S7-1500 DCS在立磨機控制系統(tǒng)中的應用

廖仕達

（福建馬坑礦業(yè)股份有限公司）

某公司新建膠凝材料廠粉磨系統(tǒng)采用處理能力50～60 t/h的LM35-3N 型立式輥磨機，主要用于破碎、研磨濕水渣，該設備具有產量高、能耗低的顯著優(yōu)點。立磨機的遠程控制、狀態(tài)監(jiān)測、故障預警、運行數(shù)據(jù)監(jiān)測對生產礦微粉至關重要，為了實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的分散控制、集中顯示和綜合協(xié)調生產等功能，設計以西門子S7-1500PLC（CPU 型號：1515-2PN）為基礎，通過了解立磨機控制原理和西門子通訊原理，采用S7-1500PLC 與立磨機S7-1200PLC（CPU 型號：1214C）進行S7通訊，以實現(xiàn)立磨機的遠程控制、提高對立磨機的狀態(tài)監(jiān)測，從而達到提高生產效率、減輕崗位勞動強度、減少崗位人員的目的［1-4］。

1 立磨機簡述

1.1 立磨機結構組成及作用［5］

立磨機主要由粉磨、潤滑、傳動、分選等部分構成。粉磨部分主要由磨盤、磨輥及液壓系統(tǒng)等組成，潤滑部分主要由主減速機潤滑和磨輥潤滑組成，傳動部分主要由電機、輔傳電機以及減速機組成，分選部分主要由選粉機構成。

1.2 立磨機控制原理

1.2.1 液壓系統(tǒng)控制原理

立磨機的液壓系統(tǒng)主要由油泵、電磁閥、液壓缸等組成（圖1），其工作原理是通過液壓泵運轉，將液壓泵的機械能轉化為液壓油的壓力，再通過控制閥，液壓油經(jīng)過管道的傳輸，液壓油達到指定執(zhí)行機構，從而將液壓轉換成驅動執(zhí)行機構動作的機械能。

（1）磨輥落輥加壓保壓過程。主程序控制液壓站油泵啟動，在斷電情況下?lián)Q向閥與左回路相連。液壓油通過油箱、濾油器、換向閥、單向閥進入液壓缸有桿腔，實現(xiàn)磨輥落輥過程。當液壓系統(tǒng)壓力達到設定壓力值時，液壓泵停止運行，加壓完成。同時，液壓缸無桿腔中的液壓油在單向閥的作用下不能返回，液壓缸有桿腔的壓力進入保持狀態(tài)，進行水渣研磨。在研磨過程中，液壓系統(tǒng)間接性承受磨輥振動的外力沖擊，蓄能器能夠相應地起緩沖作用，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）磨輥抬輥過程。在研磨完成后，磨輥需遠離水渣，完成抬輥動作。在主程序控制下，液壓站油泵啟動，換向閥得電，鎖緊閥失電，卸荷閥得電，使液壓油從油箱經(jīng)過換向閥右油路、鎖緊閥油路至液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔液壓油經(jīng)卸荷閥回流至油箱，實現(xiàn)磨輥抬輥動作。

液壓系統(tǒng)由立磨控制系統(tǒng)中的MCC 柜進行控制，包括換向閥、卸荷閥、液壓泵、循環(huán)泵、加熱器等，同時MCC 柜也控制輔傳電機、選粉機。液壓系統(tǒng)油箱溫度、液位、壓力等數(shù)據(jù)，通過信號線反饋至立磨控制系統(tǒng)中PLC柜的各模擬量輸入模塊。

1.2.2 潤滑系統(tǒng)控制原理

1.2.2.1 主機潤滑站

主機潤滑站主要分為低壓供油系統(tǒng)與高壓供油系統(tǒng)兩部分。低壓系統(tǒng)由2臺螺桿泵組成，正常運行時處于1 備1 用狀態(tài)。低壓系統(tǒng)螺桿泵出口油壓由彈簧式安全閥調定，流經(jīng)過濾器、油冷卻器，直接提供齒輪潤滑，同時對4 臺高壓泵吸油口供油。4 臺高壓泵通過4 個液壓集成塊，形成16 路高壓供油系統(tǒng)，直接將高壓油輸送至主機各供油點。低壓系統(tǒng)工作壓力由壓力變送器通過數(shù)顯控制儀進行控制，保證低壓系統(tǒng)正常工作。油站啟動前，油溫低于38 ℃時，電加熱器可先自動啟動加熱潤滑油，油溫達到38℃后，自動停止加熱器。啟動低壓泵，運行一段時間，使?jié)櫥驮谙到y(tǒng)中循環(huán)后油箱中的潤滑油均勻達到40℃左右，再提供給主機減速機潤滑。在正常運行中，出油口油溫為40 ℃，出油口油溫高于45 ℃冷卻器自動運行，低于38 ℃時冷卻器自動停止工作。當?shù)蛪河蛪毫_到0.12 MPa時，高壓泵才能啟動，高壓泵十六路同時工作時，當高壓泵出口壓力達到一定值，主電機才能起動。主機正常運行中，低壓供油壓力低于0.1 MPa 或稀油站粗過濾器前后壓差高于0.1 MPa時，聲光報警。油箱油位由油位控制器進行控制，最高或最低油位發(fā)出報警信號，若油位過低時，發(fā)出停車信號，主機停車。

1.2.2.2 磨輥潤滑站

磨輥潤滑站主要由供油系統(tǒng)和回油系統(tǒng)組成，供油系統(tǒng)工作壓力由安全閥調節(jié)，系統(tǒng)工作時的最高壓力為0.3 MPa，最低壓力為0.12 MPa；當供油壓力低于0.12 MPa時，備用泵自動投入工作，當供油壓力達到0.3 MPa時，原工作泵自動停止運行。油站在啟動前，油站油溫低于38 ℃，先開動加熱器，油溫達到38 ℃時，自動停止電加熱器，啟動低壓泵，在主機正常運行中，供油出口油溫降到35 ℃時再自動開動電加熱器，低壓供油出口溫度達到42 ℃時，自動打開油冷卻器閥門。油站采用雙筒網(wǎng)式過濾器，1用1備，由壓差發(fā)訊器控制，當壓差為0.10 MPa 時報警，不停機情況下可由手動切換更換工作筒。油箱上裝有油位控制器，控制低點、最低點油位，低點時發(fā)出報警訊號，最低點時重故障報警，主機跳停。油箱出油口裝有流量分配器閥塊，可均勻分配流量成3路，分別進行3 只磨輥內的軸承潤滑。回油系統(tǒng)裝有3 只回油泵裝置，可分別抽吸3 只磨輥內的潤滑油，分別保證輥子內潤滑油回油暢通，確保回油口內腔壓力為微正壓。

主減速機潤滑和磨輥潤滑獨立配套控制柜，可實現(xiàn)本地手動控制。通過接控制線方式，實現(xiàn)主立磨PLC 柜對主減速機潤滑和磨輥潤滑的遠程啟停控制。同時通過信號線將主減速機潤滑和磨輥潤滑的壓力、溫度、故障、備妥、運行狀態(tài)等信號反饋至PLC柜的數(shù)字量、模擬量輸入模塊，由立磨機PLC 柜進行監(jiān)測監(jiān)控。

1.2.3 主電機系統(tǒng)控制原理

主電機動力部分由1 800 kW 繞線式異步電動機、10 kV 高壓柜、進相器、水阻柜組成。其中，10 kV高壓柜直接與繞線式異步電動機定子繞組直連，繞線式異步電動機轉子繞組，經(jīng)進相器與水阻柜直連。其中，10 kV 高壓柜分、合閘信號通過端子接線至水阻柜，水阻柜備妥信號通過端子接線至10 kV 高壓柜，形成聯(lián)鎖控制。當高壓柜合閘，水阻柜隨即啟動，隨著電動機轉速的升高，轉子繞組串聯(lián)的可變電阻逐級減小。啟動完畢后，可變電阻減小到零，轉子繞組被直接短接，電動機便在額定狀態(tài)下運行。其中，高壓柜遠程啟停主要由主PLC 柜進行控制，磨機運行、故障、電流等信號反饋至PLC柜，由立磨機PLC柜進行監(jiān)測監(jiān)控。

通過分析液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、主電機等系統(tǒng)控制原理，說明立磨系統(tǒng)各設備由立磨機PLC柜和MCC柜進行控制。其中，PLC 柜中的CPU1200 采用S7 通訊協(xié)議實現(xiàn)與MCC柜遠程I/O模塊（型號UR20-FBCPN-IRT）進行通訊，實現(xiàn)PLC柜對MCC柜的控制。

2 通訊配置

為了實現(xiàn)DCS 對立磨系統(tǒng)的控制，必須進行立磨PLC 和DCS 主PLC 的通訊配置，實現(xiàn)立磨PLC 和DCS主PLC正常數(shù)據(jù)交互，控制系統(tǒng)見圖2。

（1）將立磨PLC 的IP 地址和DCS 主PLC 的IP 地址設置成同一網(wǎng)段。

（2）在DCS項目中建立1500與1200的S7連接。

（3）分別在2 個項目中新建DB塊，1200 PLC 發(fā)送、接收數(shù)據(jù)塊分別是DB2、DB3，1500PLC 發(fā)送、接收數(shù)據(jù)塊分別是DB7、DB6，通過“GET”和“PUT”功能塊，實現(xiàn)1500PLC與1200PLC的數(shù)據(jù)交互（表1）。

（4）在HMI 組態(tài)中，新建變量表將變量表中的數(shù)據(jù)與DB2 和DB3 的數(shù)據(jù)相關聯(lián)，用于顯示組態(tài)界面讀取立磨機溫度、壓力、振動等數(shù)據(jù)和發(fā)送啟動、停止、復位等指令。

（5）編輯組態(tài)界面，組態(tài)界面包括立磨機啟動、停止按鈕，選粉機頻率設定I/O框，溫度顯示、設備啟停指示燈等。如：在I/O 域組態(tài)中關聯(lián)溫度、頻率、壓力模擬量的變量；在按鈕組態(tài)中關聯(lián)立磨機啟動變量，添加事件“按鼠標→置位位→關聯(lián)置位變量”。

（6）運用HMI 腳本中的VB 腳本，編寫獲取數(shù)據(jù)和形成數(shù)據(jù)報表的VB 腳本，實現(xiàn)自動獲取設備運行數(shù)據(jù)，形成當日運行數(shù)據(jù)報表。

3 接入DCS前后對比分析

通過對立磨控制系統(tǒng)改造，完成自動化控制系統(tǒng)CPU 與立磨機CPU 之間的通訊，能夠對立磨機進行遠程控制和狀態(tài)監(jiān)測，同時獲取設備運行數(shù)據(jù)，形成設備運行報表，系統(tǒng)改造前后對比分析見表2。

4 結論

膠凝材料廠通過自動化控制系統(tǒng)CPU 與立磨機之間CPU 的S7 通訊，實現(xiàn)DCS 對立磨機設備運行系統(tǒng)的控制，加強了DCS系統(tǒng)對現(xiàn)場設備的集中管理和分散控制，解決了崗位人員現(xiàn)場勞動強度高和立磨機無法遠程控制、監(jiān)測的問題。通過對立磨機的狀態(tài)監(jiān)測，提高了對設備的精細化管理和控制，可保證生產更加高效、穩(wěn)定，同時設備運行報表的生成也為后期生產工藝智慧化工廠建立奠定了數(shù)據(jù)基礎。