基于現場(chǎng)總線(xiàn)的煤粉制備分布式控制系統

1、引 言

煤粉制備是水泥生產(chǎn)裝備中最重要的環(huán)節之一，其生產(chǎn)過(guò)程的任務(wù)就是將原煤安全加工成符合要求的煤粉，并將制備好的煤粉輸送到煤粉倉儲存，從而為水泥生產(chǎn)過(guò)程提供燃料。由于煤粉制備過(guò)程具有大慣性、純滯后和非線(xiàn)性等特點(diǎn)，并且生產(chǎn)工況復雜多變，無(wú)法建立精確的系統數學(xué)模型，因此采用傳統的控制策略難以獲得滿(mǎn)意的控制效果，而模糊控制用于煤粉制備這類(lèi)無(wú)模型的復雜控制對象中，可以取得好的控制效果。同時(shí)由于煤粉制備系統中的設備地理位置分散，為了提高生產(chǎn)率，增加系統的可靠性，利用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)對整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行分布式控制可以取到事半功倍的作用。

2、工藝流程

煤粉制備系統的工藝流程如圖1所示。

圖1 煤粉制備系統工藝流程圖

原煤從堆煤場(chǎng)經(jīng)提升機提升后送入原煤倉，通過(guò)原煤倉內部的荷重傳感器計量后由圓盤(pán)喂料機送入煤磨。原煤在磨內借助熱風(fēng)機送來(lái)的熱風(fēng)進(jìn)行烘干和粉磨，然后送入動(dòng)態(tài)選粉機，不合格的粗粉送回磨頭重新粉磨，細粉進(jìn)入煤粉收塵器。收塵器收下的煤粉經(jīng)雙向螺旋輸送機送至帶荷重傳感器的煤粉倉中，最后經(jīng)過(guò)轉子計量秤計量后送入窯頭。

3、系統設計

系統設計采用分層分布開(kāi)放式結構，運用PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)、DCS組態(tài)和PLC控制等技術(shù)，組成分散控制、集中管理的分布式控制系統，在功能上分為3級，即底層PLC控制級、中間通訊級和上層管理與遠程網(wǎng)絡(luò )監控級，系統結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構圖

3.1 硬件設計

底層PLC控制級由三臺S7-300 PLC(從站)組成，主要完成對現場(chǎng)數據的采集、現場(chǎng)儀表、執行機構和變頻器的控制。PLC通過(guò)主從式網(wǎng)絡(luò )與中間通訊主站通訊，每個(gè)PLC都是一個(gè)獨立的控制從站，可以完成數據采集、故障診斷、設備控制等控制任務(wù)，并且在主站或傳輸線(xiàn)路發(fā)生故障的情況下，可以自動(dòng)進(jìn)入就地控制模式。

在底層PLC控制級的基礎上，設置一個(gè)通訊處理主站和一個(gè)數據服務(wù)器，采用PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)連接。通訊處理主站作為主從式網(wǎng)絡(luò )中的主站，擁有總線(xiàn)控制權。數據服務(wù)器進(jìn)行整個(gè)系統的數據庫管理，同時(shí)擔當現場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)(Ethernet)之間的路由器。

上層管理與遠程網(wǎng)絡(luò )監控級由一臺操作站計算機組成，通過(guò)Ethernet與數據服務(wù)器相連，共享數據與信息。數據服務(wù)器的信息通過(guò)Ethernet送到操作站，由操作站完成數據處理、診斷與故障報警，實(shí)時(shí)顯示工藝流程、歷史曲線(xiàn)圖、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖、報警畫(huà)面等。操作站還完成網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的功能，將生產(chǎn)數據通過(guò)Internet進(jìn)行傳輸，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化遠程瀏覽。

3.2 軟件設計

3.2.1 底層PLC控制級的軟件設計

根據煤粉制備工藝流程的要求，底層PLC控制級的控制程序主體流程框圖如圖3所示。

圖3 底層PLC控制級主體程序流程圖

煤磨磨機的負荷控制是在綜合了提升機、磨音和粉料回料量等要素的基礎上，采用了模糊控制的方法來(lái)實(shí)現。其中模糊控制器的輸入變量為回料量誤差eh、磨音誤差em、功率誤差eσ，輸出變量為控制變量u。

輸入變量的模糊子集分別為：

eh為5級：{負大，負小，零，正小，正大｝，記為{NB，NS，ZO，PS，PB｝;

em為5級：{負大，負小，零，正小，正大｝，記為{NB，NS，ZO，PS，PB｝;

eσ為5級：{負大，負小，零，正小，正大｝，記為{NB，NS，ZO，PS，PB｝。

輸出變量的模糊子集為：

u為5級：{負大，負小，零，正小，正大｝，記為{NB，NS，ZO，PS，PB｝。

對應的隸屬函數eh、em、eσ 為梯形函數，u為高斯函數。解模糊方法采用加權平均法。

3.2.2 主站與數據服務(wù)器的軟件設計

采用結構化的思想，把主站軟件分為:初始化模塊、通訊模塊和故障診斷模塊。初始化模塊主要是在PLC每次啟動(dòng)時(shí)給輸入存儲區和映象區賦初值，完成對 S7-300的初始化工作。主站通過(guò)CP342-5與從站采用“周期I/O方式”通訊。故障診斷模塊的編程思想是利用S7-300中的機架故障組織塊 OB86。根據檢查該組織塊中臨時(shí)變量的值來(lái)進(jìn)行故障診斷。程序流程如圖4所示。

圖4 故障診斷程序流程圖

3.2.3 操作站的軟件設計

操作站采用北京昆侖通態(tài)公司的工控組態(tài)軟件MCGS 5.1通用版開(kāi)發(fā)，可實(shí)現現場(chǎng)信號實(shí)時(shí)顯示、控制參數調整;重要歷史數據保存、多種曲線(xiàn)顯示;信號報警及報表打印等。

根據工藝及設備的控制要求，編制了一系列的操作站界面，其中包括啟動(dòng)界面、主工藝流程界面(圖5)、分組啟動(dòng)界面(圖6)、啟動(dòng)調試界面、報警界面、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)界面、歷史曲線(xiàn)界面和事件記錄與報表界面等。

圖5 主工藝流程圖

圖6 分組啟動(dòng)界面

整個(gè)系統軟件具有較強的自診斷、冗余和糾錯功能，通訊設備容錯能力強;系統擴展性好，標準化的網(wǎng)絡(luò )TCP/IP協(xié)議和SQL數據庫有利于系統高層互連。