現場總線在球磨機自動控制系統中的應用

張明哲　楊國韜　周威

摘 要：本文提出了一種現場總線在球磨機自動控制系統中應用的方法。該方法采用PROFIBUS現場總線技術，通過PLC與DCS通信，對球磨機工作時的模擬量與數字量信號進行遠程實時采集與監控，實現了球磨機的自動化控制。結果表明：該方法穩定性高、實用性強，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：現場總線；PLC；自動控制；球磨機

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0036-02

Application of Fieldbus on Ball Mill Automation Control System

ZHANG Mingzhe YANG Guotao ZHOU Wei

（Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co.， Ltd.，Luoyang Henan 471039）

Abstract： A method of application of field bus in automatic control system of ball mill was presented in this paper. The method adopted PROFIBUS fieldbus technology， through PLC and DCS communication， to collect and monitor the analog and digital signals of ball mill in real time， and realized the automatic control of ball mill. The results showed that the method had high stability and practicability， and had a broad application prospect.

Keywords： field bus；PLC；automation control；ball mill

1 研究背景

球磨機是物料破碎之后再進行粉碎的關鍵設備，可對各種礦石或其他可磨性物料進行干式或濕式粉磨[1]。球磨機是一個機械、電氣、液壓綜合系統，其中電氣系統工作的可靠程度將直接影響整個設備的正常工作，任何故障都會帶來經濟方面的損失，所以球磨機的自動化控制至關重要。

現場總線是隨著計算機、控制、通信及模塊化集成等技術發展而出現的工業控制系統，是用于現場儀表與控制系統和DCS之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點多站的通信網絡，是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備進行互連的實時網絡控制系統。

本文所做球磨機自動化控制系統設計基于山東信發鋁電集團有限公司在某年產360萬t氧化鋁生產線上的6臺Φ4.5m×8.5m球磨機，將現場總線技術應用于球磨機自動控制系統中，實現現場設備分布式數字控制和網絡通信，為球磨機的自動化控制提供了解決方案。

2 現場總線

生產現場存在著大量來自不同廠商、遵從不同通信協議、組成各自控制系統并與特定應用軟件通信的設備，因此需要一個開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡，即現場總線。

PROFIBUS（Process Fieldbus）作為德國國家標準DIN9245、歐洲標準EN50170以及中國國家標準GB/T 20540—2006的現場總線，是指一組協議與應用規約的集合，其核心是在數據鏈路層上使用統一的基于Token Passing的主從輪詢協議的通信協議，而在其下的物理層上和其上的應用層上則使用不同的應用規約。

PROFIBUS現場總線分為主站（Master）和從站（Slave），主站決定總線的數據通信，從站對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向其發送信息。

3 球磨機自動控制設計

3.1 系統硬件設計

球磨機電氣控制系統配置為：PLC低壓控制柜、球磨機就地操作箱、主軸承潤滑站就地操作箱、減速機潤滑站就地操作箱、慢驅控制箱、干油噴射控制柜及現場傳感器。

球磨機工作模式可選擇就地操作或DCS操作。就地操作時，通過各個就地操作箱上的按鈕及PLC來控制潤滑站的啟停、主電機的啟停。DCS操作時，通過DCS的PC控制潤滑站的啟停、主電機的啟停。球磨機工作時的模擬量與數字量信號的采集監控、故障報警、聯鎖跳停等均通過PLC完成。

PLC站采用SIEMENS S7-300系列，包括CPU 315-2 DP通過現場總線進行兩個PLC站間的通信；SM311模擬量輸入模塊用于采集油壓、油流、溫度、振動等特征信號；SM321數字量輸入模塊與SM322輸出模塊用于讀取與發送狀態信號和控制信號；CP 342-5通信處理器通過現場總線與DCS進行通訊；MP377-12 HMI用于實時顯示各個模擬量數值及數字量的狀態，通過MPI與CPU進行通信。

3.2 系統軟件設計

本文PLC編程使用SIMATIC STEP7 V5.5，HMI組態使用WinCC flexible 2008 SP4。

首先對1#磨機的PLC站進行硬件及網絡組態。組態DCS-PROFIBUS：CP 342-5工作模式：DP從站；起始地址：500；接口類型：PROFIBUS；命名：DCS；地址：10；傳輸率選：1.5Mbps；配置文件：DP。組態INTERNAL-PROFIBUS：CPU 315-2 DP工作模式：DP主站；起始地址：1023；接口類型：PROFIBUS；命名：INTERNAL；地址：2；傳輸率：1.5Mbps；配置文件：DP。CPU的MPI地址：2；傳輸率：187.5kbps。HMI的MPI地址：1；傳輸率：187.5kbps。

然后對2#磨機的PLC站進行硬件及網絡組態。組態INTERNAL-PROFIBUS：CPU 315-2 DP工作模式：DP從站；起始地址：1023；接口類型：PROFIBUS；子網：INTERNAL；地址：3；傳輸率：1.5Mbps；配置文件：DP。根據實際所需模擬量與數字量個數，在組態對話框中，新建5個輸出行和1個輸入行。CPU的MPI地址：2；傳輸率：187.5kbps；HMI的MPI地址：1；傳輸率：187.5kbps。

3#磨機中，CP 342-5地址設置為11，5#磨機CP 342-5地址設置為12。4#磨機與6#磨機同2#磨機完全相同。

將配置完成的組態分別下載到6臺磨機的PLC站中，然后進行軟件編程。

對1#磨機，由于PLC站中有CP 342-5，因此需在OB1中調用FC1 DP_SEND與FC2 DP_RECV，部分通信程序如下：

CALL "DP_SEND"

CPLADDR：=W#16#1F4

SEND：=P#DB19.DBX0.0 BYTE 232

DONE：=M31.0

ERROR：=M31.1

STATUS：=MW60

其中，CPLADDR為起始地址，500轉換為16進制后為1F4；SEND為數據地址區，即DB19中的第0個字節的第0位開始，長度為232個字節的數據；DONE、ERROR和STATUS表示數據傳輸的狀態和成功與否。

CALL"DP_RECV"

CPLADDR：=W#16#1F4

RECV：=P#DB19.DBX236.0 BYTE 4

DONE：=M32.0

ERROR：=M32.1

STATUS：=MW68

DPSTATUS：=MB80

其中，CPLADDR為起始地址；RECV為接收的數據地址區，即DB19中的第236個字節的第0位開始，長度為4個字節的數據；DONE、ERROR、STATUS和DPSTATUS表示數據傳輸的狀態和成功與否。

DB19為通過DCS-PROFIBUS與DCS進行通信的數據地址區，磨機的模擬量和數字量數據均存放于此。

以上完成了1#磨機通過DCS-PROFIBUS與DCS的通信。

對2#磨機，通過INTERNAL-PROFIBUS與1#磨機進行通信，將2#磨機的模擬量與數字量數據發送到1#磨機，并將接收到的1#磨機的數據存放于DB18中。

然后在1#磨機程序中，將從2#磨機發送過來的模擬量與數字量數據存放于DB19中，同時將DB19中的部分數據發送給2#磨機，部分通信程序如下：

L DB18.DBW0

T QW100

L IW100

T DB18.DBW4

L PIW492

T DB19.DBW224

L DB19.DBW238

T PQW256

以上完成了通過INTERNAL-PROFIBUS進行1#磨機與2#磨機間的通信。

3#磨機和5#磨機的程序同1#磨機類似，4#磨機和6#磨機的程序同2#磨機類似。

程序編寫并分別下載到PLC站后，便完成了球磨機自動控制系統的軟件設計，即可通過DCS對球磨機進行遠程實時監控與操作。

參考文獻：

[1]馬天雨，桂衛華，陽春華，等.基于PBM+MPC的球磨機動態優化控制[J].中南大學學報（自然科學版），2012（2）：127-132.