磁材廠濕法線集中控制系統(tǒng)設(shè)計

0引言

某磁性材料廠濕法線由配料系統(tǒng)、球磨機(jī)、攪拌機(jī)、脫水機(jī)、攪拌釜、回轉(zhuǎn)窯、冷卻筒和包裝機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。以往每套設(shè)備由簡單的現(xiàn)場接觸器、繼電器控制,設(shè)備陳舊,控制分散,自動化程度底,導(dǎo)致工作效率低下,生產(chǎn)成本居高不下。

現(xiàn)應(yīng)用基于可編程邏輯控制器和組態(tài)軟件的工業(yè)自動化技術(shù),與接觸器、繼電器的常規(guī)回路控制相結(jié)合,實現(xiàn)濕法線上設(shè)備的分布控制、集中操作,可以解決傳統(tǒng)繼電器、接觸器控制存在的產(chǎn)線操作難以集中、生產(chǎn)過程難以記錄、設(shè)備間連鎖困難等問題。

1濕法線的生產(chǎn)流程和控制系統(tǒng)組成

1.1生產(chǎn)流程

原料(氧化鐵紅)及輔料(二氧化硅、碳酸鈣、三氧化二鋁等)通過配料系統(tǒng)按生產(chǎn)所需配比混合后,進(jìn)入濕法球磨機(jī)研磨,研磨完畢后進(jìn)入攪拌機(jī)攪拌。

攪拌均勻的物料經(jīng)軟管泵輸送至脫水機(jī)進(jìn)行脫水,再經(jīng)攪拌釜二次攪拌,然后由柱塞泵送至回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料箱。

在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)對物料進(jìn)行燒制,后經(jīng)冷卻筒冷卻,送入管式球磨機(jī)研磨為成品,完成整個生產(chǎn)流程。濕法線生產(chǎn)流程如圖1所示。

1.2主要設(shè)備及控制要求

整個濕法線的設(shè)備主要分為兩種類型:機(jī)電一體品設(shè)備和單體設(shè)備。

配料系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)窯燃燒系統(tǒng)為機(jī)電一體品設(shè)備,整套設(shè)備本身帶有成套的控制系統(tǒng)(PLC),僅將PLC模塊進(jìn)行更換或增加通信模塊,即可接入集中控制系統(tǒng)(主PLC),實現(xiàn)設(shè)備集中控制。

產(chǎn)線其余單體設(shè)備原有控制方式為簡單的MCC控制柜就地操作箱控制方式,在該控制方式下,每個設(shè)備之間相互獨立。

對單體設(shè)備控制回路進(jìn)行更新,取消現(xiàn)場操作箱,MCC控制柜上增加切換開關(guān)(集控一檢修一就地),對控制回路進(jìn)行改造,使其可以接收集中控制系統(tǒng)的啟停信號并將故障信號送入集中控制系統(tǒng)(主PLC),實現(xiàn)設(shè)備的集中控制。

2系統(tǒng)主回路設(shè)計

在整個濕法線上,各設(shè)備的電機(jī)啟動方式有直接啟動、變頻啟動和頻敏變阻啟動3種。

2.1直啟正轉(zhuǎn)控制回路設(shè)計

濕法線上的冷卻筒等設(shè)備電機(jī)可直接啟動,基礎(chǔ)控制采用常規(guī)接觸器、繼電器實現(xiàn),其典型電路如圖2所示。

2.2變頻控制回路設(shè)計

攪拌機(jī)、球磨機(jī)等設(shè)備的電機(jī)以變頻方式啟動,采用西門子s120系列變頻器,通過控制變頻器數(shù)字量輸入點的通斷,實現(xiàn)設(shè)備的運行和停止,集控系統(tǒng)模擬量輸入模塊把模擬量控制信號傳給變頻器,由變頻器對設(shè)備運行進(jìn)行調(diào)節(jié)。變頻啟動的典型電路如圖3所示。

2.3頻敏變阻啟動回路設(shè)計

管式球磨機(jī)電機(jī)以頻敏變阻啟動方式進(jìn)行切除電阻啟動,啟動方式如圖4所示。

3系統(tǒng)架構(gòu)

濕法線集中控制系統(tǒng)采用分布式集中控制方式進(jìn)行設(shè)計,采用三層分布式架構(gòu):底層為設(shè)備控制層,中間層為信號邏輯層,頂層為監(jiān)控管理層。整個控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

設(shè)備控制層主要由單體設(shè)備電機(jī)、機(jī)電一體品等電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,作為執(zhí)行層運轉(zhuǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備。

中間信號邏輯層為整個集中控制系統(tǒng)的核心,由一臺PLC主站及相關(guān)I/O模塊、通信模塊構(gòu)成?，F(xiàn)場單體設(shè)備啟停及狀態(tài)信號以硬接線的方式接入集中控制系統(tǒng)(主PLC)的I/O信號模塊,變頻器信號通過profibus-Dp總線網(wǎng)絡(luò)接入集中控制系統(tǒng)(主PLC)進(jìn)行信號通信,機(jī)電一體品設(shè)備通過以太網(wǎng)通信的方式接入集中控制系統(tǒng)(主PLC)。

監(jiān)控管理層由一臺工程師站及一臺操作員站組成,并與公司及管理信息網(wǎng)絡(luò)連接,接收生產(chǎn)信息并調(diào)配整個產(chǎn)線的生產(chǎn)過程。

4控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1機(jī)電一體品控制系統(tǒng)

在濕法線上,回轉(zhuǎn)窯及兩套配料系統(tǒng)以機(jī)電一體品的形式出現(xiàn),并獨立運行。其中回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)以lg-PLC為核心進(jìn)行控制,配料系統(tǒng)以s7-200PLC為核心進(jìn)行控制。為實現(xiàn)集中控制,將回轉(zhuǎn)窯lg-PLC替換為s7-l200,配料系統(tǒng)PLC增加通信模塊,3套系統(tǒng)作為從站通過以太網(wǎng)通信的方式接入主控制系統(tǒng)。機(jī)電一體品控制系統(tǒng)的硬件配置及選型如表1所示。

4.2主控制系統(tǒng)

整條濕法線需要控制的設(shè)備數(shù)量較多,且控制系統(tǒng)要可

靠、穩(wěn)定,故選擇西門子CpU3l5,配合相應(yīng)的I/O擴(kuò)展模塊、通信模塊等設(shè)備作為集中控制系統(tǒng)的主控制系統(tǒng),現(xiàn)場設(shè)備通過I/O信號線及通信線接入控制系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)的硬件布置及選型如表2所示。

4.2.1I/O信號

現(xiàn)場電機(jī)啟停及反饋信號通過硬接線的方式與主PLC進(jìn)行通信,PLC控制設(shè)備啟停及接收設(shè)備反饋信號,典型的I/O接點如圖6所示。

此外,變頻設(shè)備還需接收PLC頻率給定信號,以及將設(shè)備轉(zhuǎn)速反饋給PLC,如圖7所示。

4.2.2通信信號

現(xiàn)場變頻器通過PR0FIBUs網(wǎng)絡(luò)與主PLC進(jìn)行通信,燃燒系統(tǒng)及配料系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與主PLC進(jìn)行通信。

5集中控制流程

由于以往產(chǎn)線各個設(shè)備間相互獨立,每個工序操作人員無法及時判斷其他工序設(shè)備運轉(zhuǎn)情況,無法對設(shè)備運轉(zhuǎn)情況進(jìn)行調(diào)整,產(chǎn)線集中控制后,通過PLC采集現(xiàn)場各個設(shè)備運行狀態(tài)并進(jìn)行分析,可以總體把握整個產(chǎn)線的生產(chǎn)流程,進(jìn)而對各工序設(shè)備運轉(zhuǎn)情況進(jìn)行調(diào)整。集中控制流程如圖8所示。

6結(jié)語

集中控制系統(tǒng)在濕法線上的應(yīng)用,相較于原有系統(tǒng),其生產(chǎn)自動化水平和管理能力顯著提升,系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了對各工序設(shè)備的集中控制,并能對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程、設(shè)備運行狀況、報警信息、產(chǎn)能等進(jìn)行綜合評估,減輕了工人的勞動強(qiáng)度。

濕法線生產(chǎn)是一種非線性多擾動的生產(chǎn)過程,生產(chǎn)過程中溫度、給料配比及物料攪拌濃度的變化都會對最終的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。目前濕法線上的設(shè)備運行參數(shù)及進(jìn)料配比均為人工給定,通過PDI等常規(guī)控制回路簡單跟蹤設(shè)定參數(shù),工藝人員的水平對產(chǎn)品質(zhì)量影響重大。預(yù)測控制算法,例如模型預(yù)測控制(MPC)算法,以系統(tǒng)的響應(yīng)曲線建立生產(chǎn)模型,通過反饋校正和滾動優(yōu)化不停地對生產(chǎn)模型進(jìn)行校正,使生產(chǎn)過程及產(chǎn)品質(zhì)量始終保持在可控范圍內(nèi)。濕法線實現(xiàn)集中控制后,為模型預(yù)測控制等先進(jìn)算法在產(chǎn)線上的應(yīng)用提供了條件,是產(chǎn)線下一步改造的目標(biāo)。