集中優(yōu)先?？刂瞥绦虿捎媚K化結(jié)構(gòu)，主要包括以下幾個功能：聯(lián)合粉磨控制程序，料餅喂料秤程序，配料倉料位控制程序，穩(wěn)流稱重倉料位控制程序，動態(tài)鏈接程序，模板狀態(tài)檢測程序，開機畫面，歷史趨勢，報表記錄
該程序的特點在于實現(xiàn) 2 個 I/O 站與配料站的數(shù)據(jù)通訊，從而實現(xiàn)配料倉的料位自動控制。配料倉料位控制采用 FUZZY-PID 復(fù)合控制，由 1#I/O 站或 2#I/O 站實時運算出配料總量， Wincc 調(diào)用動態(tài)鏈接程序送至配料站來實現(xiàn)配料倉料位的控制。穩(wěn)流稱重倉的料位也采用 FUZZY — PID 復(fù)合調(diào)節(jié)器自動控制料位。各主要設(shè)備均設(shè)有電流監(jiān)控，當(dāng)設(shè)備負荷超過上限時，在屏幕畫面上出現(xiàn)聲光報警;當(dāng)設(shè)備負荷超過上上限時自動停機且關(guān)閉與之相關(guān)的設(shè)備。
上述控制系統(tǒng)的接地處理：由于使用了多臺大功率的變頻器，計算機系統(tǒng)的接地處理更顯得重要。首先，變頻器引致電動機的電纜要求單獨穿管，管壁要求可靠接地。計算機系統(tǒng)使用單獨接地系統(tǒng)，接地電阻小于 1 歐姆。系統(tǒng)中所有的信號電纜的屏蔽層及通訊電纜的屏蔽層均經(jīng)匯流排接至接地母線。
4 效益評估
上述控制系統(tǒng)自投運以來，效益顯著，主要體現(xiàn)在：提高設(shè)備的使用效率。 通過對輥壓機、打散機等相關(guān)設(shè)備一體化、綜合自動化，替代以往靠人工觀察和經(jīng)驗進行操作，實現(xiàn)主機設(shè)備最優(yōu)化運行，降低了主機設(shè)備故障率，延長其使用壽命和維護周期。同時該系統(tǒng)采用了實時負荷控制，提高了設(shè)備的利用率，減少了設(shè)備的空轉(zhuǎn)率，實現(xiàn)節(jié)能。增強可靠性、安全性。 生產(chǎn)過程實現(xiàn)了全車間的聯(lián)鎖控制、單機的現(xiàn)場總線控制?？赏ㄟ^主機設(shè)備運行異常報警和及時關(guān)機，避免人為誤操作可能造成的設(shè)備損害，增強了系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。 減輕工人的勞動強度。 通過控制系統(tǒng)各個 I/O 站的實時自動監(jiān)控聯(lián)鎖，操作工人只須在中控室監(jiān)視并進行相應(yīng)操作，現(xiàn)場只須定期巡檢。減少了職工的勞動強度，也可減少職工人數(shù)，達到減員增效的目的。為未來企業(yè)綜合自動化和信息管理提供堅實基礎(chǔ)。 該系統(tǒng)能保存有關(guān)的主要參數(shù)運行狀況，實時運行曲線，具有豐富的信息管理功能，為全廠管理信息系統(tǒng)( MIS )提供底層數(shù)據(jù)，并為今后的維護和擴展帶來極大的方便。
綜上所述，該控制方案投資省，具有開放性及先進性。是一種控制任務(wù)的既方便又經(jīng)濟的解決方案。
