現(xiàn)場總線在球磨機(jī)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張明哲　楊國韜　周威

摘 要：本文提出了一種現(xiàn)場總線在球磨機(jī)自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用的方法。該方法采用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，通過PLC與DCS通信，對球磨機(jī)工作時的模擬量與數(shù)字量信號進(jìn)行遠(yuǎn)程實時采集與監(jiān)控，實現(xiàn)了球磨機(jī)的自動化控制。結(jié)果表明：該方法穩(wěn)定性高、實用性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；PLC；自動控制；球磨機(jī)

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)是物料破碎之后再進(jìn)行粉碎的關(guān)鍵設(shè)備，可對各種礦石或其他可磨性物料進(jìn)行干式或濕式粉磨[1]。球磨機(jī)是一個機(jī)械、電氣、液壓綜合系統(tǒng)，其中電氣系統(tǒng)工作的可靠程度將直接影響整個設(shè)備的正常工作，任何故障都會帶來經(jīng)濟(jì)方面的損失，所以球磨機(jī)的自動化控制至關(guān)重要。

現(xiàn)場總線是隨著計算機(jī)、控制、通信及模塊化集成等技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的工業(yè)控制系統(tǒng)，是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和DCS之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點多站的通信網(wǎng)絡(luò)，是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備進(jìn)行互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

本文所做球磨機(jī)自動化控制系統(tǒng)設(shè)計基于山東信發(fā)鋁電集團(tuán)有限公司在某年產(chǎn)360萬t氧化鋁生產(chǎn)線上的6臺Φ4.5m×8.5m球磨機(jī)，將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于球磨機(jī)自動控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備分布式數(shù)字控制和網(wǎng)絡(luò)通信，為球磨機(jī)的自動化控制提供了解決方案。

2 現(xiàn)場總線

生產(chǎn)現(xiàn)場存在著大量來自不同廠商、遵從不同通信協(xié)議、組成各自控制系統(tǒng)并與特定應(yīng)用軟件通信的設(shè)備，因此需要一個開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，即現(xiàn)場總線。

PROFIBUS（Process Fieldbus）作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN9245、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20540—2006的現(xiàn)場總線，是指一組協(xié)議與應(yīng)用規(guī)約的集合，其核心是在數(shù)據(jù)鏈路層上使用統(tǒng)一的基于Token Passing的主從輪詢協(xié)議的通信協(xié)議，而在其下的物理層上和其上的應(yīng)用層上則使用不同的應(yīng)用規(guī)約。

PROFIBUS現(xiàn)場總線分為主站（Master）和從站（Slave），主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，從站對接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請求時向其發(fā)送信息。

3 球磨機(jī)自動控制設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

球磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)配置為：PLC低壓控制柜、球磨機(jī)就地操作箱、主軸承潤滑站就地操作箱、減速機(jī)潤滑站就地操作箱、慢驅(qū)控制箱、干油噴射控制柜及現(xiàn)場傳感器。

球磨機(jī)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(jī)的啟停。DCS操作時，通過DCS的PC控制潤滑站的啟停、主電機(jī)的啟停。球磨機(jī)工作時的模擬量與數(shù)字量信號的采集監(jiān)控、故障報警、聯(lián)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(xiàn)場總線進(jìn)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(shù)字量輸入模塊與SM322輸出模塊用于讀取與發(fā)送狀態(tài)信號和控制信號；CP 342-5通信處理器通過現(xiàn)場總線與DCS進(jìn)行通訊；MP377-12 HMI用于實時顯示各個模擬量數(shù)值及數(shù)字量的狀態(tài)，通過MPI與CPU進(jìn)行通信。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

首先對1#磨機(jī)的PLC站進(jìn)行硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。組態(tài)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(tài)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(jī)的PLC站進(jìn)行硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。組態(tài)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(wǎng)：INTERNAL；地址：3；傳輸率：1.5Mbps；配置文件：DP。根據(jù)實際所需模擬量與數(shù)字量個數(shù)，在組態(tài)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(jī)中，CP 342-5地址設(shè)置為11，5#磨機(jī)CP 342-5地址設(shè)置為12。4#磨機(jī)與6#磨機(jī)同2#磨機(jī)完全相同。

將配置完成的組態(tài)分別下載到6臺磨機(jī)的PLC站中，然后進(jìn)行軟件編程。

對1#磨機(jī)，由于PLC站中有CP 342-5，因此需在OB1中調(diào)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(zhuǎn)換為16進(jìn)制后為1F4；SEND為數(shù)據(jù)地址區(qū)，即DB19中的第0個字節(jié)的第0位開始，長度為232個字節(jié)的數(shù)據(jù)；DONE、ERROR和STATUS表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)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(shù)據(jù)地址區(qū)，即DB19中的第236個字節(jié)的第0位開始，長度為4個字節(jié)的數(shù)據(jù)；DONE、ERROR、STATUS和DPSTATUS表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)和成功與否。

DB19為通過DCS-PROFIBUS與DCS進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)地址區(qū)，磨機(jī)的模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)均存放于此。

以上完成了1#磨機(jī)通過DCS-PROFIBUS與DCS的通信。

對2#磨機(jī)，通過INTERNAL-PROFIBUS與1#磨機(jī)進(jìn)行通信，將2#磨機(jī)的模擬量與數(shù)字量數(shù)據(jù)發(fā)送到1#磨機(jī)，并將接收到的1#磨機(jī)的數(shù)據(jù)存放于DB18中。

然后在1#磨機(jī)程序中，將從2#磨機(jī)發(fā)送過來的模擬量與數(shù)字量數(shù)據(jù)存放于DB19中，同時將DB19中的部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給2#磨機(jī)，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(jìn)行1#磨機(jī)與2#磨機(jī)間的通信。

3#磨機(jī)和5#磨機(jī)的程序同1#磨機(jī)類似，4#磨機(jī)和6#磨機(jī)的程序同2#磨機(jī)類似。

程序編寫并分別下載到PLC站后，便完成了球磨機(jī)自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，即可通過DCS對球磨機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控與操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬天雨，桂衛(wèi)華，陽春華，等.基于PBM+MPC的球磨機(jī)動態(tài)優(yōu)化控制[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（2）：127-132.