ABB 800xA 在水泥生產(chǎn)線原料磨車間中的應(yīng)用

黃華潘，周廷美，莫易敏，鄭 雙

(武漢理工大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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ABB 800xA 在水泥生產(chǎn)線原料磨車間中的應(yīng)用

黃華潘，周廷美，莫易敏，鄭 雙

(武漢理工大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

針對某公司一條水泥生產(chǎn)線的控制需求，介紹了ABB 800xA系統(tǒng)在水泥原料磨生產(chǎn)線中的應(yīng)用。在ABB 800xA系統(tǒng)的Control Builder M軟件中進(jìn)行編程，采用FBD功能塊語言，在集成環(huán)境下進(jìn)行硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)。以ABB AC800M為主控制器，并在Graphic Builder軟件中進(jìn)行生產(chǎn)線畫面的繪制。整個水泥生產(chǎn)線原料磨控制系統(tǒng)已經(jīng)通過業(yè)主公司的FAT驗證，實(shí)現(xiàn)了水泥原料磨生產(chǎn)線的全自動控制。

800xA系統(tǒng)；原料磨；FBD語言；水泥生產(chǎn)線

水泥生產(chǎn)是一個連續(xù)復(fù)雜的過程，生產(chǎn)環(huán)節(jié)和控制對象多，易受外界環(huán)境影響。隨著計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，對水泥廠自動化程度的要求越來越高。水泥原料磨生產(chǎn)又是水泥生產(chǎn)中至關(guān)重要的一環(huán)，直接影響到水泥的質(zhì)量，原料磨生產(chǎn)線控制設(shè)備多而復(fù)雜。某水泥廠原料磨生產(chǎn)線日產(chǎn)熟料2 500 t,控制系統(tǒng)是在ABB 800xA 集成系統(tǒng)上設(shè)計而成的，ABB 800xA系統(tǒng)采用了對象屬性的結(jié)構(gòu)，將編程軟件、流程圖畫面軟件、信息管理、過程控制和現(xiàn)場儀表等集成在一個架構(gòu)下，共用一個平臺，并使用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)組建通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用自帶封裝的Control Module模塊，并遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的FBD功能塊語言編程，編程軟件為Control Builder M，并在Graphic Builder流程圖畫面軟件中繪制生產(chǎn)線監(jiān)控畫面。原料磨采用德國萊歇立磨，設(shè)計生產(chǎn)能力為200 t/h，萊歇立磨粉磨效率高、耗能小、工藝簡單、烘干能力強(qiáng)。在原料磨生產(chǎn)線中對主要設(shè)備磨機(jī)的控制至關(guān)重要，需要實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)過程變量，當(dāng)運(yùn)行中出現(xiàn)異常時自動調(diào)停[1]。在通信連接中，現(xiàn)場總線具有結(jié)構(gòu)集約化、控制精確、便于維護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)、電機(jī)控制智能化等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 水泥原料磨生產(chǎn)線工藝

整條水泥生產(chǎn)線包含原料磨、煤磨、窯頭和窯尾4大部分，其中原料磨是水泥生產(chǎn)線中最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。水泥原料磨生產(chǎn)線是將石灰石、黏土、鐵礦石等原料進(jìn)行配比輸送到原料磨中進(jìn)行磨輥研磨形成粉末烘干，經(jīng)選粉機(jī)、旋風(fēng)筒并由空氣斜槽運(yùn)輸至生料庫進(jìn)行儲存。該項目中水泥原料磨生產(chǎn)工藝包括配比喂料系統(tǒng)、原料磨潤滑系統(tǒng)、原料磨廢料運(yùn)輸系統(tǒng)、原料磨風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)、原料磨液壓系統(tǒng)、原料磨主電機(jī)、原料磨注水系統(tǒng)、生料運(yùn)輸與儲存這8大環(huán)節(jié)，原料磨工藝流程如圖1所示。

圖1 原料磨工藝流程圖

(1)配比喂料系統(tǒng)。將石灰石、黏土和鐵礦石按照一定比例進(jìn)行配比，物料分析儀根據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量要求調(diào)節(jié)物料配比，根據(jù)這3種物料的配比比例，使用HASLER秤和史密斯轉(zhuǎn)子秤對3種物料的流量進(jìn)行監(jiān)測控制，總的喂料量采用PID控制，通過調(diào)節(jié)原料磨中進(jìn)出口的壓力差來調(diào)節(jié)總的喂料量速度，當(dāng)壓差高時，表明總的喂料量大，反之則說明喂料量過小。

(2)原料磨潤滑系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含6個潤滑部分，分別為主齒輪箱潤滑、磨輥機(jī)械搖臂潤滑、磨輥潤滑系統(tǒng)HSMS1(1+3號輥)、磨輥潤滑系統(tǒng)HSMS2(2+4號輥)、選粉機(jī)干油脂潤滑和選粉機(jī)油潤滑。

(3)原料磨廢料運(yùn)輸系統(tǒng)。廢料運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)際上是一個廢料循環(huán)，一方面把選粉機(jī)篩選出來的粗料再次通過金屬探測儀去除金屬物后，用提升機(jī)再次回到喂料系統(tǒng)送入磨中研磨成細(xì)粉末；另一方面是將喂料去除的金屬廢料經(jīng)過二次檢測，留下可以粉磨的物料，余下的廢料與磨中檢測的廢料一起堆放，用卡車運(yùn)走。

(4)原料磨風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)。風(fēng)路循環(huán)主要是外部和里面空氣循環(huán)交換的一個過程，主要有磨機(jī)經(jīng)旋風(fēng)筒被系統(tǒng)風(fēng)機(jī)排出的一部分廢氣和一部分需要回到磨機(jī)入口的空氣，另外還有一部分從窯輸送來的熱風(fēng)來保持窯內(nèi)氣體溫度，還有需要調(diào)節(jié)磨內(nèi)溫度需要的外部冷空氣。風(fēng)路系統(tǒng)保持了磨內(nèi)溫度壓力在一個合適值，出入口溫度壓力及系統(tǒng)風(fēng)機(jī)流量均有PID模塊控制調(diào)節(jié)。

(5)原料磨液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的作用主要是控制磨輥的抬起或落下，主電機(jī)運(yùn)行且處于喂料時，磨輥落下進(jìn)行碾磨原料成粉狀送入選粉機(jī)進(jìn)行篩選。若主電機(jī)停機(jī)或者喂料停止，磨輥需馬上抬起，以保證設(shè)備安全。液壓系統(tǒng)通過控制液壓油回路的壓力實(shí)現(xiàn)磨輥的起落。

(6)原料磨主電機(jī)。這一環(huán)節(jié)由磨主電機(jī)和用于檢修的輔助電機(jī)組成，當(dāng)潤滑系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)開啟喂料進(jìn)行時，磨主電機(jī)運(yùn)行，輔助電機(jī)運(yùn)行時不工作。

(7)原料磨注水系統(tǒng)。注水系統(tǒng)由一個注水泵和兩個電磁閥組成，注水泵為變頻電機(jī)，通過控制注水泵的轉(zhuǎn)速和電磁閥的開啟控制注水流量，達(dá)到控制出口溫度的目的，注水流量由PID控制。

(8)熟料運(yùn)輸與儲存。原材料經(jīng)研磨進(jìn)入選粉機(jī)篩選到旋風(fēng)筒排出廢氣后，倒給料機(jī)經(jīng)多層空氣斜槽入生料庫，生料庫容量為8 000 t。

2 程序編寫及上位機(jī)畫面繪制

在ABB系統(tǒng)Control Builder M中進(jìn)行編程，CBM是一個編程工具，包括程序編輯器、硬件結(jié)構(gòu)組態(tài)和用于控制器應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)庫，分別為Controllers、Applications和Libraries，具有強(qiáng)大的編程功能。支持的5種編程語言均遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，分別為ST(結(jié)構(gòu)化文本)、IL(指令表)、FBD(功能塊圖)、SFC(順控圖)和LD(梯形圖)[3]。同時也提供了CBM特有的編程語言Control Module(控制模塊)，包含工業(yè)控制編程所需的電機(jī)塊、閥門塊、模擬信號塊、PID模塊等系統(tǒng)封裝好的模塊，在編程時根據(jù)工藝流程反復(fù)調(diào)用這些模塊，配置相應(yīng)信息，大大提高了編程的效率，使設(shè)備的啟停和聯(lián)鎖變得簡單。其余信號之間、信號設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間等生產(chǎn)聯(lián)鎖采用在模塊外組內(nèi)用編程語言寫控制程序。整個項目采用項目樹的結(jié)構(gòu)，簡單清晰，可以方便地進(jìn)行導(dǎo)航。CBM提供了大量的在線功能用于程序的測試、修改和在線調(diào)試，可以在線查看IO通道和變量的狀態(tài)等。使用上述CBM的這些基本功能可以初步完成一個項目，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中去。

在編程中，采用編程工具中的FBD功能塊語言完成封裝模塊之外的編程工作，并在Graphic Builder繪制了上位機(jī)操作界面，Graphic Builder是集成在系統(tǒng)800xA中的上位機(jī)流程圖畫面軟件，軟件中有為水泥工業(yè)自動化流程開發(fā)的庫，在繪制時，皮帶運(yùn)輸機(jī)、斗式提升機(jī)、立磨等圖形均可以從庫中調(diào)用并配置相關(guān)信息。在程序編寫完成后，仿真控制程序在線控制生產(chǎn)線設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行時，可看到設(shè)備變綠，當(dāng)設(shè)備存在安全聯(lián)鎖時，可看到設(shè)備報警變紅。同時當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時，給其配置相應(yīng)的動態(tài)屬性，只要設(shè)備是運(yùn)動起來的，便可看到整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)動態(tài)圖。經(jīng)過編程和仿真調(diào)試，完成了水泥生產(chǎn)線原料磨生產(chǎn)控制系統(tǒng)，在仿真運(yùn)行時，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，符合工藝流程要求。

3 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)總架構(gòu)

整個系統(tǒng)架構(gòu)分為3層網(wǎng)絡(luò)：信息管理層、控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，信息管理層主要由操作員站、工程師站和服務(wù)器組成，服務(wù)器有連接服務(wù)器和屬性服務(wù)器，均設(shè)置了冗余服務(wù)器，提高了系統(tǒng)的可靠性。控制層采用ABB公司ABB AC800M系列控制器，選用CPU PM864作為主CPU，內(nèi)存為32 M,頻率為96 MHz。而在現(xiàn)場設(shè)備層，采用遠(yuǎn)程S800 I/O模塊和其他如ABB Drive變頻器模塊的設(shè)備模塊。S800 I/O是一種通用的IO，既可以做本地IO，又可以做遠(yuǎn)程IO。

圖2 系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在信息管理層與控制層之間使用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，而在控制層與現(xiàn)場設(shè)備之間通過Profibus現(xiàn)場總線進(jìn)行連接。中控室冗余服務(wù)器與控制層的控制器以環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)連接，工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP以太網(wǎng)傳輸MMS協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為通信光纜，可以增大傳輸距離，增強(qiáng)抗干擾能力[4]。Profibus是一種不依賴廠家的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，所生產(chǎn)的設(shè)備不需要對其調(diào)整就可以通信[5]。Profibus按照應(yīng)用場合分為Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS 3個系列。在現(xiàn)場設(shè)備層主要采用Profibus-DP和Profibus-PA通信方式。Profibus-DP主要用于將這些分散的設(shè)備連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信，而Profibus-PA主要是用于安全性要求高的儀表通信[6-7]。

在服務(wù)器冗余的同時，也采用Profibus冗余主從站、控制網(wǎng)絡(luò)冗余、冗余總線、HSE冗余鏈路設(shè)備、冗余I/O等方式，以保證系統(tǒng)停工時間最小化。在關(guān)鍵的環(huán)節(jié)和部位上，采用冗余的方式有助于保持生產(chǎn)的連續(xù)性，當(dāng)其中一個設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，可無縫切換到另一設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)之上，生產(chǎn)運(yùn)行依舊，保證企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)能[8-9]。

4 萊歇立磨液壓系統(tǒng)設(shè)計

原料磨采用德國萊歇公司生產(chǎn)的萊歇立磨，產(chǎn)能達(dá)到200 t/h。液壓系統(tǒng)工藝流程復(fù)雜，采用傳統(tǒng)手工操作不利于生產(chǎn)的產(chǎn)能和高效生產(chǎn)，采用自動化控制后無需手工操作，其運(yùn)行好壞決定著粉磨原料的質(zhì)量，是整個水泥磨生產(chǎn)線的關(guān)鍵部分。立磨有兩套液壓系統(tǒng)，為四輥式立磨，相對的兩個輥屬于一套液壓系統(tǒng)，即1號和3號輥屬于第一套液壓系統(tǒng)HSLM1，2號和4號輥屬于第二套液壓系統(tǒng)HSLM2。兩套液壓系統(tǒng)配合使用，既可以同時開啟，也能單獨(dú)使用。

液壓系統(tǒng)的自動控制工作原理:在主電機(jī)開啟之前，磨輥必須抬起，抬起過程中液壓系統(tǒng)開啟，油泵打開處于滿負(fù)荷運(yùn)行，液壓油進(jìn)入磨輥底部，此時反向壓力增加，工作壓力減少，反向壓力與工作壓力差將磨輥抬起，待主電機(jī)運(yùn)行后再進(jìn)行喂料，液壓系統(tǒng)將自動進(jìn)行降輥操作，反向壓力減少，油泵開啟將處于50%的速度運(yùn)行，液壓油來到磨輥頂部，工作壓力增大，壓差將輥降下來進(jìn)入研磨模式，開始碾磨原料，磨輥潤滑也隨之開啟，以保證研磨正常進(jìn)行。而在主電機(jī)因為安全聯(lián)鎖停機(jī)時，磨輥會自動抬起，以保證生產(chǎn)安全[10]。

而抬輥、降輥、增加工作壓力、減少工作壓力、增加反向壓力、減少反向壓力這些過程都是通過編程程序控制液壓油泵變頻器和7個電磁閥門的開閉來實(shí)現(xiàn)這些功能。整個過程，液壓系統(tǒng)運(yùn)行良好且平穩(wěn)。將整個液壓系統(tǒng)單獨(dú)分為一個組，使用變頻電機(jī)和電磁閥模塊進(jìn)行組態(tài)設(shè)備，并將其設(shè)備所需的備妥、運(yùn)行、故障、現(xiàn)場啟停等信號配置于設(shè)備模塊之中。每套系統(tǒng)包含有液壓油液位開關(guān)、液壓油溫度儀表、液壓泵溫度儀表、磨輥溫度檢測儀表、磨輥位置檢測儀表，以及測量工作壓力和反向壓力。通過這些模擬量和數(shù)字量可以了解到液壓系統(tǒng)的工作狀況，根據(jù)液壓系統(tǒng)的工藝流程和安全生產(chǎn)要求，在外部編寫邏輯程序?qū)?shù)字量、模擬量、設(shè)備進(jìn)行聯(lián)鎖，主要有設(shè)備的啟動連鎖、安全連鎖和順序連鎖等邏輯功能，實(shí)現(xiàn)自動控制。如當(dāng)油溫過低時，系統(tǒng)加熱器會自動開啟；當(dāng)磨輥降到一定位置進(jìn)入研磨時，反向壓力會逐漸減小，同時磨輥潤滑會開啟。在CBM軟件的Hardware中進(jìn)行硬件組態(tài)，包括配置原料磨車間的變頻器、網(wǎng)關(guān)、轉(zhuǎn)子秤，以及一些模擬量和數(shù)字量的儀器儀表。由于工藝流程畫面復(fù)雜，在Graphic Builder中單獨(dú)繪制一張小圖，并在主圖磨輥附近設(shè)置彈出框按鈕，方便及時觀察液壓系統(tǒng)狀況信息，其界面圖如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)運(yùn)行界面圖

5 結(jié)論

ABB 800xA系統(tǒng)代表著水泥生產(chǎn)線控制領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，全集成的開發(fā)環(huán)境加上應(yīng)用對象屬性結(jié)構(gòu)的架構(gòu)，使得包括編程、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、硬軟件配置、上位機(jī)流程圖編制等配置都能在一個平臺完成，豐富的系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性使其能夠得到推廣和廣泛應(yīng)用。筆者以某水泥生產(chǎn)線項目介紹了整個原料磨生產(chǎn)工藝流程，同時描述了新一代生產(chǎn)控制系統(tǒng)的功能配置、軟硬件組態(tài)，以及整個控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)和相互關(guān)聯(lián)，以期為ABB系統(tǒng)在水泥行業(yè)乃至其他行業(yè)工業(yè)自動化控制方面的應(yīng)用提供幫助。

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HUANG Huapan:Postgraduate; School of Mechanical and Electric Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

ABB 800xA System in Raw Mill Plant of Cement Production Line

HUANGHuapan,ZHOUTingmei,MOYimin,ZHENGShuang

Aiming at control requirements in a cement production line, the ABB 800xA system applied in cement raw mill production line was introduced. Programming was realized by software of Control Builder M in ABB 800xA systems using FBD function block language. The hardware, software and networks were configured in an integrated environment. And the flow line was drawn in the software of Graphic Builder. The whole raw mill control system of cement production line was verified by the investor company's FAT. The fully automatic control was achieved in raw mill cement production line.

800xA system; raw mill; FBD language; cement production line

2015-07-21.

黃華潘(1991-)，男，湖北孝感人，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生.

2095-3852(2015)06-0846-04

A

TQ172.6

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.040