皮带机防打滑、失速监控装置在烧结厂皮带机应用.docx

皮带机防打滑、失速监控装置在烧结厂皮带机应用
王树东 柴兆森 吴蕾 李宁 郑卓
（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 ， 甘肃 兰州 730050）
摘要：针对烧结厂很多爬坡或露天皮带遇到雨雪天打滑或物料重压时出现的皮带打滑故障，本文将皮带机防打滑、失速监控装置应用在皮带系统中
关键词：速度检测仪；皮带；
Hot-blast Stove AutomaticControl System Based on Industrial Ethernet- mixed Network
Wang Shu-dong, Chai Zhao-sen,Wu Lei, Li Ning,Zheng Zhuo
（College of 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 its 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 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 of the system.
Key words: Industrial Ethernet；PROFIBUS；Remote Monitoring；Network Control System
1 引言
当前皮带机在运行过程中的故障保护措施有电气的短路、过载等保护的同时，也有液力耦合器的机械过负荷保护、皮带跑偏保护等保护装置，但是很多爬坡或露天皮带遇到雨雪天打滑或物料重压时出现的皮带打滑故障，皮带机没有低速运转、打滑报警停车的保护装置，此类故障常常给烧结生产带来很多麻烦，不但造成了经济上的损失，同时加重了职工的劳动强度。
皮带机未安装测速装置之前，一旦遇到物料突然增加造成的皮带压料打滑和雨雪天气打滑、皮带断裂等故障，一般的机械、电气保护并不能在第一时间及时报警、动作，而主控室上位机画面也不能显示皮带机现场的实际运行状态，往往等到岗位人员发现时故障时，物料早已大量堆积外溢，而清除积料又需要较长的时间，给烧结生产带来了很多负面影响。
针对上述皮带机运行中所遇到皮带压料、打滑的问题，经过仔细研究分析，由烧结厂设备科牵头制定方案及指导下，积极组织测速开关、电缆、配电箱、声光报警器、穿线管等相关备件材料，并在电气维修车间的大力配合下利用2#烧结机系统检修期间，在转2-1皮带机上加装了皮带机测速装置进行控制运行。

2热风炉系统介绍
某铅锌冶炼厂密闭鼓风炉的供风系统主要由三座拷贝式热风炉组成。热风炉能否为鼓风炉提供符合生产要求的高温热风至关重要，其运行安全可靠性直接影响到鼓风炉正常运行和冶炼质量。原热风炉系统工艺操作简单, 系统自动化程度较落后,因此, 对之进行了彻底地系统改造。
2.1工艺流程
热风炉是利用燃烧蓄热来预热鼓风的热交换装置。蓄热室用格子砖砌成，加热热风炉就是加热格子砖。为保证鼓风炉连续高效生产，必须对三座热风炉轮流交替使用。每座热风炉都有三种状态：燃烧、焖炉和送风，生产中要求必须保证任何时刻，至少有一座热风炉给鼓风炉送风。下面分别简单介绍热风炉的三种工作状态：
燃烧状态：控制煤气量和助燃空气量，按一定比例混合在燃烧室进行燃烧，生成的高温气体上升到炉顶后又下行进入蓄热室，将热量传给格子砖，当炉顶温度大于1150℃，烟道温度达到450℃左右，表明蓄热室贮备有足够的热量，此时停止烧炉，转入焖炉状态等待送风。为了提高燃烧热效率，应及时调节最优的煤气和助燃空气配比。
送风状态：打开冷风阀让冷空气经蓄热室，上行穿过热格子砖，吸收热量，成为热风，最终通过热风出口进入热风总管到达鼓风炉。
焖炉状态：关闭热风炉的所有阀门，为下一状态做准备。是热风炉由“燃烧”转“送风”或“送风”转“燃烧”时，都要经过的一种中间过渡状态。
改造后整个热风炉系统共使用46个电动阀门实现自动控制。其中每座热风炉各有相同功能的11个闸板阀和3个电动调节蝶阀构成.另加4个公用电动蝶阀。对这46个阀门控制水平直接决定了热风炉自控系统性能。
2.2 控制要求
热风炉作为熔炼车间的一个重要分站，本身又是一个高危险性操作站。每项重要操作都有严格的操作要求，要求通过仪表和电气两部分配合绝对保证热风炉正常运行。热风炉自动控制主要由仪表控制和电气控制两部分组成。
仪控部分主要完成工艺参数采集和对各调节阀的智能控制等。正常情况下要求和电控部分配合实现系统最优自动控制。在休风等异常情况下能够实现开环手动控制。
电控部分主要完成对所有电气阀门自动控制以实现自动换炉等重要操作。由于它的重要性此部分设置独立的PLC控制系统，要求通过上位机可以实现对热风炉所有阀门手/自动操作并且具有监控和报警等功能。
在车间级，车间调度中心要求不但能够对热风炉站所有信息实时远程监视而且还要对某些重要操作能够远程控制，如混风调节阀等。热风炉站上位机设置一台操作员站和一台工程师站（兼操作员功能）且相互冗余设计，并且实现上位机仪电合一的监控功能。
3系统网络结构及其硬件选型
3.1网络构架
工业以太网是一个开放的标准,它可以和许多高端网络如PROFINet等很好集成，而且能与MES(位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统)和ERP(企业资源规划)等技术结合，为企业网络升级和扩建留有足够的空间[3]。该厂此前刚新建了厂内工业以太网络，故本系统设计时的过程监控层也采用和车间级统一网络协议，为厂内网络系统集成搭建平台。
在现场级，理论上最优方案是采用和上层统一的工业以太网，例如采用西门子工业以太网标准PROFINet来实现一网到底，但是现场设备极具分散性，而且安装环境比较恶劣，最主要的是能够适用于热风炉这种耐高温高压的现场设备很少有带PN（PROFINet）口的，即使有也成本昂贵，综合比较后，采用PROFIBUS总线方案不矢为一种较优方案。故采用PROFIBUS数字信号电缆代替大量并行模拟信号电缆，分别在现场就近安装远程IO模块 ET200M，然后将所有的ET200M模块都挂接在PROFIBUS总线上。最终系统采用如图1所示的混合式网络构架。

图1 系统网络图
3.2硬件选型
根据控制要求和以上的网络结构，主要的硬件配置方案如下:
（1）CPU选用西门子315-2 PN/DP2台。该新型CPU集成一个PROFINet接口，支持TCP/IP协议可以很简易而且低成本地和包括IPC在内的其它支持以太网的设备之间自由通信。本系统中它的优势体现以下两方面：
①　可以用软件编程方法代替硬件通信模块CP342-5而实现两个PLC之间的数据交换。
②　上下位机两侧都不需要另配置专用的网络通信接口。直接可以用工控机普通网卡就可以实现和PN口的互连。
（2）远程IO模块选择ET200M共4块；
（3）工业以太网的链路设备选用即插即用工业以太网交换机WISE2800-2M；
（4）上位机选用研华工控机2台；
4软件设计
4.1 PLC软件设计
下位程序设计包括三部分，仪控功能程序、电控功能程序和仪电合一功能程序。利用Step7 5.4 对PLC进行控制算法的软件编程。在编程时发现虽然变量极多（达500多点）但极具规律性，很大一部分在功能或结构上是相似的。所以编程时尽量多使用了结构化编程思想，从而优化了程序结构和变量管理。图2便表示了这种结构关系。

图2 PLC程序主体结构图
结合图2分别对各部分作如下设计说明：
（1）仪控程序在仪控PLC中执行。主要实现对各工艺参数信号采集以及依据这些基本信息进行各种控制策略。其中PID调节是最重要的部分。所有模拟量采集都通过系统组织块OB1调用模拟量采集功能块FC1去实现。同理，各个电动蝶阀在参与PID自动调节功能时全部通过调用系统功能块FB41去实现。
（2）电控程序在电控PLC中执行。主要处理自动换炉等操作。由于三个炉子是拷贝式的，故可建立标准化模型，封装功能内部细节，只留出外部接口来共用该模型。建立的标准模型有：热风炉模型、送风等五种基本操作模型和阀门模型。
（3）仪电配合程序：某些控制功能需要仪控两部分相互配合才能实现。此时两套程序之间要进行数据交换。这需要首先在硬件组态时设置好通信伙伴，然后在两边系统组织块OB1中分别调用系统通信块FB12和FB13去完成[4]。
另外值得注意的是：为保证各个调节阀在PLC掉电和上电后能保持在原位而不至于复位而导致严重事故发生，在程序上要调用变量初始化程序OB100，同时应该在CPU内存区域内开辟专用区域设置为可保持型寄存区。
4.2上位设计
上位监控要实现仪电合一就是对操作而言仪控和电控操作都通过同一台上位机操作实现。这样能够使操作更容易、更集中、信息更全面,使整个热风炉运行一体化。利用上位组态工具WinCC6.0实现主要功能如下：
监视功能：全面实时显示各工艺参数值和各设备当前状态，以及故障报警、实时曲线等。调节功能：对各调节阀进行手/自动调节以及对工艺参数的设定等功能。
换炉操作：从上位机上实现全自动，半自动，手动三种方式的换炉操作。
图3为热风炉自动控制系统运行状态窗口界面组态图。

图3 热风炉监控系统画面
5上下位通信与系统调试
5.1 上下位通信连接与集成
由于在物理连接上通过上位机网口和下位机PN口连接，所以在WinCC中应建立S7协议下的TCP/IP通信设置。在系统通信网络结构设计时，为了降低系统整体瘫痪的风险，实现分散独立控制，WinCC创建一个分布式多用户项目，让上位机分别直接采集两个PLC数据，而不是通过数据路由交换等间接方式只通过一个PLC通信。此时注意将所有上下位机IP地址要分配在同一个网段上，否则将不能相互通信[5]。
系统上下位通信变量多达500多个，此时采用西门子TIA（全集成自动化）功能便很轻松地将STEP7中的变量全部自动集成到相应的连接中去（仪控PLC变量集成到仪控变量连接中，电控PLC变量集成到电控变量连接中）。TIA的优势是将数据管理、通信、编程同时集成在一个环境中去完成[6]。建立相应的通信连接并集成各自变量后的结果如下图所示：

图4 全集成通信连接图

5.2系统调试和运行
系统调试时，由于现场比较复杂，工期十分紧张，设备安装和系统调试几乎同时进行，很多时候根本不允许在线带负荷调试或不具备调试的硬件条件。另一方面系统变量极多，相互连锁关系较复杂，这给系统调试带来很大困难，在此情况之下，提出利用上下位集成并联合的仿真方法。实践证明此法可摆脱硬件条件的种种限制并且比较安全、快捷地完成对整个系统全程调试。
虽然STEP7和WinCC各自有仿真软件，分别是S7-PLCSIM和WinCC TAG Simulator，但是通常是独立仿真，很难达到系统、直观、灵活的工程效果。在对本系统仿真调试时，首先在WinCC的S7协议下建立MPI通讯连接，然后同样利用上下位全集成方法，将下位变量集成到上位WinCC中，接着运行S7-PLCSIM来模拟PLC工作。在通过适当设置后，S7-PLCSIM做为一个中间纽带实现STEP7和WinCC两个软件的相互通信[7]，从而完成系统的仿真调试。待软件上全部调试无误后，同样的方法将通信连接改回TCP/IP即可直接投入现场运行。
5.3与车间调度的通信
本站与车间调度中心通信通过上位机之间的C/S方式实现。调度中心同是采用WinCC做为上位监控平台，所以它们的通信只需要在WinCC中作简单的组态即可。本站上位机作为服务器，而将调度中心的IPC在本站上位机中注册为客户机。在组态画面中对需要远程控制的操作分配远程操作权限而对其它操作加以限制后，这样便可在本站的WinCC中创建一个完整服务器数据包。此数据包被调度中心上位机直接加载后便可获取和本站同步的全部数据信息。由于这种通信是基于工业以太网的，所以调度中心获得的信息在质和量上都是其它方式难以比拟的。另一方面由于这种远距离通信由上位机来承担，这便大大减轻了各PLC负荷，大大降低了系统扫描周期[8]。
改造效果及经济效益
通过此项技术改造能够有效的杜绝皮带机压料打滑引发的设备故障，保障了烧结生产的平稳运行。2#烧结机按每小时生产500吨烧结矿计算，每吨烧结矿的利润32元，每次事故停机4小时，若每年出4次事故，每年事故造成的损失是32*500*4*4＝25.6万元，这还不算人工清理费用及电机烧坏及胶带撕裂损失费用。
结束语
通过对转2-1皮带机测速传感器的整体安装、速度参数的设置、现场反复试验，调试运行后，证明皮带测 速打滑装置能够有效的防止皮带机在打滑、超速、低速 的故障情况下实现及时对皮带机的报警、停车，此举完善了皮带机的故障保护功能，为烧结的平稳生产的提供了有力的保 障。我们将在全厂皮带机上加装皮带打滑装置，实现对皮带打滑故障的有效控制。

6 结束语
系统下位采用两套独立的PLC实现了分布式控制，上位在功能上实现了仪电合一，而在通信上又保持独立，很好的达到了热风炉系统的控制要求。通信网络采用了PROFIBUS和工业以太网结合的混合式控制网络结构，让不同的网络在不同控制层发挥各自的优势。硬件配置上选用各种新型器件，从而大大节约成本，为系统以后向更高级的PROFINet升级和扩建搭建了硬件平台。利用全集成和仿真的方法大大降低了调试难度和风险，为热风炉系统早日复产使用争取了宝贵时间。改造复产后的热风炉系统运行表明大大缩短了热风炉换炉时间，高效地配合了鼓风炉系统生产。
参考文献：
[1] 习博,方彦军.工业以太网中网络通信技术的研究[J]. 微计算机信息2005，(2)：149~171.
[2] 冯冬芹,黄文君等.工业通信网络与系统集成[M].科学出版社,2005
[3] 阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].清华大学出版社 2003
[4] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].机械工业出版社.2005
[5] 吉顺平,孙承志,路明.西门子PLC与工业网络技术[M].机械工业出版社,2008年.
[6] 西门子(中国)有限公司.深入浅出西门子WinCC6.0[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006年.
[7]
[8]Jonas Berge,Field buses for Prosess Control:Engineer,operation,and Mainteenance[M].ISA-The Instrumentation,Systems,and Automation Society.2002.
作者简介：
王树东（1965-）男，汉，山东龙口人,教授, 硕导，主要从事计算机自动控制技术.智能检测技术的教学与应用研究工作。
柴兆森 (1981-) 男，汉，甘肃武威市人，研究生，专业：控制理论与控制工程，研究方向：现场总线及其计算机控制。
吴蕾 (1982-) 女，汉，黑龙江鹤岗市人，研究生，专业：控制理论与控制工程，研究方向：智能控制。
李宁(1983-) 男，汉，陕西大荔人，本科，单位：中国石油兰州石化公司仪表厂。

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