磁材厂湿法线集中控制系统设计

0引言

某磁性材料厂湿法线由配料系统、球磨机、搅拌机、脱水机、搅拌釜、回转窑、冷却筒和包装机等设备构成。以往每套设备由简单的现场接触器、继电器控制,设备陈旧,控制分散,自动化程度底,导致工作效率低下,生产成本居高不下。

现应用基于可编程逻辑控制器和组态软件的工业自动化技术,与接触器、继电器的常规回路控制相结合,实现湿法线上设备的分布控制、集中操作,可以解决传统继电器、接触器控制存在的产线操作难以集中、生产过程难以记录、设备间连锁困难等问题。

1湿法线的生产流程和控制系统组成

1.1生产流程

原料(氧化铁红)及辅料(二氧化硅、碳酸钙、三氧化二铝等)通过配料系统按生产所需配比混合后,进入湿法球磨机研磨,研磨完毕后进入搅拌机搅拌。

搅拌均匀的物料经软管泵输送至脱水机进行脱水,再经搅拌釜二次搅拌,然后由柱塞泵送至回转窑进料箱。

在回转窑内对物料进行烧制,后经冷却筒冷却,送入管式球磨机研磨为成品,完成整个生产流程。湿法线生产流程如图1所示。

1.2主要设备及控制要求

整个湿法线的设备主要分为两种类型:机电一体品设备和单体设备。

配料系统和回转窑燃烧系统为机电一体品设备,整套设备本身带有成套的控制系统(PLC),仅将PLC模块进行更换或增加通信模块,即可接入集中控制系统(主PLC),实现设备集中控制。

产线其余单体设备原有控制方式为简单的MCC控制柜就地操作箱控制方式,在该控制方式下,每个设备之间相互独立。

对单体设备控制回路进行更新,取消现场操作箱,MCC控制柜上增加切换开关(集控一检修一就地),对控制回路进行改造,使其可以接收集中控制系统的启停信号并将故障信号送入集中控制系统(主PLC),实现设备的集中控制。

2系统主回路设计

在整个湿法线上,各设备的电机启动方式有直接启动、变频启动和频敏变阻启动3种。

2.1直启正转控制回路设计

湿法线上的冷却筒等设备电机可直接启动,基础控制采用常规接触器、继电器实现,其典型电路如图2所示。

2.2变频控制回路设计

搅拌机、球磨机等设备的电机以变频方式启动,采用西门子s120系列变频器,通过控制变频器数字量输入点的通断,实现设备的运行和停止,集控系统模拟量输入模块把模拟量控制信号传给变频器,由变频器对设备运行进行调节。变频启动的典型电路如图3所示。

2.3频敏变阻启动回路设计

管式球磨机电机以频敏变阻启动方式进行切除电阻启动,启动方式如图4所示。

3系统架构

湿法线集中控制系统采用分布式集中控制方式进行设计,采用三层分布式架构:底层为设备控制层,中间层为信号逻辑层,顶层为监控管理层。整个控制系统的网络架构如图5所示。

设备控制层主要由单体设备电机、机电一体品等电气执行机构组成,作为执行层运转现场生产设备。

中间信号逻辑层为整个集中控制系统的核心,由一台PLC主站及相关I/O模块、通信模块构成。现场单体设备启停及状态信号以硬接线的方式接入集中控制系统(主PLC)的I/O信号模块,变频器信号通过profibus-Dp总线网络接入集中控制系统(主PLC)进行信号通信,机电一体品设备通过以太网通信的方式接入集中控制系统(主PLC)。

监控管理层由一台工程师站及一台操作员站组成,并与公司及管理信息网络连接,接收生产信息并调配整个产线的生产过程。

4控制系统设计

4.1机电一体品控制系统

在湿法线上,回转窑及两套配料系统以机电一体品的形式出现,并独立运行。其中回转窑系统以lg-PLC为核心进行控制,配料系统以s7-200PLC为核心进行控制。为实现集中控制,将回转窑lg-PLC替换为s7-l200,配料系统PLC增加通信模块,3套系统作为从站通过以太网通信的方式接入主控制系统。机电一体品控制系统的硬件配置及选型如表1所示。

4.2主控制系统

整条湿法线需要控制的设备数量较多,且控制系统要可

靠、稳定,故选择西门子CpU3l5,配合相应的I/O扩展模块、通信模块等设备作为集中控制系统的主控制系统,现场设备通过I/O信号线及通信线接入控制系统。主控制系统的硬件布置及选型如表2所示。

4.2.1I/O信号

现场电机启停及反馈信号通过硬接线的方式与主PLC进行通信,PLC控制设备启停及接收设备反馈信号,典型的I/O接点如图6所示。

此外,变频设备还需接收PLC频率给定信号,以及将设备转速反馈给PLC,如图7所示。

4.2.2通信信号

现场变频器通过PR0FIBUs网络与主PLC进行通信,燃烧系统及配料系统通过以太网与主PLC进行通信。

5集中控制流程

由于以往产线各个设备间相互独立,每个工序操作人员无法及时判断其他工序设备运转情况,无法对设备运转情况进行调整,产线集中控制后,通过PLC采集现场各个设备运行状态并进行分析,可以总体把握整个产线的生产流程,进而对各工序设备运转情况进行调整。集中控制流程如图8所示。

6结语

集中控制系统在湿法线上的应用,相较于原有系统,其生产自动化水平和管理能力显著提升,系统的应用实现了对各工序设备的集中控制,并能对整个生产系统的生产过程、设备运行状况、报警信息、产能等进行综合评估,减轻了工人的劳动强度。

湿法线生产是一种非线性多扰动的生产过程,生产过程中温度、给料配比及物料搅拌浓度的变化都会对最终的产品质量产生影响。目前湿法线上的设备运行参数及进料配比均为人工给定,通过PDI等常规控制回路简单跟踪设定参数,工艺人员的水平对产品质量影响重大。预测控制算法,例如模型预测控制(MPC)算法,以系统的响应曲线建立生产模型,通过反馈校正和滚动优化不停地对生产模型进行校正,使生产过程及产品质量始终保持在可控范围内。湿法线实现集中控制后,为模型预测控制等先进算法在产线上的应用提供了条件,是产线下一步改造的目标。