基于遠程 I/O 的立磨控制系統設計

李喜文，韓高翔，吳永強，郭 庶，孔自亮

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

在鋼鐵、化工和建材等行業，立磨是將大顆粒物料研磨成細微顆粒物料的機械設備，隨著自動化水平的不斷提高和粉磨技術在各行各業的應用，立磨粉磨技術的優勢正在體現出來，市場競爭力逐漸提高[1]。同時，許多專家、學者致力于立磨自動控制系統的研究，以求生產效率進一步提高，能源成本進一步降低，以保證和提高立磨生產的穩定性和連續性。

立磨由傳動系統(主電動機、減速器和慢驅)、液壓系統(磨輥液壓站、磨輥潤滑站和減速器液壓站)、研磨系統(磨輥、擋料圈和磨盤)、給料系統(鎖風閥、回轉下料器和喂料溜管)、分級系統(選粉機)和電氣控制系統(操作箱、接線箱和控制柜)組成。

1 立磨控制系統介紹

立磨控制系統主要由高壓柜、PLC 控制柜、變頻器、現場儀表和操作箱組成。高壓柜為主電動機供電，并控制主電動機電源的通斷；PLC 控制柜將現場送來的模擬量信號和數字量信號經過邏輯判斷和數據計算后，顯示在觸摸屏并送給現場執行機構；變頻器主要用于電動機調速；現場儀表主要檢測模擬量信號，顯示數值并將數值送入控制柜 PLC；操作箱用于在設備旁操作設備。

立磨控制系統的主要功能是監測和控制立磨運行狀態，按照工藝要求實現基本的邏輯判斷和控制(如啟停主電動機和各個油泵)，同時加入了必要的保護(如溫度、壓力等)，最終實現立磨安全、穩定、連續生產。

另外，在 PLC 中還提供了與 DCS 的通信接口，一般為 Profinet、Profibus-DP 和 Modbus，常見的工業通信協議都可以與之連接，采用何種通信協議由用戶決定，DCS 可以實現遠程啟停電動機，監控設備運行工況。

2 遠程 I/O 方案的設計

傳統的控制方式是將控制柜中的模塊與現場的檢測設備以信號線的形式連接起來，由于現場檢測設備多，而且控制柜距離現場較遠，因此需要的信號線多且長，這就需要大量的人力來敷設支架、線槽和接線，增加了故障率和不穩定性。鑒于此，提出了基于遠程 I/O 的控制方式，對立磨控制系統進行重新設計。

2.1 遠程 I/O 介紹

遠程 I/O 是指工業控制網絡中所連接的 I/O 模塊的數量和規格(輸入或輸出、模塊的通道數目、模塊類型等)，在有限的范圍內可以根據現場環境和用戶需求進行靈活的擴展，以滿足多種多樣的控制要求。整個控制網絡中有一個主控制器，總線上的所有 I/O模塊都由這個主控制器進行管理，從而對現場的傳感器、變送器和執行器等設備進行控制。其具有以下優點：

(1)遠程 I/O 系統一般采用通信網絡與主控單元進行數據交換[2-3]，由于采用通信方式傳輸信號，大大減少了現場的布線面積，不僅節約了成本，而且增加了系統的可靠性，使原來復雜冗余的 I/O 連線變成單一可靠的通信線[4]；同時減少了干擾，提高了穩定性和檢測精度；

(2)可在現場設備附近實現模數、數模的轉換，使信號在各自的 I/O 站得到處理，真正地實現物理分散；

(3)遠程 I/O 模塊可拆卸，可根據現場的不同情況靈活配置。

因此，遠程 I/O 在功能分散的基礎上，真正地實現了物理分散，在現場設備附近完成數據處理，降低了干擾的可能性，具有可靠程度高、經濟效益好等優勢。

2.2 檢測信號的統計

立磨需要檢測的主要有溫度、壓力、轉速、電流和液位等信號，在保證這些信號正常的情況下，控制立磨按照工藝流程正常運轉工作。

主輔輥液壓站的主要功能是將研磨壓力控制在給定范圍內，控制磨輥的升降。研磨壓力的控制及磨輥的升降是通過啟動和停止液壓泵及打開和關閉閥來實現的。主輥潤滑站在磨輥啟動和運行過程中潤滑和冷卻磨輥軸承，供油泵和回油泵均成對工作，以保持磨輥里有合適的油位。減速器液壓站主要是形成一個靜液壓潤滑膜頂起磨盤載荷，在安全范圍內，油膜壓力的大小隨磨盤載荷自我調節，其他檢測和保護裝置保證液壓潤滑系統正常運行。選粉機通過靜止導向葉片和變頻鼠籠式轉子進入離心式選粉。為了保證立磨系統正常工作，需要檢測參數是否達到指標。

表1、2 分別為立磨各個模塊和減速器各個模塊需要檢測的信號數量。由表 1、2 可知，除擺臂干油站需要檢測的信號較少以外，其他模塊及減速器各個模塊需要檢測的信號較多。主輥潤滑站、主輥液壓站、減速器液壓站都在距離立磨 5 m 遠的混凝土平臺上，擺臂干油站在 2 樓，輔輥液壓站在 3 樓，選粉機在立磨頂部，主電動機在底部通過連軸與減速器相連。

表1 立磨各個模塊需要檢測的信號數量Tab.1 Number of signals to be detected for each module of vertical grinding mill

表2 減速器各個模塊需要檢測的信號數量Tab.2 Number of signals to be detected for each module of gearbox

2.3 遠程 I/O 系統設計

遠程 I/O 控制系統主要由 1 臺西門子系列 PLC(CPU 1513-1)、1 臺 HMI(TP1500)、4 個 ET200SP 遠程 I/O 單元和現場控制測控信號組成。PLC 不僅對 4個遠程 I/O 單元送來的信號進行邏輯判斷與處理，使立磨按照規定的工藝操作流程完成對主電動機、液壓站、潤滑站和選粉機等設備的控制，而且作為網絡控制系統的主站，主要完成對整個立磨電控系統的通信控制、數據運算及系統管理等工作。整個系統采用遠程 I/O 控制方式，基于 Profinet 現場總線控制技術，利用 PLC 中央處理器的結構體系構建 Profinet 控制網絡，整個系統架構如圖 1 所示。根據控制系統的要求，系統共配置了 4 個遠程 I/O，分別為遠程 I/O-1、I/O-2、I/O-3 和 I/O-4。

ET200SP 是西門子推出的新一代分布式 I/O 系統，采用了與 ET200S 類似的緊湊式結構設計，改變了模板供電方式，無需 PM-E 模板；對模板功能進行了整合，減少了模塊的種類；系統集成了電源模塊，無需單獨的電源模塊；采用的 100 MBit/s 背板總線，使背板數據刷新速度得到了極大提高；采用快速接線技術，無需接線工具。

2.4 遠程 I/O 站分布

遠程 I/O-1 站設置在主輥潤滑站和主輥液壓站附近，負責主輥潤滑站和主輥液壓站的壓力、溫度、主輥轉速、位移等模擬量參數的實時檢測和控制，控制主輥潤滑站和主輥液壓站的泵、電磁閥和加熱器的啟停。

遠程 I/O-2 站設置在輔輥液壓站旁，用于檢測和控制油溫、油壓和輔輥的轉速、位移，啟停液壓泵、電磁閥和加熱器。

遠程 I/O-3 站設置在主電動機附近，負責檢測和控制主電動機、選粉機和擺臂干油站。

遠程 I/O-4 站設置在減速器液壓站旁，實時檢測壓力、溫度和震動，控制泵的啟停。

各個遠程 I/O 站由 ET200SP 模塊、6ES7 134-6GF00-0AA1 模擬量輸入模塊、6ES7 131-6BH01-0BA0 數字量輸入模塊和 6ES7 132-6BH01-0BA0 數字量輸出模塊組成。

表3 所列為各個遠程 I/O 站的模擬量輸入信號、數字量輸入信號和數字量輸出信號的統計。由表 3 可得各個遠程 I/O 站所需要檢測的模擬量和數字量信號數量，并由此可計算出所配置的模擬量和數字量模塊數量。表 4 所列為遠程 I/O 控制系統主要模塊配置數量。

表3 各個遠程 I/O 站信號統計Tab.3 Statistics of signal of each remote I/O station

表4 遠程 I/O 控制系統主要模塊配置數量Tab.4 Number of main modules of remote I/O system

依據表 4 組態各個遠程 I/O 站，各個遠程 I/O 站的模塊組態如圖 2 所示。

圖1 遠程 I/O 系統架構Fig.1 Architecture of remote I/O system

圖2 各個遠程 I/O 站模塊組態Fig.2 Configuration of modules in each remote I/O station

3 程序實現

立磨系統的控制要有嚴格的啟停順序，各設備之間要具備嚴格的連鎖保護，如潤滑站的油壓和油溫不滿足要求，磨機就必須處于互鎖狀態不能啟動。立磨系統的啟動控制流程如圖 3 所示。立磨也必須具備應有的保護，對立磨系統各個油站的油壓、油溫和油位，主電動機繞組溫度和軸承溫度，密封風機壓力，磨輥位置等關鍵參數進行監控，作為立磨的啟停、運行和保護條件。

圖3 立磨系統的啟動控制流程Fig.3 Startup control flow of vertical grinding system

上位機設計的畫面組成有：起始畫面、主監控視圖、遠程 I/O-1 畫面、遠程 I/O-2 畫面、遠程 I/O-3畫面、遠程 I/O-4 畫面、系統信息畫面、系統啟動畫面、參數設置畫面和參數趨勢畫面。圖 4 所示為上位機組態畫面。

4 原電控方案與遠程 I/O 方案的對比分析

4.1 控制系統主要模塊的造價對比

圖4 上位機組態畫面Fig.4 Configuration interface of master computer

原方案使用 2 個控制柜，2 套控制系統分別控制立磨和減速器，而新方案使用 1 個控制柜，1 套控制系統集中管理，使成本明顯降低。表 5 所列為電控系統原方案與新方案主要模塊價格對比，可知主要模塊節約成本約 65.7%。

表5 電控系統原方案與新方案主要模塊價格對比Tab.5 Comparison of original control system and new one in price of main modules

原方案所有的信號通過信號線進入控制柜，而新方案控制柜與現場的連接只通過通信線和動力線，進一步降低了成本。由于各個現場立磨與控制室的距離不同，電纜的成本粗略計算可節約 80%。

4.2 優缺點對比分析

原方案已在衢州元立礦渣立磨項目中應用，需要較多的線槽、支架等，接線和施工量較大；每個線槽中有幾十根信號線，必然導致之間相互干擾；每個控制柜中集中了相應的所有模塊，難以進行擴展；出現問題檢修不便[5]，調試耗時 2 個月。

遠程 I/O 方案應用于江蘇金峰礦渣立磨項目中，控制柜中僅有斷路器、PLC 和 HMI，所以只需要 1 個控制柜，因此可以節省大量的空間；節省了大量的電纜，隨之安裝、接線及校線的工作量大大減少，因此施工量、用工量和施工時間都大幅縮減；各個分站負責各自的設備檢測和控制，以分站的形式依次分別調試各個設備，縮短了調試時間，調試耗時 1 個月；由于控制柜與現場通過通信線聯系，進一步提高了系統的穩定性。

5 結語

遠程 I/O 系統使用 1 個控制柜，1 套控制系統統籌管理，控制柜與現場的連接只通過通信線和動力線，控制系統的硬件成本明顯降低；遠程 I/O站與主站和中控之間通過 Profinet 網絡進行通信，安裝、接線和校線的工作時間都明顯縮短；模塊化的調試使調試工作快捷簡便，并且信號的增減方便，模塊擴展靈活；一根通信線替代大量電纜，避免了信號之間的相互干擾，增強了系統的抗干擾能力，充分體現了分布式遠程 I/O 的可靠性、可擴充性、經濟性及適應性等特點，可增加系統的穩定性、連續性，為立磨控制系統的進一步改善提供參考。