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輥磨機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
王千紅，張強(qiáng)，白曉麗，于洪亮
中國濟(jì)南大學(xué)控制工程學(xué)院
電子郵件:cse_wqh@ujn.edu.cn;zhang_hongyu198023@163.com
摘要
水泥原料集散控制系統(tǒng)（DCS），提出了由ABB的工業(yè)IT應(yīng)用的立式輥磨機(jī)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是實(shí)用、有效和可靠的。
?2012愛思唯爾出版的帳面價(jià)值選擇和/或同行評(píng)審下ICMPBE國際委員會(huì)的責(zé)任。
在CC BY-NC-ND許可下開放存取。
關(guān)鍵詞: DCS 過程控制系統(tǒng) 立式輥磨機(jī)
1.簡(jiǎn)介
研磨材料是用于發(fā)電，采礦和水泥生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要組成部分。研磨效率和質(zhì)量水平會(huì)直接影響最終的生產(chǎn)效率。近年來，立式輥磨機(jī)在世界上被廣泛利用。它有很多優(yōu)點(diǎn)，比如在立磨干燥與磨分級(jí)輸送相結(jié)合時(shí)，表現(xiàn)在：干燥效率高，低噪音，更大的進(jìn)料粒度，設(shè)備安裝緊湊，占用空間更小，更低的磨損，和更低的功耗。然而，立式輥磨機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很難分離，并建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。因此，用傳統(tǒng)理論解決立式輥磨機(jī)的控制系統(tǒng)是非常困難的。
因此，本文提出一個(gè)立式輥磨機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)解決方案，旨在實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、低成本、安全、文明生產(chǎn)和增加產(chǎn)能的目標(biāo)。
2.水泥原料立式輥磨機(jī)控制點(diǎn)的分析
對(duì)于立式輥磨機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，控制區(qū)域被設(shè)計(jì)為在確保立式輥磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件下增加負(fù)載，以達(dá)到在立磨產(chǎn)品的產(chǎn)量，質(zhì)量最佳的情況下，降低輥磨機(jī)的能耗和磨損。
其中，立式輥壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行意味著要確保員圓盤立磨的材料層厚度。提高產(chǎn)量的關(guān)鍵是基于前一個(gè)和機(jī)輸入調(diào)整壓差變化。根據(jù)輥磨機(jī)調(diào)整通風(fēng)、研磨壓力、進(jìn)口和出口溫度、振動(dòng)和其他因素。一般來說，增加了磨前第一壓力，當(dāng)軋機(jī)壓差相對(duì)較低，適當(dāng)?shù)脑黾语暳系捏w積，根據(jù)壓差的變化和熱空氣出口溫度的調(diào)整節(jié)流閥，回收節(jié)流，閥門和其他垂直機(jī)風(fēng)風(fēng)門開度，直到磨壓差和振動(dòng)穩(wěn)定為止。
所以輥壓機(jī)控制系統(tǒng)目前已成為歷史輥磨機(jī)快速發(fā)展的瓶頸，因此反對(duì)研究的磨削過程控制勢(shì)在必行。本文的主要目的是基于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）為平臺(tái)，以DCS控制方法，提出了一套基于CIMS磨粉機(jī)的自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)中。一方面所述的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在常規(guī)的控制，電保護(hù)，故障檢測(cè)和自動(dòng)處理輥軋機(jī)系統(tǒng)的電氣設(shè)備;另一方面，這個(gè)系統(tǒng)也將到CIMS的系統(tǒng)操作的全過程提供CIMS優(yōu)化調(diào)度生產(chǎn)過程相關(guān)的參數(shù)，并進(jìn)行最優(yōu)控制的生產(chǎn)過程。
3.生料立式輥磨機(jī)分布式控制功能的設(shè)計(jì)
在滿足功能需求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的前提下，原始水泥站立式輥磨機(jī)的控制系統(tǒng)被開發(fā)為自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。水泥原材料水泥生產(chǎn)線是一個(gè)控制鏈接的制備過程，整個(gè)系統(tǒng)擁有一個(gè)獨(dú)立的控制單元。
圖1.輥壓機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)方案如下:考慮到實(shí)時(shí)、安全的需求，本系統(tǒng)使用AC800F域控制器，S800系列I / O控制模塊，電源模塊，系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)，卡使用冗余配置的一部分，模擬儀器使用精度高、易于調(diào)整，高溝通能力，高可靠性的智能儀器，并提高測(cè)試控制系統(tǒng)的可靠性。
3.1數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理
3.1.1 數(shù)據(jù)收集
數(shù)據(jù)采集是完成一個(gè)數(shù)據(jù)(工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài))獲取，如溫度、壓力、流量，一個(gè)模擬信號(hào)和設(shè)備的開關(guān)量信號(hào)，信號(hào)通過電纜直接從模塊到DCS內(nèi)部終端。
l 一個(gè)參數(shù)的模擬量應(yīng)該通過過濾和放大器，信號(hào)轉(zhuǎn)換和熱耦合補(bǔ)償，線性變換，非線性變換，報(bào)警設(shè)置預(yù)處理
l 開關(guān)量的參數(shù)應(yīng)該通過anti-chattering，報(bào)警設(shè)置預(yù)處理
3.1.2 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理是處理數(shù)據(jù)采集，得到所述次級(jí)DCS數(shù)據(jù)的一種方法。流行的方法是:
l 首先計(jì)算:完成測(cè)點(diǎn)的補(bǔ)償，如熱房間溫度補(bǔ)償電阻，一般使用補(bǔ)償方法的計(jì)算公式來計(jì)算結(jié)果。
l 二次計(jì)算:計(jì)算總和或差值的數(shù)據(jù)，信號(hào)的選擇，數(shù)據(jù)的積累，平均值，最大值。
3.2中央控制室
中央控制室集中的水泥原料實(shí)現(xiàn)自立式輥壓機(jī)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、管理和控制。它由兩個(gè)操作員站(OS)，一個(gè)工程師站(ES)和一個(gè)打印單元組成。
3.2.1 操作員站
硬件平臺(tái)是工業(yè)控制機(jī)和DIGVIS，VB軟件平臺(tái)。在此系統(tǒng)中，這兩個(gè)操作員站的功能可能是相同的。他們都是由工程師決定。特定的函數(shù)如下:
l 屏幕顯示原始水泥工藝流程圖，可以切換。
l 所有的設(shè)備系統(tǒng)狀態(tài)(準(zhǔn)備、操作、故障)，系統(tǒng)可以測(cè)試他們每個(gè)人，根據(jù)需要采取連鎖控制，軟手動(dòng)控制或站點(diǎn)，遇到緊急情況可以突然停止。
l 原料，水泥過程控制系統(tǒng)的封裝技術(shù)將改變復(fù)雜的控制程序簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)圖形符號(hào)。運(yùn)營商可以調(diào)用操作面板點(diǎn)擊動(dòng)態(tài)圖形符號(hào)?？刂泼姘蹇梢栽诰€完成參數(shù)設(shè)置，手自動(dòng)轉(zhuǎn)換操作。
l 系統(tǒng)可以區(qū)分狀態(tài)，正?；虍惓顟B(tài)改變與模擬輸入相比，計(jì)算點(diǎn)，意思是，利率的變化，通過接觸其他變換值掃描，狀態(tài)的變化，提前或參照參考存儲(chǔ)。如果確認(rèn)點(diǎn)預(yù)設(shè)的限制，在界面頂部的報(bào)警信息欄顯示報(bào)警，并使噪聲信號(hào)，報(bào)警顯示將根據(jù)時(shí)間順序，點(diǎn)擊報(bào)警或提示框，可以瀏覽更詳細(xì)的信息或報(bào)警提示(如特定的故障點(diǎn)，故障，故障類型）。
3.2.2 工程師站
工程師站整個(gè)系統(tǒng)硬件配置和軟件配置。
l 系統(tǒng)的硬件配置:全面系統(tǒng)的性能、安全性和穩(wěn)定性需求分析，水泥自立式輥磨原始通信分布式控制系統(tǒng)配置冗余的控制方案，通過使用光纖以太網(wǎng)環(huán)的方法。
l PS的配置:主要包括分布控制系統(tǒng)的軟件配置，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，控制算法實(shí)現(xiàn)，人機(jī)界面配置。
l 分配I / O模塊使用DCS系統(tǒng)配置字。然后指定變量實(shí)際收集數(shù)據(jù)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
l 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和范圍轉(zhuǎn)換為每個(gè)模擬變量。重要的工藝參數(shù)設(shè)置，限制以外的信號(hào)時(shí)，發(fā)出警告信號(hào)和相應(yīng)的提示信息。累積一些請(qǐng)求數(shù)據(jù)，如(流量、操作時(shí)間和重置自動(dòng)或手動(dòng)方式。
l 完成設(shè)備組順序控制和安全保護(hù)控制發(fā)展，安全生產(chǎn)，連續(xù)性和穩(wěn)定性的考慮，分布系統(tǒng)自立式輥磨水泥原料根據(jù)每個(gè)鏈接分為幾個(gè)設(shè)備的控制特點(diǎn)，如原料輸送控制，風(fēng)彩色控制和原材料鎖控制。
3.3 OPC服務(wù)器和數(shù)據(jù)管理
OPC的主要功能是對(duì)傳感器檢測(cè)到DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)移的特征參數(shù)數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)狀態(tài)和控制策略的基礎(chǔ)。同時(shí)，OPC服務(wù)器也將上層系統(tǒng)iss發(fā)行決策機(jī)關(guān)DCS控制指令的傳輸，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的專家系統(tǒng)。簡(jiǎn)和先前的OPC服務(wù)器的作用是建立一個(gè)DCS和智能控制系統(tǒng)之間的橋梁。
4. 實(shí)現(xiàn)原始水泥站輥磨機(jī)分散控制
根據(jù)流程和設(shè)計(jì)的要求，原始水泥站輥grindingdistributed控制實(shí)現(xiàn)分為:粉磨系統(tǒng)，自力更生輥研磨油termi nal、原材料和報(bào)告系統(tǒng)。
4.1 軋機(jī)控制系統(tǒng)
軋機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面包含原料系統(tǒng)、輥壓機(jī)系統(tǒng)，tran sportation和原材料的存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。如圖2所示：
圖2.滾壓機(jī)控制系統(tǒng)的監(jiān)控屏幕
自立式輥壓機(jī)過程水泥磨生最復(fù)雜的系統(tǒng)之間的耦合，在磨削過程中，最重要的是不用自動(dòng)控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)的自動(dòng)控制和運(yùn)輸和儲(chǔ)存原料的自動(dòng)控制。
l 風(fēng)路系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)備:它的主要目標(biāo)是控制通過調(diào)整收塵風(fēng)機(jī)四個(gè)閥門、風(fēng)閥、熱空氣循環(huán)，出口閥門和風(fēng)閥。他們使研磨腔形成氣流，磨好的原料被風(fēng)吹過磨收塵器后分類器之路。
l 電力系統(tǒng)自動(dòng)控制:油碼頭和液壓站系統(tǒng)啟動(dòng)條件滿足就可以開始輥壓機(jī)電力系統(tǒng)。立式磨機(jī)電力系統(tǒng)包括主電機(jī)、輔助電動(dòng)機(jī)和超越離合器。
l 原料輸送自動(dòng)控制:袋收塵控制，四個(gè)螺旋鉸刀控制，原料提升機(jī)控制，袋收塵原始庫控制和原材料的控制刀庫。
4.2 水泥磨輥站原材料
站輥研磨油碼頭監(jiān)控畫面顯示了一個(gè)裝置是壓力，減速石油站，三通閥油碼頭，減緩油分離器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和車站操作參數(shù)，如信息。立式輥磨碼頭監(jiān)控菜單如圖3所示：
圖3.立式輥磨碼頭監(jiān)控菜單
l 在水泥生料自立式輥研磨油碼頭過程中，當(dāng)通過磨室風(fēng)路徑控制溫度和壓力來滿足需求，這是準(zhǔn)備啟動(dòng)潤(rùn)滑站和液壓站。開始每個(gè)車站之前，應(yīng)該先保證石油停止油溫在正常范圍內(nèi)，控制要求時(shí)，油溫低于20電加熱器，和不允許啟動(dòng)油泵，當(dāng)溫度超過35停止加熱時(shí)，油的溫度20 ~ 35歲之間，當(dāng)油泵啟動(dòng)后油溫不高或低停止油泵，但相應(yīng)的控制電加熱器保持油溫在上面的范圍。
4.3 原材料匹配
主要原材料匹配用于實(shí)現(xiàn)配料過程中設(shè)備的操作信息，報(bào)警信息和每個(gè)物料流，設(shè)置電流，時(shí)間，材料的比例輸出。原材料監(jiān)視菜單如圖4所示：
圖4.原材料的顯示屏
原材料石灰主要材料、煤炭、粘土、鐵礦、螢石、渣為原料，采用帶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料說。完成控制任務(wù)主要如下:
l 原材料參數(shù)。系統(tǒng)可以設(shè)置所需的輸出和匹配。
l 帶式輸送機(jī)天平的校準(zhǔn)與活躍或停止。主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)和軸承系數(shù)校準(zhǔn)刻度校準(zhǔn)點(diǎn)。為了方便用戶，系統(tǒng)建立了單皮帶秤和聯(lián)鎖操作模式啟動(dòng)/停止按鈕。
l 帶磨床和原料提升機(jī)控制。
4.4 報(bào)告系統(tǒng)
報(bào)告系統(tǒng)用于顯示我們的輥壓機(jī)主要工作參數(shù)，石灰石、煤粉和累計(jì)參數(shù)，歷史的時(shí)間，可用于輥壓機(jī)工作參數(shù)的調(diào)查。系統(tǒng)報(bào)告表如圖5所示：
圖5.輥壓機(jī)系統(tǒng)報(bào)告表
5. 結(jié)論
該系統(tǒng)到硬件和最先進(jìn)的蓋茨計(jì)算機(jī)技術(shù)軟件以及控制技術(shù)是一整套的。其特點(diǎn)如下：
5.1 結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理的系統(tǒng)
首先，先進(jìn)，適用的控制主義思想的控制算法，從而做到精確計(jì)量，精確控制對(duì)于大多數(shù)工廠磨輥軋機(jī)生產(chǎn)的實(shí)際情況。在硬件選擇工控機(jī)，它具有很高的可靠性，可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)軟件采用當(dāng)前流行的平臺(tái)Windows 2000中，使用組態(tài)軟件（CBF6.2）直接連接配置完成應(yīng)用軟件，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的通用性和便攜性，方便，智能控制系統(tǒng)的集成。所有這些都可以使系統(tǒng)包含先進(jìn)不僅在硬件或軟件，也可在控制的概念。
5.2功能齊全，方便的操作和維護(hù)
該系統(tǒng)根據(jù)各廠商的實(shí)際生產(chǎn)實(shí)際情況，滿足不同生產(chǎn)類型，同時(shí)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)廠家的技術(shù)力量薄弱，所以我們要考慮他們的操作和維護(hù)，以確保操作方便簡(jiǎn)單。
5.3配置靈活，標(biāo)準(zhǔn)化，且易于擴(kuò)展，適應(yīng)性強(qiáng)
因?yàn)槊總€(gè)廠家生產(chǎn)工藝條件完全不同，要求也不同，隨著生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展，因此，考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將會(huì)有新的要求。所以我們?cè)诠I(yè)用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置軟件，穩(wěn)定的軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)，易于擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集設(shè)備和控制設(shè)備，以便用戶可以通用性和可擴(kuò)展性的要求。
這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)立式輥磨機(jī)水泥原料生產(chǎn)分布式控制的過程，并且完全滿足了最初的設(shè)計(jì)功能的目的。同時(shí)，為CIMS的下一步保留必要的轉(zhuǎn)換接口，顯示了優(yōu)越的開放性和可擴(kuò)展性。
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