基于現(xiàn)場總線的煤粉制備分布式控制系統(tǒng)

1、引 言

煤粉制備是水泥生產(chǎn)裝備中最重要的環(huán)節(jié)之一，其生產(chǎn)過程的任務(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(chǔ)存，從而為水泥生產(chǎn)過程提供燃料。由于煤粉制備過程具有大慣性、純滯后和非線性等特點(diǎn)，并且生產(chǎn)工況復(fù)雜多變，無法建立精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，因此采用傳統(tǒng)的控制策略難以獲得滿意的控制效果，而模糊控制用于煤粉制備這類無模型的復(fù)雜控制對(duì)象中，可以取得好的控制效果。同時(shí)由于煤粉制備系統(tǒng)中的設(shè)備地理位置分散，為了提高生產(chǎn)率，增加系統(tǒng)的可靠性，利用現(xiàn)場總線技術(shù)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(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(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 煤粉制備系統(tǒng)工藝流程圖

原煤從堆煤場經(jīng)提升機(jī)提升后送入原煤倉，通過原煤倉內(nèi)部的荷重傳感器計(jì)量后由圓盤喂料機(jī)送入煤磨。原煤在磨內(nèi)借助熱風(fēng)機(jī)送來的熱風(fēng)進(jìn)行烘干和粉磨，然后送入動(dòng)態(tài)選粉機(jī)，不合格的粗粉送回磨頭重新粉磨，細(xì)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(jī)送至帶荷重傳感器的煤粉倉中，最后經(jīng)過轉(zhuǎn)子計(jì)量秤計(jì)量后送入窯頭。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，運(yùn)用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線、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(tǒng)，在功能上分為3級(jí)，即底層PLC控制級(jí)、中間通訊級(jí)和上層管理與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控級(jí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 硬件設(shè)計(jì)

底層PLC控制級(jí)由三臺(tái)S7-300 PLC(從站)組成，主要完成對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變頻器的控制。PLC通過主從式網(wǎng)絡(luò)與中間通訊主站通訊，每個(gè)PLC都是一個(gè)獨(dú)立的控制從站，可以完成數(shù)據(jù)采集、故障診斷、設(shè)備控制等控制任務(wù)，并且在主站或傳輸線路發(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(jí)的基礎(chǔ)上，設(shè)置一個(gè)通訊處理主站和一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接。通訊處理主站作為主從式網(wǎng)絡(luò)中的主站，擁有總線控制權(quán)。數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理，同時(shí)擔(dān)當(dāng)現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)(Ethernet)之間的路由器。

上層管理與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控級(jí)由一臺(tái)操作站計(jì)算機(jī)組成，通過Ethernet與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，共享數(shù)據(jù)與信息。數(shù)據(jù)服務(wù)器的信息通過Ethernet送到操作站，由操作站完成數(shù)據(jù)處理、診斷與故障報(bào)警，實(shí)時(shí)顯示工藝流程、歷史曲線圖、實(shí)時(shí)曲線圖、報(bào)警畫面等。操作站還完成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的功能，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過Internet進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程瀏覽。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 底層PLC控制級(jí)的軟件設(shè)計(jì)

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

圖3 底層PLC控制級(jí)主體程序流程圖

煤磨磨機(jī)的負(fù)荷控制是在綜合了提升機(jī)、磨音和粉料回料量等要素的基礎(chǔ)上，采用了模糊控制的方法來實(shí)現(xiàn)。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(jí)：{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大｝，記為{NB，NS，ZO，PS，PB｝;

em為5級(jí)：{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大｝，記為{NB，NS，ZO，PS，PB｝;

eσ為5級(jí)：{負(fù)大，負(fù)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(jí)：{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大｝，記為{NB，NS，ZO，PS，PB｝。

對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)eh、em、eσ 為梯形函數(shù)，u為高斯函數(shù)。解模糊方法采用加權(quán)平均法。

3.2.2 主站與數(shù)據(jù)服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)

采用結(jié)構(gòu)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(chǔ)區(qū)和映象區(qū)賦初值，完成對(duì) S7-300的初始化工作。主站通過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(jī)架故障組織塊 OB86。根據(jù)檢查該組織塊中臨時(shí)變量的值來進(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(shè)計(jì)

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通用版開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、控制參數(shù)調(diào)整;重要?dú)v史數(shù)據(jù)保存、多種曲線顯示;信號(hào)報(bào)警及報(bào)表打印等。

根據(jù)工藝及設(shè)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(diào)試界面、報(bào)警界面、實(shí)時(shí)曲線界面、歷史曲線界面和事件記錄與報(bào)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(tǒng)軟件具有較強(qiáng)的自診斷、冗余和糾錯(cuò)功能，通訊設(shè)備容錯(cuò)能力強(qiáng);系統(tǒng)擴(kuò)展性好，標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議和SQL數(shù)據(jù)庫有利于系統(tǒng)高層互連。