皮帶機防打滑、失速監(jiān)控裝置在燒結廠皮帶機應用

1、皮帶機防打滑、失速監(jiān)控裝置在燒結廠皮帶機應用王樹東 柴兆森 吳蕾 李寧 鄭卓（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院 ， 甘肅 蘭州 730050）摘要：針對燒結廠很多爬坡或露天皮帶遇到雨雪天打滑或物料重壓時出現的皮帶打滑故障，本文將皮帶機防打滑、失速監(jiān)控裝置應用在皮帶系統(tǒng)中關鍵詞：速度檢測儀；皮帶；Hot-blast Stove AutomaticControl System Based on Industrial Ethernet- mixed NetworkWang Shu-dong, Chai Zhao-sen,Wu Lei, Li Ning,Zheng Zhuo（College of

2、Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China）Abstract: Targeting at requirements of control and the production process of the hot-blast stove in smelter smelting workshop station, the industrial Ethernet is used in process monitoring.Using it

3、s own integrated PROFINet interface of PLC , the Ethernet Communicationes are achieved in both horizontal and vertical directions in a convenient and economical way . PROFIBUS field bus and long-distance IO modules are used in the field . This network structure with industrial Ethernet and fieldbus

4、integrated effectively realized the automatic control system of the hot-blast stove and remote monitoring of the dispatch center. This network structure is very easy to expanded and upgraded to PROFINet and other senior Ethernet network control system.,which pay the way for upgrading and expansion o

5、f the system.Key words: Industrial Ethernet；PROFIBUS；Remote Monitoring；Network Control System1 引言當前皮帶機在運行過程中的故障保護措施有電氣的短路、過載等保護的同時，也有液力耦合器的機械過負荷保護、皮帶跑偏保護等保護裝置，但是很多爬坡或露天皮帶遇到雨雪天打滑或物料重壓時出現的皮帶打滑故障，皮帶機沒有低速運轉、打滑報警停車的保護裝置，此類故障常常給燒結生產帶來很多麻煩，不但造成了經濟上的損失，同時加重了職工的勞動強度。皮帶機未安裝測速裝置之前，一旦遇到物料突然增加造成的皮帶壓料打滑和雨雪天氣打滑、皮帶

6、斷裂等故障，一般的機械、電氣保護并不能在第一時間及時報警、動作，而主控室上位機畫面也不能顯示皮帶機現場的實際運行狀態(tài)，往往等到崗位人員發(fā)現時故障時，物料早已大量堆積外溢，而清除積料又需要較長的時間，給燒結生產帶來了很多負面影響。針對上述皮帶機運行中所遇到皮帶壓料、打滑的問題，經過仔細研究分析，由燒結廠設備科牽頭制定方案及指導下，積極組織測速開關、電纜、配電箱、聲光報警器、穿線管等相關備件材料，并在電氣維修車間的大力配合下利用2#燒結機系統(tǒng)檢修期間，在轉2-1皮帶機上加裝了皮帶機測速裝置進行控制運行。2熱風爐系統(tǒng)介紹 某鉛鋅冶煉廠密閉鼓風爐的供風系統(tǒng)主要由三座拷貝式熱風爐組成。熱風爐能否為鼓風爐

7、提供符合生產要求的高溫熱風至關重要，其運行安全可靠性直接影響到鼓風爐正常運行和冶煉質量。原熱風爐系統(tǒng)工藝操作簡單, 系統(tǒng)自動化程度較落后,因此, 對之進行了徹底地系統(tǒng)改造。2.1工藝流程熱風爐是利用燃燒蓄熱來預熱鼓風的熱交換裝置。蓄熱室用格子磚砌成，加熱熱風爐就是加熱格子磚。為保證鼓風爐連續(xù)高效生產，必須對三座熱風爐輪流交替使用。每座熱風爐都有三種狀態(tài)：燃燒、燜爐和送風，生產中要求必須保證任何時刻，至少有一座熱風爐給鼓風爐送風。下面分別簡單介紹熱風爐的三種工作狀態(tài)：燃燒狀態(tài)：控制煤氣量和助燃空氣量，按一定比例混合在燃燒室進行燃燒，生成的高溫氣體上升到爐頂后又下行進入蓄熱室，將熱量傳給格子磚，當

8、爐頂溫度大于1150，煙道溫度達到450左右，表明蓄熱室貯備有足夠的熱量，此時停止燒爐，轉入燜爐狀態(tài)等待送風。為了提高燃燒熱效率，應及時調節(jié)最優(yōu)的煤氣和助燃空氣配比。送風狀態(tài)：打開冷風閥讓冷空氣經蓄熱室，上行穿過熱格子磚，吸收熱量，成為熱風，最終通過熱風出口進入熱風總管到達鼓風爐。 燜爐狀態(tài)：關閉熱風爐的所有閥門，為下一狀態(tài)做準備。是熱風爐由“燃燒”轉“送風”或“送風”轉“燃燒”時，都要經過的一種中間過渡狀態(tài)。改造后整個熱風爐系統(tǒng)共使用46個電動閥門實現自動控制。其中每座熱風爐各有相同功能的11個閘板閥和3個電動調節(jié)蝶閥構成.另加4個公用電動蝶閥。對這46個閥門控制水平直接決定了熱風爐自控系統(tǒng)

9、性能。2.2 控制要求熱風爐作為熔煉車間的一個重要分站，本身又是一個高危險性操作站。每項重要操作都有嚴格的操作要求，要求通過儀表和電氣兩部分配合絕對保證熱風爐正常運行。熱風爐自動控制主要由儀表控制和電氣控制兩部分組成。儀控部分主要完成工藝參數采集和對各調節(jié)閥的智能控制等。正常情況下要求和電控部分配合實現系統(tǒng)最優(yōu)自動控制。在休風等異常情況下能夠實現開環(huán)手動控制。電控部分主要完成對所有電氣閥門自動控制以實現自動換爐等重要操作。由于它的重要性此部分設置獨立的PLC控制系統(tǒng)，要求通過上位機可以實現對熱風爐所有閥門手/自動操作并且具有監(jiān)控和報警等功能。在車間級，車間調度中心要求不但能夠對熱風爐站所有信息

10、實時遠程監(jiān)視而且還要對某些重要操作能夠遠程控制，如混風調節(jié)閥等。熱風爐站上位機設置一臺操作員站和一臺工程師站（兼操作員功能）且相互冗余設計，并且實現上位機儀電合一的監(jiān)控功能。3系統(tǒng)網絡結構及其硬件選型3.1網絡構架工業(yè)以太網是一個開放的標準,它可以和許多高端網絡如PROFINet等很好集成，而且能與MES(位于上層計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng))和ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)等技術結合，為企業(yè)網絡升級和擴建留有足夠的空間3。該廠此前剛新建了廠內工業(yè)以太網絡，故本系統(tǒng)設計時的過程監(jiān)控層也采用和車間級統(tǒng)一網絡協(xié)議，為廠內網絡系統(tǒng)集成搭建平臺。在現場級，理論上最優(yōu)方案是采用和上

11、層統(tǒng)一的工業(yè)以太網，例如采用西門子工業(yè)以太網標準PROFINet來實現一網到底，但是現場設備極具分散性，而且安裝環(huán)境比較惡劣，最主要的是能夠適用于熱風爐這種耐高溫高壓的現場設備很少有帶PN（PROFINet）口的，即使有也成本昂貴，綜合比較后，采用PROFIBUS總線方案不矢為一種較優(yōu)方案。故采用PROFIBUS數字信號電纜代替大量并行模擬信號電纜，分別在現場就近安裝遠程IO模塊 ET200M，然后將所有的ET200M模塊都掛接在PROFIBUS總線上。最終系統(tǒng)采用如圖1所示的混合式網絡構架。 圖1 系統(tǒng)網絡圖 3.2硬件選型根據控制要求和以上的網絡結構，主要的硬件配置方案如下:（1）CPU選

12、用西門子315-2 PN/DP2臺。該新型CPU集成一個PROFINet接口，支持TCP/IP協(xié)議可以很簡易而且低成本地和包括IPC在內的其它支持以太網的設備之間自由通信。本系統(tǒng)中它的優(yōu)勢體現以下兩方面：可以用軟件編程方法代替硬件通信模塊CP342-5而實現兩個PLC之間的數據交換。上下位機兩側都不需要另配置專用的網絡通信接口。直接可以用工控機普通網卡就可以實現和PN口的互連。（2）遠程IO模塊選擇ET200M共4塊；（3）工業(yè)以太網的鏈路設備選用即插即用工業(yè)以太網交換機WISE2800-2M； （4）上位機選用研華工控機2臺；4軟件設計4.1 PLC軟件設計下位程序設計包括三部分，儀控功能程

13、序、電控功能程序和儀電合一功能程序。利用Step7 5.4 對PLC進行控制算法的軟件編程。在編程時發(fā)現雖然變量極多（達500多點）但極具規(guī)律性，很大一部分在功能或結構上是相似的。所以編程時盡量多使用了結構化編程思想，從而優(yōu)化了程序結構和變量管理。圖2便表示了這種結構關系。 圖2 PLC程序主體結構圖 結合圖2分別對各部分作如下設計說明：（1）儀控程序在儀控PLC中執(zhí)行。主要實現對各工藝參數信號采集以及依據這些基本信息進行各種控制策略。其中PID調節(jié)是最重要的部分。所有模擬量采集都通過系統(tǒng)組織塊OB1調用模擬量采集功能塊FC1去實現。同理，各個電動蝶閥在參與PID自動調節(jié)功能時全部通過調用系統(tǒng)

14、功能塊FB41去實現。（2）電控程序在電控PLC中執(zhí)行。主要處理自動換爐等操作。由于三個爐子是拷貝式的，故可建立標準化模型，封裝功能內部細節(jié)，只留出外部接口來共用該模型。建立的標準模型有：熱風爐模型、送風等五種基本操作模型和閥門模型。（3）儀電配合程序：某些控制功能需要儀控兩部分相互配合才能實現。此時兩套程序之間要進行數據交換。這需要首先在硬件組態(tài)時設置好通信伙伴，然后在兩邊系統(tǒng)組織塊OB1中分別調用系統(tǒng)通信塊FB12和FB13去完成4。另外值得注意的是：為保證各個調節(jié)閥在PLC掉電和上電后能保持在原位而不至于復位而導致嚴重事故發(fā)生，在程序上要調用變量初始化程序OB100，同時應該在CPU內存

15、區(qū)域內開辟專用區(qū)域設置為可保持型寄存區(qū)。4.2上位設計上位監(jiān)控要實現儀電合一就是對操作而言儀控和電控操作都通過同一臺上位機操作實現。這樣能夠使操作更容易、更集中、信息更全面,使整個熱風爐運行一體化。利用上位組態(tài)工具WinCC6.0實現主要功能如下：監(jiān)視功能：全面實時顯示各工藝參數值和各設備當前狀態(tài)，以及故障報警、實時曲線等。調節(jié)功能：對各調節(jié)閥進行手/自動調節(jié)以及對工藝參數的設定等功能。換爐操作：從上位機上實現全自動，半自動，手動三種方式的換爐操作。圖3為熱風爐自動控制系統(tǒng)運行狀態(tài)窗口界面組態(tài)圖。圖3 熱風爐監(jiān)控系統(tǒng)畫面5上下位通信與系統(tǒng)調試5.1 上下位通信連接與集成由于在物理連接上通過上位

16、機網口和下位機PN口連接，所以在WinCC中應建立S7協(xié)議下的TCP/IP通信設置。在系統(tǒng)通信網絡結構設計時，為了降低系統(tǒng)整體癱瘓的風險，實現分散獨立控制，WinCC創(chuàng)建一個分布式多用戶項目，讓上位機分別直接采集兩個PLC數據，而不是通過數據路由交換等間接方式只通過一個PLC通信。此時注意將所有上下位機IP地址要分配在同一個網段上，否則將不能相互通信5。系統(tǒng)上下位通信變量多達500多個，此時采用西門子TIA（全集成自動化）功能便很輕松地將STEP7中的變量全部自動集成到相應的連接中去（儀控PLC變量集成到儀控變量連接中，電控PLC變量集成到電控變量連接中）。TIA的優(yōu)勢是將數據管理、通信、編程

17、同時集成在一個環(huán)境中去完成6。建立相應的通信連接并集成各自變量后的結果如下圖所示： 圖4 全集成通信連接圖5.2系統(tǒng)調試和運行系統(tǒng)調試時，由于現場比較復雜，工期十分緊張，設備安裝和系統(tǒng)調試幾乎同時進行，很多時候根本不允許在線帶負荷調試或不具備調試的硬件條件。另一方面系統(tǒng)變量極多，相互連鎖關系較復雜，這給系統(tǒng)調試帶來很大困難，在此情況之下，提出利用上下位集成并聯合的仿真方法。實踐證明此法可擺脫硬件條件的種種限制并且比較安全、快捷地完成對整個系統(tǒng)全程調試。雖然STEP7和WinCC各自有仿真軟件，分別是S7-PLCSIM和WinCC TAG Simulator，但是通常是獨立仿真，很難達到系統(tǒng)、直

18、觀、靈活的工程效果。在對本系統(tǒng)仿真調試時，首先在WinCC的S7協(xié)議下建立MPI通訊連接，然后同樣利用上下位全集成方法，將下位變量集成到上位WinCC中，接著運行S7-PLCSIM來模擬PLC工作。在通過適當設置后，S7-PLCSIM做為一個中間紐帶實現STEP7和WinCC兩個軟件的相互通信7，從而完成系統(tǒng)的仿真調試。待軟件上全部調試無誤后，同樣的方法將通信連接改回TCP/IP即可直接投入現場運行。5.3與車間調度的通信本站與車間調度中心通信通過上位機之間的C/S方式實現。調度中心同是采用WinCC做為上位監(jiān)控平臺，所以它們的通信只需要在WinCC中作簡單的組態(tài)即可。本站上位機作為服務器，而

19、將調度中心的IPC在本站上位機中注冊為客戶機。在組態(tài)畫面中對需要遠程控制的操作分配遠程操作權限而對其它操作加以限制后，這樣便可在本站的WinCC中創(chuàng)建一個完整服務器數據包。此數據包被調度中心上位機直接加載后便可獲取和本站同步的全部數據信息。由于這種通信是基于工業(yè)以太網的，所以調度中心獲得的信息在質和量上都是其它方式難以比擬的。另一方面由于這種遠距離通信由上位機來承擔，這便大大減輕了各PLC負荷，大大降低了系統(tǒng)掃描周期8。改造效果及經濟效益通過此項技術改造能夠有效的杜絕皮帶機壓料打滑引發(fā)的設備故障，保障了燒結生產的平穩(wěn)運行。2#燒結機按每小時生產500噸燒結礦計算，每噸燒結礦的利潤32元，每次事

20、故停機4小時，若每年出4次事故，每年事故造成的損失是32*500*4*425.6萬元，這還不算人工清理費用及電機燒壞及膠帶撕裂損失費用。結束語通過對轉2-1皮帶機測速傳感器的整體安裝、速度參數的設置、現場反復試驗，調試運行后，證明皮帶測 速打滑裝置能夠有效的防止皮帶機在打滑、超速、低速 的故障情況下實現及時對皮帶機的報警、停車，此舉完善了皮帶機的故障保護功能，為燒結的平穩(wěn)生產的提供了有力的保 障。我們將在全廠皮帶機上加裝皮帶打滑裝置，實現對皮帶打滑故障的有效控制。6 結束語 系統(tǒng)下位采用兩套獨立的PLC實現了分布式控制，上位在功能上實現了儀電合一，而在通信上又保持獨立，很好的達到了熱風爐系統(tǒng)的控制要求。通信網絡采用了PROFIBUS和工業(yè)以太網結合的混合式控制網絡結構，讓不同的網絡在不同控制層發(fā)揮各自的優(yōu)勢。硬件配置上選用各種新型器件，從而大大節(jié)約成本，為系統(tǒng)以后向更高級的PROFINet升級和擴建搭建了硬件平臺。利用全集成和仿真的方法大大降低了調試難度和風險，為熱風爐系統(tǒng)早日復產使用爭取了寶貴時間。改造復產后的熱風爐系統(tǒng)運行表明大大縮短了熱風爐換爐時間，高效地配合了鼓風爐系統(tǒng)生產。參