基于触摸屏与PLC的回转窑高温风机控制系统设计.pdf

触 摸 屏 技 术 基于触摸屏与P L C的回转窑高温冈机 控制系统设计 戴欣平 ， 王柏祥 ，俞章毅 1 ． 金 华职 业技术 学院 ，浙 江金 华 ；2． 浙江 大学，浙江杭 州3 2 l 0 0 7 [ 摘要] 介绍了一种高温风机的控制系统，该系统利用P L C作 为D CS的过程控制站，以触摸屏为人机 界 面，具有控制可靠性好、操作 简便、智能化程度高的特点，经实际应用证明是 目前高温风机 控 制技 改 的一 种优选方 式。 关键词回转窟高温风机P L C触摸屏D C S 0 引言 目前，水 泥 回转 窑的控制 系统正逐步 由分 区控 制 向计算机 集散 控制系统 DCS和现场 总线控制 系统 FCS过渡 。窑尾高温 风机作 为其 中的一个 收稿 日期 2 0 0 4 1 2 0 8 作者 简介戴欣平 1 9 6 7 一 ，男，讲师，工程硕士 ，现从事 机 电控制工程研 究与教学工作； 王柏祥， 男，副教授 ； 俞章毅， 男，工程师。 过程控制级 ，在 回转窑烧成系统 中起着关键性作用。 其主要功能有①排 出回转窑内的 Co等废气，保持 窑内氧气的含量，保证煤粉的完全燃烧； ②形成气流 方向，使气体流动方向与物料流动方向相反，使物料 与空气充分 接触 。然而 ，高温风 机长期工作 在高转 速、高温度 、含粉尘的恶劣环境 中，极 易发生故障。 如果 高温 风机不 能正常工作 ，就会影响 到生产线 的 产量 、能耗与产 品质量，严 重时甚至会 导致生产线 的停机，造成重大经济损失 。本文提 出以PL C作 为 DCS系统 的过程控制站， 以触摸屏为人机界面 的控 制 方式， 实现 对高温 风机 更可靠 、更有效 的控 制 。 为了有 效控制 系统惯 性，必 须使 用变频 器对平 板机 实施 “ 多段速 ”运 行控制 。在 多段速 方案 中， 平板机 的运 行轨迹如 图 3。程序首 先对脉 冲进 行计 SI S2 图3 平板机运行轨迹 数， 当脉冲数到达降速点 。 时，P L C发 出降速信号 给 变频器， 变频 器降速运 行。程序继 续对脉； 中进 行 计 数， 同时记 下相邻 两脉 ； 中的 时间间 隔△ t ，计 算 出钢板在 ／ k t时间 内的平 均速度 。再把该值 与上一 时刻的平 均速 度一起计 算，就可 以求 出当前钢板 的 速 度 。这个计算一直进行到时刻 S ， ，这就最 终确 定 了 。按 照式 1计算 出缓冲量 x。主程序依 据 l 柏 四圃圈2 0 0 5 年4 期 x值 作出决 策，PLC发出停机信号给变频器，平板 机 在 变频 器控 制下停 机 。 3 ． 3输出 主程序发 出停机命令 后，程 序流程转 向输 出部 分 ， 主程序依 次 向执行部 件发 出一 系列控 制命令 。 4 结束语 该系统 与原来 的人 工控制相 比，不 仅大大提高 了产 品质 量 ，使 误 差控 制在 2mm 国家 标准 5 mm ，而且创造 了 良好 的经 济效益 ；由于采 用了 P LC 自动控制 ，操 作人员的工作量大大减 少，劳动 生产率大大提 高 。同时，可对产 品产 量进行 自动统 计；对产 品质 量 自动跟 踪备案 。此系统 已经 在十几 家钢 板校平 企业 推广应 用 ，有显 著 的社会效 益 。 参考文献 【 1 】 杨长能，张兴毅． 可编程序控制器基础及应用． 重庆大学出 版社 ，1 9 9 2 维普资讯 触 摸 屏 技 术 1 高温风机驱动系统组成 高温风机驱动系统由高温风机、液力偶合器 、高 压电机 和稀油站 4部分组成 ，其结构示意 图如图 1 。 风 机电 动执行 器 图1 高温风机驱动系统示意图 高 温 风 机 一 般 为 离心 式 风 机 ， 可 设 置 调 节风 门，在 0～9 0 。内无级调节，控制风机进 口流量 。在 主 电机停 机后 ，为 了防止风 机转轴在 高温下停 转而 发生 弯曲，启动慢 转 电机 进行盘机 。风 机所需能耗 较大，根据窑产量，配置电压 1 0～3 0 k V、功率 5 0 0～ 1 2 0 0 k W 的高压 电机，高压电机设有专用控制柜， 并 与PLC连接， 实现联 锁控制；液力偶合器是高温风 机 系统 的调速 装置，利用 勺． 杆调节其腔 内油压， 实 现风机 转速的 无级 调节；筛_ j 由站是提供 耦合器压 力 油及风 机轴承 与电机轴承 冷却润滑 油的装置，设 置 有 2只油 泵，互 为备用 。 造成高温风机故障的主要原因有以下 3个方面。 1过高 的气流温度 。高温风机 正常工作 的气 流温度在 2 5 0～3 5 0℃之间，但若 回转窑生料供应减 少或停料，气流温度则明显升高，往往会达到 4 5 0 ℃ 以上，甚 至达到 6 0 0℃以上，这 会引起风机本体结 构参数 变化， 如轴档 间隙、风叶与壳体 强度等， 从 而 造成风 机 运行 性能 改变 。 2风机运行的动平衡失调 。在工作过程 中，气 流 中的一些低熔 点粉尘 容易在风叶 上存积，直接 导 致风机 动平衡 失调 、转速 下降 、振动 加剧 、效 能降 低等 故 障，甚 至会 引起 风机 爆炸 。 3高温风机 系统 部件故障 。如稀油站供油 压 力不 够， 风机 与 电机 轴承 得不 到充分 冷却 与润 滑 、 偶合器油 温过高 、高压 电机 绕组过热等 故障，都会 造成 高温 风机 运 行不稳 定 。 因此 ，对于风机 内的气温 、各 轴承振动 、稀油 站 出口油压 、偶 合器油温等 参数进行 在线监控， 及 时发现 异常现 象，并采取 有效措施， 可避免故障 的 扩 大 。 2 控制系统结构与工作原理 高 温风机 控制系统 属回转窑 生产线 的一 个过程 控制站 ，其功能是监 测 、控 制、调节 和保 护风机机 组，并 实现与 中控 的通讯联 系，将现场信 号反馈 至 中控，执行 中控指令。控制系统由高温风机检测柜 、 高压 电机 控制柜 、变送器箱和 各类传感器 及执行 元 件等器 件组成， 其结构 示意 图如图 2。 I 。 触摸屏 C P U 模 块 匹 崔开 关 】 - 指 令 l 开关 - 传感 器 I 橙} U-错 雄 枷 桂 儒 模拟■输 一 4点模拟■输入 ． 八模 块 ．f ‘L 风 门 开 鏖 勤 I 模 拟 ■ 输 出 模块 l l _ ⋯一⋯ 开关■输 A o DO 出 模 块 ] l 风 门 开 度 与 转 速 输 出 ． A I 开关■输 风机运行状态开关■输出 1． D I由 出 模块 _ - 1 逸盘 丑 翅I 叫 熊 揎墅 茎I 。 控 图 2 控制系统结构示意图 高 温 风机 控 制 系统 中， 高温 风 机 检 测 柜 是 核 心，其主要由 P LC、触摸屏 、模拟量转换板 、电源 和中间继电器等硬件组成 。P L C选用欧姆龙 cQMl H 系列，包括 1 个 C QM1 H． CP U5 ． 1 型 CP U模块 、2个 CQM 1一OC2 2 2型开关量输出模块 、1 个 CQM1一 AD0 4 1型模拟量输入模块 、1 个 CQM1一DA0 2 1型 模拟量输出模块及 电源模块。P L C与触摸屏采用 RS 一 2 3 2 C通讯接 口，最高数据传输速度可达 l 1 5 ． 2 k b ／ s ， 采 用光纤 或双绞 线 与 中控连接 。 因系 统输 入 的温 度 、振 动 等 信 号 均 为 模 拟 信 号， 需用模拟量 模块进行处理 ，共计输 入模拟 量信 号 2 0个 。而 1个 P L C模拟量输入模块只有 4个输入 点， 因此 需 5个输入 模块，这使 系统硬件成本 大大 增加 。而本控制 系统采 用模 拟量转换板来扩充 P LC 模拟量输入 点数， 只需 1块模拟 量输入模块 即可实 现 2 0个模拟量输入。模拟量转换板与 CP U、模拟量 输入模块连接如图 3 。 1 、1 风机轴承水平振动 2 、1 风机 轴承垂直 振动 3 、2 风机 轴承水平 振动 4 、2 风 机轴承 垂直 振动 5 、1 风机轴承温度 6、2 风机 轴承温度 7 、风 机进 口气温 8 、液力偶合器进口油温 9 、液 力偶合 嚣出 口油温 l 0、主电机 A相温 度 1 1 、主电机 B相温度 l 2 、主电机 c相 温度 1 3 、1 主电机 轴承温 度 1 4 、2 主电机 轴承温 度 l 5 、耦合器进 口油压 l 6 、稀油站 出 口油 压 l 7 、风 门开度 反馈 l 8 、勺杆开度反馈 l 9 、风 门开度 远程给 定 2 0 、风机 转速 远程给 定 图3 模拟量转换板联接示意图 模拟量转换板利用内部 的 CD4 0 6 0 BE模块发 出 2 0 0 5 年4 期 四圆圈 4 7 维普资讯 触 摸 屏 技 术 的循环采样 指令，每 次顺序采集 4个模拟量 信号输 送到 A1 、A2 、A3 、A4 4个输出 口，通过模拟量输 入模块将信 号送入 P LC 中央处理单元，同时将采样 编码 ABc 以二进制形式 同时送入 P LC 中央处理 单 元，使 P LC 能够识 别送入信号的性质 。其采样规律 见 表 1 。 表 1 模 拟量转换板采 样规律表 采样编码ABC值 0 00 0ol 0l 0 0I l l 0 o A2 2 6 1 0 1 4 l 8 3 P L C软件设计 控制系统设 置就 地 一手动 、就地 一自动和 中控 一 自动 3种 控制 方式 。 1 就地 一 手动 。通过触摸屏实现对主电机 、慢 转 电机 、1 油 泵、2 油泵、稀油站加热器 手动启停 及风机 风 门开度 、勺杆 开度手动调 节。此控 制方式 主 要在 单机调 试 和检修 时应 用 。 2就地 一自动 。通过 触摸屏实现对 高温风机 运 行的 自动控 制过程 ，包括 自动 启停机 、自动调整 风 门与 勺杆 开度 、自动报 警与停机 等功能 。此控制 方式在 系统 与 中控无联 系或试 车 时应用 。 3 中控 一自动 。通过 中控实现 对风机 风 门开 度 、勺杆开 度的 自动 控制，并 能实现其他预 定的 自 动 控 制 功 能 。此 方 式 为实 际 生产 过程 中的 控 制 方 式 。 3 ． 1系统自动启动控制 系统 启动 时，液力耦合器 、稀油站运行需正常， 输 出油压应在 正常范 围 内， 以保 证风机轴承 与主 电 机 轴承冷却 润滑充分 。并且风机风 门和耦合器 勺杆 在 启动 时，应 处于 关闭位 置，保 证主电机在 无负荷 情 况下 启动 。 自动 启动流程 框图如 图 4。 Rt _j T 在 下启动按钮l 臣囱 匝五回 臣蛔 丽齑 、世王Q ／ Y● 匝五回 图4 系统自动起动流程框图 3 ．2系统 自动停车控制 主电机停车后，风机转速下降，当转速小于6 0 r ／ mi n 柏 四圆豳2 0 0 5 年4 期 时， 系统应 自动 启动慢 转 电机， 使 风机慢 转 降温 。 当风机 壳内温度降至 5 0℃以下 时，停车不会造成风 机轴 弯曲，系统 自动停止慢 转电机；若遇 紧急情况 或有必要让 慢转 电机停 车，可 按下慢转 电机 停止按 钮，慢转 电机停 车，系统停 止运行 。自动停车流程 框 图 如 图 5。 按下停止按钮 I J 主 电 机 停 车 ， l l整 速 工睦 l 而 ． ＼ ／ l 起动运行 l ’ 图 5 系统 目动停车流程框 图 3 ． 3 自动报警与自动停机控制 控 制 系统 对高 温风机 运 行状 态进 行在 线监 控 ， 主要 监测高温 风机的进风 温度 、风机 轴承与 主电机 轴 承的水平 、垂直振动 及温度 、稀油 站与耦合器 的 进 出 口油压及 油温 、主 电机 三相绕组 温度等模拟 量 参数 。风机正常工作 时， 它们的值在一定的范 围内， 超 出这一范 围，则说 明风机 系统 存在 故障，应 及时 采取 相应的措施 。控制 系统 根据各参 数监测值 的大 小，设定报警值 与停机值 。本系统共设 定报警值 3 0 种 、停机值 1 2种 。 当出现报 警或停机后 ，控 制系统 自动 将报警或 停机 的参数 、数据 、发 生时 间进 行记 录，并列 出故 障 的可 能原 因， 以便操 作人 员及 时排除 故障 。 3 ． 4其他控制功能 在 环境温 度较低的 情况下， 稀油站 液压油容 易 凝结 ，粘度会增 加，其 出 口油压不稳 定， 因此，在 稀油站 内设置 电加热器。当油温低于 1 0℃时， 自动 接通加热器加热， 当油温超 出 2 0℃时， 自动切断加 热 。当慢转 电机和 1 、2 油泵 出现过载 时， 其保护 热继 电器动作，P LC指令停 止慢转 电机和 1 、2 油 泵 ，并将 报警 信 号传递给 中控 。 4 触摸屏画面设计 触摸 屏是一 种适用于 工控 的人机 界面 ，本控 制 系统选用 P r o f a c e公司生产的 GP 2 5 0 l L G4 1 2 4 V型触 摸屏，并用 GP P RO／ P BⅢ画面编辑组态软件进行画 面 编辑， 主要 实现 以下功 能 1显示高温风机 系统各部分 的运行状况，设 定 系统控制所 需的按钮， 满足就地 控制及控制模 式 转换 要 求 。 2故 障自动报警显示，记录最近 1 0次报警及 维普资讯 l i ra摸 屏 技 术 停 机参 数 、数据 、发 生时 间及动 态值 。 3预设操 作指南 、故 障原 因分析及 故障排除 方法 ，指导 操作 人 员操作 及维 护 。 4运 用 D 脚本软件进行 画面数 据处理，减少 P LC编 程量 ，提 高通信传 输速率。 4 ． 1画面设计 1主画面。主 画面 为系统的操作 画面，设置 高 温 风机 的结 构 图 ，显 示 工 作 时各 部 分 的运 行状 态 、主要参 数 、日期 时间和 即时故障等信 息，并设 置 进入故 障查 询 、参数 查询 、参 数设置 、使 用说 明 查 阅页面按 钮 。在 画面左上 方设 有 窗 口显 示 区域 ， 点 中结构 图的任一部件 ，窗 口即出现该部件 的操作 按 钮， 可 以对风机 各部 件进 行控 制 。系统运 行 时， 主轴 以动 画显示 ，直观 明显 。主画面 如图 6。 图 6 主 l 璺 I 面 2故障查 询画面 。故 障查询画面包括 故障一 览 表画面 、故 障报警记 录画面及状 态分析 画面，由 主 画面按钮进入，主要显示 3 0种故 障原 因说 明及排 除方法 、最近 1 0次故障报警记 录及 系统运行状态分 析 表。当风机 系统运行发 生异常 时，系统通过 画面 和 声音进行报 警，并显示 故障原 因及 排除方 法，便 于 操作 人 员及时 分析 处理 。 3参数显 示与更改 画面 。参数显示 画面主要 以表格形式显 示风机运行 时各部件 主要运行参 数及 运行状 态，包括 温度 、油压 、振动 、开度 、运 行时 长 、启动次数及 是否正 常运行等参数 ，操作人 员可 以方便查 询 系统运 行的实 时数据及运 行状态 。参 数 更 改 画 面设 置 控 制方 式 转换 按 钮 ， 实现 自动 一手 动 、远程 一就 地控制方式 的转换 ，为了防止其 他人 员的误操 作， 设置 密码 登录 。 4使用说 明画面。该 画面设置触摸屏操 作使 用说 明， 方便操 作 人 员操 作 。 4 ． 2 D脚本软件设计 在触摸 屏 画面制作过 程 中， 需要对一 些数据进 行处理 ，包括运算 、判断 、转移 、复位 和一些动 画 的制作。若这些数据处理 完全 由 P LC完成，则大大 增加 了 P L C的负担 ，减缓了通信速率，并增加 P LC 编程工作量与难度。因此，采用 D脚本编程语言 D- S c r i p t 或 Gl o b a l D． S c r i p t ，使触摸屏 自身完成上述 画面数据处理，减少 P L C程序量，提高 系统通信速 率 。 本 系统 的主画面 与故障一 览表画 面中均有 大量 的窗 口显示 画面，这些 画面显 示位 置是重叠 的，一 次 只能显示 1幅窗 口画面 ，在满足 不同的触发 条件 后，弹出相应的窗口画面，该控制可以采用 D- S c r i p t 脚 本指令 实现 ； 画面指 示灯 的亮灭也可用 脚本指令 实现 。主 画面 D 脚本指令 与说 明见表 2。 表2 主画面 D脚本指令及说明表 D脚 本 编号 00 0 01 说 明 系统启动 进人主画面后，系统启 动时，显示 启动 ， 运行 与 停 止 不 显 示。 0 0 0 0 2 l f [ b L S 1 0 0 0 0 1 】 1 a n d 跳主机 启动 在待机状态下，若风 【 wDM0 1 7 4 1 5 a n d f -1 开度与勺杆开度均小于5 ％ 则说 【 w D MO I 7 8 ] 5 a n d 明风 门与勺杆基本处于 关闭状态， 【 b 0 1 0 3 0 1 】 1 此时若油泵运行正常，跳出主机启 【 [ w L S 0 0 9 2 ] 1 动按钮 。 e n di f 0 0 0 0 3 【 b L S 1 0 0 0 0 2 ] 1 主机启动按下主机启动确定按钮， 【 wL S 0 0 9 0 ] 0 显示 “ 运行 ，“ 启动 与 “ 停止 不 【 w L S 0 0 9 1 】 O 显示。 此时， 可 由系统结构图触发弹 【 w L S 0 0 9 2 ] 0 出控制按钮窗口画面，实现相应操 【 b L S 1 0 0 0 01 】 O 作。 【 b L S 1 0 0 0 0 3 ] 0 0 0 0 0 4 【 b L S 1 0 0 0 01 l 搴 0 系统停止显示 “ 停止 ，“ 启动 与 【 w L S 0 0 9 0 ] 0 “ 运行 不 显 示 。 【 w L S 0 0 9 l 】 O 1 wL S 0 0 9 2 ] 0 【 b L S 1 0 0 0 0 2 】 O [ b L S l 0 0 0 0 3 】 l 0 0 0 0 5 【 w L S 0 0 9 0 ] 0 清窗口 当各触发条件不成立时， 画 【 w L S O 0 9 l 】 O 面右上角窗n画面不显示。 【 w L S 0 0 9 2 l 0 【 w L S o 0 9 3 l O 『 w L S 0 0 9 4 ] 0 【 w L S 0 0 9 5 ] 0 【 w L S O 0 9 6 ] 0 5 结束语 高温风机 控制系统采 用 PLC触摸屏 组态配置 控制 方式 后 ，控制性能 大大优于继 电器硬接线 电路 控制方式，比较 目前应用较多的 P L C S WP仪表控 制方式 ，在可视 性 、操作 性方面更 有优势 ，并且适 用于 DCS和 F CS系统 。实际应用表明该系统设计 合理 ，具有控 制性能可靠 、操作维 护方便 、智能化 程度高 等特点 ，是 目前 回转窑控制技 术改造 的一种 优选 方式 。 参考文献 ⋯ OMR O N可编程控制器编程手册 ，O MR ON公司，2 0 0 2 【 2 】2 P r o - f a c e 触摸屏使用手册 【 3 】 郭艳萍， 等． 基于触摸屏和P L C的滚揉机控制系统设计， 重 庆 电工技术，2 0 0 4 ，3 3 3 - - - 3 4 2 0 0 5 年4 期 四圃圈 柏 维普资讯