基于远程I_O的立磨控制系统设计.pdf

第 48 卷 2020 年第 4 期 破 磨 编辑 翟晓华 37 基于远程 I/O 的立磨控制系统设计 李喜文1,2，韩高翔1,2，吴永强1,2，郭 庶1,2，孔自亮1,2 1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 摘要以矿渣立磨电控系统为设计研究对象，鉴于原方案存在的问题，提出了基于远程 I/O 的立磨控 制系统设计方案。介绍了远程 I/O，统计了检测信号的数量和分布情况，并详细介绍了总体设计方案 以及 4 个远程 I/O 站和程序实现。最终从造价、施工和系统整体性等方面，对原电控系统方案与远程 I/O 控制系统方案进行了对比分析。结果表明，远程 I/O 的立磨控制系统具有节约成本、调试方便、 简单可靠及扩展灵活等特点，为立磨控制系统的改善提供了参考。 关键词矿渣立磨；控制系统；远程 I/O 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202004-0037-05 Design on control system for vertical grinding mill based on remote I/O LI Xiwen1,2, HAN Gaoxiang1,2, WU Yongqiang1,2, GUO Shu1,2, KONG Ziliang1,2 1Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China AbstractTaking the control system for the vertical slag grinding mill as the research objective, in view of existing problems of original control system, the paper proposed the design scheme of the control system for the vertical slag grinding mill based on remote I/O. It introduced remote I/O, did statistics of the number and the distribution of detected signals, and then expounded overall design scheme as well as implementation of four remote I/O stations and program. Finally, the original control system and the remote I/O control system were comparatively analyzed in cost, construction and system integrity. The results showed the remote I/O control system was characterized by low cost, convenient debugging, simplicity and reliability, flexible expansion. It offered reference for the improvement of the control system for the vertical grinding mill. Key Wordsvertical slag grinding mill; control system; remote I/O 在 钢铁、化工和建材等行业，立磨是将大颗粒 物料研磨成细微颗粒物料的机械设备，随着自 动化水平的不断提高和粉磨技术在各行各业的应用， 立磨粉磨技术的优势正在体现出来，市场竞争力逐渐 提高[1]。同时，许多专家、学者致力于立磨自动控制 系统的研究，以求生产效率进一步提高，能源成本进 一步降低，以保证和提高立磨生产的稳定性和连续 性。 立磨由传动系统 主电动机、减速器和慢驱、液 压系统 磨辊液压站、磨辊润滑站和减速器液压站、 作者简介李喜文，男，1988 年生，硕士研究生，助理工程 师，主要从事电气自动化设计及应用工作。 通信作者韩高翔，男，1986 年生，电气工程师，主要从事工 业控制和电气控制系统的设计和研究工作。 试及应用 [J]．矿山机械，2017，451031-34. 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[11] 佚 名．我国首台大型立式搅拌磨研制成功 [J]．有色冶金节 能，2015，31367. □ 收稿日期2020-01-04  万方数据 第 48 卷 2020 年第 4 期 编辑 翟晓华 破磨 38 研磨系统 磨辊、挡料圈和磨盘、给料系统 锁风 阀、回转下料器和喂料溜管、分级系统 选粉机 和 电气控制系统 操作箱、接线箱和控制柜 组成。 1 立磨控制系统介绍 立磨控制系统主要由高压柜、PLC 控制柜、变 频器、现场仪表和操作箱组成。高压柜为主电动机供 电，并控制主电动机电源的通断；PLC 控制柜将现 场送来的模拟量信号和数字量信号经过逻辑判断和数 据计算后，显示在触摸屏并送给现场执行机构；变频 器主要用于电动机调速；现场仪表主要检测模拟量信 号，显示数值并将数值送入控制柜 PLC；操作箱用于 在设备旁操作设备。 立磨控制系统的主要功能是监测和控制立磨运行 状态，按照工艺要求实现基本的逻辑判断和控制 如 启停主电动机和各个油泵，同时加入了必要的保护 如温度、压力等，最终实现立磨安全、稳定、连续 生产。 另外，在 PLC 中还提供了与 DCS 的通信接口， 一般为 Profinet、Profibus-DP 和 Modbus，常见的工 业通信协议都可以与之连接，采用何种通信协议由用 户决定，DCS 可以实现远程启停电动机，监控设备运 行工况。 2 远程 I/O 方案的设计 传统的控制方式是将控制柜中的模块与现场的 检测设备以信号线的形式连接起来，由于现场检测设 备多，而且控制柜距离现场较远，因此需要的信号线 多且长，这就需要大量的人力来敷设支架、线槽和接 线，增加了故障率和不稳定性。鉴于此，提出了基于 远程 I/O 的控制方式，对立磨控制系统进行重新设 计。 2.1 远程 I/O 介绍 远程 I/O 是指工业控制网络中所连接的 I/O 模块 的数量和规格 输入或输出、模块的通道数目、模块 类型等，在有限的范围内可以根据现场环境和用户 需求进行灵活的扩展，以满足多种多样的控制要求。 整个控制网络中有一个主控制器，总线上的所有 I/O 模块都由这个主控制器进行管理，从而对现场的传感 器、变送器和执行器等设备进行控制。其具有以下优 点 1 远程 I/O 系统一般采用通信网络与主控单元 进行数据交换[2-3]，由于采用通信方式传输信号，大 大减少了现场的布线面积，不仅节约了成本，而且增 加了系统的可靠性，使原来复杂冗余的 I/O 连线变成 单一可靠的通信线[4]；同时减少了干扰，提高了稳定 性和检测精度； 2 可在现场设备附近实现模数、数模的转换， 使信号在各自的 I/O 站得到处理，真正地实现物理分 散； 3 远程 I/O 模块可拆卸，可根据现场的不同情 况灵活配置。 因此，远程 I/O 在功能分散的基础上，真正地实 现了物理分散，在现场设备附近完成数据处理，降低 了干扰的可能性，具有可靠程度高、经济效益好等优 势。 2.2 检测信号的统计 立磨需要检测的主要有温度、压力、转速、电流 和液位等信号，在保证这些信号正常的情况下，控制 立磨按照工艺流程正常运转工作。 主辅辊液压站的主要功能是将研磨压力控制在给 定范围内，控制磨辊的升降。研磨压力的控制及磨辊 的升降是通过启动和停止液压泵及打开和关闭阀来实 现的。主辊润滑站在磨辊启动和运行过程中润滑和冷 却磨辊轴承，供油泵和回油泵均成对工作，以保持磨 辊里有合适的油位。减速器液压站主要是形成一个静 液压润滑膜顶起磨盘载荷，在安全范围内，油膜压力 的大小随磨盘载荷自我调节，其他检测和保护装置保 证液压润滑系统正常运行。选粉机通过静止导向叶片 和变频鼠笼式转子进入离心式选粉。为了保证立磨系 统正常工作，需要检测参数是否达到指标。 表 1、2 分别为立磨各个模块和减速器各个模块 需要检测的信号数量。由表 1、2 可知，除摆臂干油 站需要检测的信号较少以外，其他模块及减速器各个 模块需要检测的信号较多。主辊润滑站、主辊液压 站、减速器液压站都在距离立磨 5 m 远的混凝土平台 上，摆臂干油站在 2 楼，辅辊液压站在 3 楼，选粉机 在立磨顶部，主电动机在底部通过连轴与减速器相 连。 模块 温度 压力 液位 转速 位移 电动机启停 电磁阀 加热器 电流 震动 总计 主辊润滑 3 1 4 1 9 主辊液压 1 2 1 2 2 2 11 1 22 辅辊液压 1 2 1 2 2 2 4 1 15 选粉机 8 1 2 11 主电动机 5 1 1 1 8 摆臂干油站 1 1 2 表 1 立磨各个模块需要检测的信号数量 Tab.1 Number of signals to be detected for each module of vertical grinding mill 万方数据 第 48 卷 2020 年第 4 期 破 磨 编辑 翟晓华 39 2.3 远程 I/O 系统设计 远程 I/O 控制系统主要由 1 台西门子系列 PLC CPU 1513-1、1 台 HMI TP1500、4 个 ET200SP 远 程 I/O 单元和现场控制测控信号组成。PLC 不仅对 4 个远程 I/O 单元送来的信号进行逻辑判断与处理，使 立磨按照规定的工艺操作流程完成对主电动机、液压 站、润滑站和选粉机等设备的控制，而且作为网络控 制系统的主站，主要完成对整个立磨电控系统的通信 控制、数据运算及系统管理等工作。整个系统采用远 程 I/O 控制方式，基于 Profinet 现场总线控制技术， 利用 PLC 中央处理器的结构体系构建 Profinet 控制网 络，整个系统架构如图 1 所示。根据控制系统的要 求，系统共配置了 4 个远程 I/O，分别为远程 I/O-1、 I/O-2、I/O-3 和 I/O-4。 ET200SP 是西门子推出的新一代分布式 I/O 系 统，采用了与 ET200S 类似的紧凑式结构设计，改变 了模板供电方式，无需 PM-E 模板；对模板功能进行 了整合，减少了模块的种类；系统集成了电源模块， 无需单独的电源模块；采用的 100 MBit/s 背板总线， 使背板数据刷新速度得到了极大提高；采用快速接线 技术，无需接线工具。 2.4 远程 I/O 站分布 远程 I/O-1 站设置在主辊润滑站和主辊液压站附 近，负责主辊润滑站和主辊液压站的压力、温度、主 辊转速、位移等模拟量参数的实时检测和控制，控制 主辊润滑站和主辊液压站的泵、电磁阀和加热器的启 停。 远程 I/O-2 站设置在辅辊液压站旁，用于检测和 控制油温、油压和辅辊的转速、位移，启停液压泵、 电磁阀和加热器。 远程 I/O-3 站设置在主电动机附近，负责检测和 控制主电动机、选粉机和摆臂干油站。 远程 I/O-4 站设置在减速器液压站旁，实时检测 压力、温度和震动，控制泵的启停。 各个远程 I/O 站由 ET200SP 模块、6ES7 134- 6GF00-0AA1 模拟量输入模块、6ES7 131-6BH01- 0BA0 数字量输入模块和 6ES7 132-6BH01-0BA0 数 字量输出模块组成。 表 3 所列为各个远程 I/O 站的模拟量输入信号、 数字量输入信号和数字量输出信号的统计。由表 3 可 得各个远程 I/O 站所需要检测的模拟量和数字量信号 数量，并由此可计算出所配置的模拟量和数字量模块 数量。表 4 所列为远程 I/O 控制系统主要模块配置数 量。 依据表 4 组态各个远程 I/O 站，各个远程 I/O 站 的模块组态如图 2 所示。 表 3 各个远程 I/O 站信号统计 Tab. 3 Statistics of signal of each remote I/O station 信号类型 AI DI DQ 远程 I/O-1 站 10 8 19 远程 I/O-2 站 7 3 7 远程 I/O-3 站 15 6 4 远程 I/O-4 站 26 6 6 模块 液压站 本体 温度 8 压力 17 液位电动机启停 6 震动 1 总计 23 9 表 2 减速器各个模块需要检测的信号数量 Tab. 2 Number of signals to be detected for each module of gearbox 图 1 远程 I/O 系统架构 Fig. 1 Architecture of remote I/O system 表 4 远程 I/O 控制系统主要模块配置数量 Tab. 4 Number of main modules of remote I/O system 模块类型 CPU HMI ET200SP AI DI DQ 主站 1 1 0 0 0 0 远程 I/O-1 站 0 0 1 2 1 2 远程 I/O-2 站 0 0 1 1 1 1 远程 I/O-3 站 0 0 1 2 1 1 远程 I/O-4 站 0 0 1 4 1 1 总计 1 1 4 9 4 5 万方数据 第 48 卷 2020 年第 4 期 编辑 翟晓华 破磨 40 3 程序实现 立磨系统的控制要有严格的启停顺序，各设备 之间要具备严格的连锁保护，如润滑站的油压和油温 不满足要求，磨机就必须处于互锁状态不能启动。立 磨系统的启动控制流程如图 3 所示。立磨也必须具备 应有的保护，对立磨系统各个油站的油压、油温和油 位，主电动机绕组温度和轴承温度，密封风机压力， 磨辊位置等关键参数进行监控，作为立磨的启停、运 行和保护条件。 a 1 站模块组态 b 2 站模块组态 c 3 站模块组态 d 4 站模块组态 图 2 各个远程 I/O 站模块组态 Fig. 2 Configuration of modules in each remote I/O station 上位机设计的画面组成有起始画面、主监控视 图、远程 I/O-1 画面、远程 I/O-2 画面、远程 I/O-3 画面、远程 I/O-4 画面、系统信息画面、系统启动画 面、参数设置画面和参数趋势画面。图 4 所示为上位 机组态画面。 4 原电控方案与远程 I/O 方案的对 比分析 4.1 控制系统主要模块的造价对比 原方案使用 2 个控制柜，2 套控制系统分别控制 立磨和减速器，而新方案使用 1 个控制柜，1 套控制 图 3 立磨系统的启动控制流程 Fig. 3 Startup control flow of vertical grinding system 万方数据 第 48 卷 2020 年第 4 期 破 磨 编辑 翟晓华 41 系统集中管理，使成本明显降低。表 5 所列为电控系 统原方案与新方案主要模块价格对比，可知主要模块 节约成本约 65.7。 原方案所有的信号通过信号线进入控制柜，而新 方案控制柜与现场的连接只通过通信线和动力线，进 一步降低了成本。由于各个现场立磨与控制室的距离 不同，电缆的成本粗略计算可节约 80。 4.2 优缺点对比分析 原方案已在衢州元立矿渣立磨项目中应用，需要 较多的线槽、支架等，接线和施工量较大；每个线槽 中有几十根信号线，必然导致之间相互干扰；每个控 制柜中集中了相应的所有模块，难以进行扩展；出现 问题检修不便[5]，调试耗时 2 个月。 远程 I/O 方案应用于江苏金峰矿渣立磨项目中， 控制柜中仅有断路器、PLC 和 HMI，所以只需要 1 个 控制柜，因此可以节省大量的空间；节省了大量的电 缆，随之安装、接线及校线的工作量大大减少，因此 施工量、用工量和施工时间都大幅缩减；各个分站负 责各自的设备检测和控制，以分站的形式依次分别调 试各个设备，缩短了调试时间，调试耗时 1 个月；由 于控制柜与现场通过通信线联系，进一步提高了系统 图 4 上位机组态画面 Fig. 4 Configuration interface of master computer 的稳定性。 5 结语 远程 I/O 系统使用 1 个控制柜， 1 套控制系统统筹管理，控制柜与现场 的连接只通过通信线和动力线，控制 系统的硬件成本明显降低；远程 I/O 站与主站和中控之间通过 Profinet 网络 进行通信，安装、接线和校线的工作 时间都明显缩短；模块化的调试使调 试工作快捷简便，并且信号的增减方便，模块扩展灵 活；一根通信线替代大量电缆，避免了信号之间的相 互干扰，增强了系统的抗干扰能力，充分体现了分布 式远程 I/O 的可靠性、可扩充性、经济性及适应性等 特点，可增加系统的稳定性、连续性，为立磨控制系 统的进一步改善提供参考。 参 考 文 献 [1] 陈汉民．生料立磨技术实践中的一些问题探讨 [J]．水泥工 程，2003226-29. [2] 秦成虎，严晓蓉．基于 CAN 总线的 I/O 模块设计 [J]．工业控 制计算机，2007，201229 -30. [3] 李常友，王 力．远程 I/O 与现场总线控制的选择 [J]．中国 仪器仪表，2010 增刊 1130-133. [4] 毛立群，许 昌．PLC 远程 I/O 模块的设计 [J]．工业控制计算 机，2009，22165-66. [5] 吴永强，王希娟，高海燕，等．分布式远程 I/O 通信在大型 矿用磨机上的应用 [J]．矿山机械，2015，431134-137. □ 收稿日期2020-01-17 表 5 电控系统原方案与新方案主要模块价格对比 Tab. 5 Comparison of original control system and new one in price of main modules 数量/个 价格/元 数量/个 价格/元 HMI 2 35 564 1 16 000 CPU 2 38 661.2 1 8 000.0 IM36X 3 4 108.99 0 0 ET200SP 0 0 4 6 000.00 AI 11 33 517.22 9 13 005.00 DI 8 19 084.72 4 2 168.00 原方案 新方案 DO 6 9 809.94 5 3 135.00 总价格/元 140 746.07 48 308.00 万方数据