皮帶機(jī)防打滑、失速監(jiān)控裝置在燒結(jié)廠(chǎng)皮帶機(jī)應(yīng)用

1、皮帶機(jī)防打滑、失速監(jiān)控裝置在燒結(jié)廠(chǎng)皮帶機(jī)應(yīng)用王樹(shù)東 柴兆森 吳蕾 李寧 鄭卓（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院 ， 甘肅 蘭州 730050）摘要：針對(duì)燒結(jié)廠(chǎng)很多爬坡或露天皮帶遇到雨雪天打滑或物料重壓時(shí)出現(xiàn)的皮帶打滑故障，本文將皮帶機(jī)防打滑、失速監(jiān)控裝置應(yīng)用在皮帶系統(tǒng)中關(guān)鍵詞：速度檢測(cè)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(dāng)前皮帶機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的故障保護(hù)措施有電氣的短路、過(guò)載等保護(hù)的同時(shí)，也有液力耦合器的機(jī)械過(guò)負(fù)荷保護(hù)、皮帶跑偏保護(hù)等保護(hù)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(shí)出現(xiàn)的皮帶打滑故障，皮帶機(jī)沒(méi)有低速運(yùn)轉(zhuǎn)、打滑報(bào)警停車(chē)的保護(hù)裝置，此類(lèi)故障常常給燒結(jié)生產(chǎn)帶來(lái)很多麻煩，不但造成了經(jīng)濟(jì)上的損失，同時(shí)加重了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。皮帶機(jī)未安裝測(cè)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(jī)械、電氣保護(hù)并不能在第一時(shí)間及時(shí)報(bào)警、動(dòng)作，而主控室上位機(jī)畫(huà)面也不能顯示皮帶機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，往往等到崗位人員發(fā)現(xiàn)時(shí)故障時(shí)，物料早已大量堆積外溢，而清除積料又需要較長(zhǎng)的時(shí)間，給燒結(jié)生產(chǎn)帶來(lái)了很多負(fù)面影響。針對(duì)上述皮帶機(jī)運(yùn)行中所遇到皮帶壓料、打滑的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究分析，由燒結(jié)廠(chǎng)設(shè)備科牽頭制定方案及指導(dǎo)下，積極組織測(cè)速開(kāi)關(guān)、電纜、配電箱、聲光報(bào)警器、穿線(xiàn)管等相關(guān)備件材料，并在電氣維修車(chē)間的大力配合下利用2#燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)檢修期間，在轉(zhuǎn)2-1皮帶機(jī)上加裝了皮帶機(jī)測(cè)速裝置進(jìn)行控制運(yùn)行。2熱風(fēng)爐系統(tǒng)介紹 某鉛鋅冶煉廠(chǎng)密閉鼓風(fēng)爐的供風(fēng)系統(tǒng)主要由三座拷貝式熱風(fēng)爐組成。熱風(fēng)爐能否為鼓風(fēng)爐

7、提供符合生產(chǎn)要求的高溫?zé)犸L(fēng)至關(guān)重要，其運(yùn)行安全可靠性直接影響到鼓風(fēng)爐正常運(yùn)行和冶煉質(zhì)量。原熱風(fēng)爐系統(tǒng)工藝操作簡(jiǎn)單, 系統(tǒng)自動(dòng)化程度較落后,因此, 對(duì)之進(jìn)行了徹底地系統(tǒng)改造。2.1工藝流程熱風(fēng)爐是利用燃燒蓄熱來(lái)預(yù)熱鼓風(fēng)的熱交換裝置。蓄熱室用格子磚砌成，加熱熱風(fēng)爐就是加熱格子磚。為保證鼓風(fēng)爐連續(xù)高效生產(chǎn)，必須對(duì)三座熱風(fēng)爐輪流交替使用。每座熱風(fēng)爐都有三種狀態(tài)：燃燒、燜爐和送風(fēng)，生產(chǎn)中要求必須保證任何時(shí)刻，至少有一座熱風(fēng)爐給鼓風(fēng)爐送風(fēng)。下面分別簡(jiǎn)單介紹熱風(fēng)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(jìn)行燃燒，生成的高溫氣體上升到爐頂后又下行進(jìn)入蓄熱室，將熱量傳給格子磚，當(dāng)

8、爐頂溫度大于1150，煙道溫度達(dá)到450左右，表明蓄熱室貯備有足夠的熱量，此時(shí)停止燒爐，轉(zhuǎn)入燜爐狀態(tài)等待送風(fēng)。為了提高燃燒熱效率，應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)最優(yōu)的煤氣和助燃空氣配比。送風(fēng)狀態(tài)：打開(kāi)冷風(fēng)閥讓冷空氣經(jīng)蓄熱室，上行穿過(guò)熱格子磚，吸收熱量，成為熱風(fēng)，最終通過(guò)熱風(fēng)出口進(jìn)入熱風(fēng)總管到達(dá)鼓風(fēng)爐。 燜爐狀態(tài)：關(guān)閉熱風(fēng)爐的所有閥門(mén)，為下一狀態(tài)做準(zhǔn)備。是熱風(fēng)爐由“燃燒”轉(zhuǎn)“送風(fēng)”或“送風(fēng)”轉(zhuǎn)“燃燒”時(shí)，都要經(jīng)過(guò)的一種中間過(guò)渡狀態(tài)。改造后整個(gè)熱風(fēng)爐系統(tǒng)共使用46個(gè)電動(dòng)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。其中每座熱風(fēng)爐各有相同功能的11個(gè)閘板閥和3個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥構(gòu)成.另加4個(gè)公用電動(dòng)蝶閥。對(duì)這46個(gè)閥門(mén)控制水平直接決定了熱風(fēng)爐自控系統(tǒng)

9、性能。2.2 控制要求熱風(fēng)爐作為熔煉車(chē)間的一個(gè)重要分站，本身又是一個(gè)高危險(xiǎn)性操作站。每項(xiàng)重要操作都有嚴(yán)格的操作要求，要求通過(guò)儀表和電氣兩部分配合絕對(duì)保證熱風(fēng)爐正常運(yùn)行。熱風(fēng)爐自動(dòng)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(shù)采集和對(duì)各調(diào)節(jié)閥的智能控制等。正常情況下要求和電控部分配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)自動(dòng)控制。在休風(fēng)等異常情況下能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)環(huán)手動(dòng)控制。電控部分主要完成對(duì)所有電氣閥門(mén)自動(dòng)控制以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換爐等重要操作。由于它的重要性此部分設(shè)置獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，要求通過(guò)上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱風(fēng)爐所有閥門(mén)手/自動(dòng)操作并且具有監(jiān)控和報(bào)警等功能。在車(chē)間級(jí)，車(chē)間調(diào)度中心要求不但能夠?qū)犸L(fēng)爐站所有信息

10、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)視而且還要對(duì)某些重要操作能夠遠(yuǎn)程控制，如混風(fēng)調(diào)節(jié)閥等。熱風(fēng)爐站上位機(jī)設(shè)置一臺(tái)操作員站和一臺(tái)工程師站（兼操作員功能）且相互冗余設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)上位機(jī)儀電合一的監(jiān)控功能。3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其硬件選型3.1網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架工業(yè)以太網(wǎng)是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn),它可以和許多高端網(wǎng)絡(luò)如PROFINet等很好集成，而且能與MES(位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車(chē)間層的管理信息系統(tǒng))和ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)等技術(shù)結(jié)合，為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和擴(kuò)建留有足夠的空間3。該廠(chǎng)此前剛新建了廠(chǎng)內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的過(guò)程監(jiān)控層也采用和車(chē)間級(jí)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成搭建平臺(tái)。在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，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(wǎng)，例如采用西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)PROFINet來(lái)實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)到底，但是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(fēng)爐這種耐高溫高壓的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(xiàn)方案不矢為一種較優(yōu)方案。故采用PROFIBUS數(shù)字信號(hào)電纜代替大量并行模擬信號(hào)電纜，分別在現(xiàn)場(chǎng)就近安裝遠(yuǎn)程IO模塊 ET200M，然后將所有的ET200M模塊都掛接在PROFIBUS總線(xiàn)上。最終系統(tǒng)采用如圖1所示的混合式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。 圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖 3.2硬件選型根據(jù)控制要求和以上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要的硬件配置方案如下:（1）CPU選

12、用西門(mén)子315-2 PN/DP2臺(tái)。該新型CPU集成一個(gè)PROFINet接口，支持TCP/IP協(xié)議可以很簡(jiǎn)易而且低成本地和包括IPC在內(nèi)的其它支持以太網(wǎng)的設(shè)備之間自由通信。本系統(tǒng)中它的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)PLC之間的數(shù)據(jù)交換。上下位機(jī)兩側(cè)都不需要另配置專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)通信接口。直接可以用工控機(jī)普通網(wǎng)卡就可以實(shí)現(xiàn)和PN口的互連。（2）遠(yuǎn)程IO模塊選擇ET200M共4塊；（3）工業(yè)以太網(wǎng)的鏈路設(shè)備選用即插即用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)WISE2800-2M； （4）上位機(jī)選用研華工控機(jī)2臺(tái)；4軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC軟件設(shè)計(jì)下位程序設(shè)計(jì)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(duì)PLC進(jìn)行控制算法的軟件編程。在編程時(shí)發(fā)現(xiàn)雖然變量極多（達(dá)500多點(diǎn)）但極具規(guī)律性，很大一部分在功能或結(jié)構(gòu)上是相似的。所以編程時(shí)盡量多使用了結(jié)構(gòu)化編程思想，從而優(yōu)化了程序結(jié)構(gòu)和變量管理。圖2便表示了這種結(jié)構(gòu)關(guān)系。 圖2 PLC程序主體結(jié)構(gòu)圖 結(jié)合圖2分別對(duì)各部分作如下設(shè)計(jì)說(shuō)明：（1）儀控程序在儀控PLC中執(zhí)行。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各工藝參數(shù)信號(hào)采集以及依據(jù)這些基本信息進(jìn)行各種控制策略。其中PID調(diào)節(jié)是最重要的部分。所有模擬量采集都通過(guò)系統(tǒng)組織塊OB1調(diào)用模擬量采集功能塊FC1去實(shí)現(xiàn)。同理，各個(gè)電動(dòng)蝶閥在參與PID自動(dòng)調(diào)節(jié)功能時(shí)全部通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)

14、功能塊FB41去實(shí)現(xiàn)。（2）電控程序在電控PLC中執(zhí)行。主要處理自動(dòng)換爐等操作。由于三個(gè)爐子是拷貝式的，故可建立標(biāo)準(zhǔn)化模型，封裝功能內(nèi)部細(xì)節(jié)，只留出外部接口來(lái)共用該模型。建立的標(biāo)準(zhǔn)模型有：熱風(fēng)爐模型、送風(fēng)等五種基本操作模型和閥門(mén)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(shí)現(xiàn)。此時(shí)兩套程序之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這需要首先在硬件組態(tài)時(shí)設(shè)置好通信伙伴，然后在兩邊系統(tǒng)組織塊OB1中分別調(diào)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(gè)調(diào)節(jié)閥在PLC掉電和上電后能保持在原位而不至于復(fù)位而導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生，在程序上要調(diào)用變量初始化程序OB100，同時(shí)應(yīng)該在CPU內(nèi)存

15、區(qū)域內(nèi)開(kāi)辟專(zhuān)用區(qū)域設(shè)置為可保持型寄存區(qū)。4.2上位設(shè)計(jì)上位監(jiān)控要實(shí)現(xiàn)儀電合一就是對(duì)操作而言?xún)x控和電控操作都通過(guò)同一臺(tái)上位機(jī)操作實(shí)現(xiàn)。這樣能夠使操作更容易、更集中、信息更全面,使整個(gè)熱風(fēng)爐運(yùn)行一體化。利用上位組態(tài)工具WinCC6.0實(shí)現(xiàn)主要功能如下：監(jiān)視功能：全面實(shí)時(shí)顯示各工藝參數(shù)值和各設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，以及故障報(bào)警、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)等。調(diào)節(jié)功能：對(duì)各調(diào)節(jié)閥進(jìn)行手/自動(dòng)調(diào)節(jié)以及對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)定等功能。換爐操作：從上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，半自動(dòng)，手動(dòng)三種方式的換爐操作。圖3為熱風(fēng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)窗口界面組態(tài)圖。圖3 熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面5上下位通信與系統(tǒng)調(diào)試5.1 上下位通信連接與集成由于在物理連接上通過(guò)上位

16、機(jī)網(wǎng)口和下位機(jī)PN口連接，所以在WinCC中應(yīng)建立S7協(xié)議下的TCP/IP通信設(shè)置。在系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低系統(tǒng)整體癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)分散獨(dú)立控制，WinCC創(chuàng)建一個(gè)分布式多用戶(hù)項(xiàng)目，讓上位機(jī)分別直接采集兩個(gè)PLC數(shù)據(jù)，而不是通過(guò)數(shù)據(jù)路由交換等間接方式只通過(guò)一個(gè)PLC通信。此時(shí)注意將所有上下位機(jī)IP地址要分配在同一個(gè)網(wǎng)段上，否則將不能相互通信5。系統(tǒng)上下位通信變量多達(dá)500多個(gè)，此時(shí)采用西門(mén)子TIA（全集成自動(dòng)化）功能便很輕松地將STEP7中的變量全部自動(dòng)集成到相應(yīng)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(shì)是將數(shù)據(jù)管理、通信、編程

17、同時(shí)集成在一個(gè)環(huán)境中去完成6。建立相應(yīng)的通信連接并集成各自變量后的結(jié)果如下圖所示： 圖4 全集成通信連接圖5.2系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)比較復(fù)雜，工期十分緊張，設(shè)備安裝和系統(tǒng)調(diào)試幾乎同時(shí)進(jìn)行，很多時(shí)候根本不允許在線(xiàn)帶負(fù)荷調(diào)試或不具備調(diào)試的硬件條件。另一方面系統(tǒng)變量極多，相互連鎖關(guān)系較復(fù)雜，這給系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)很大困難，在此情況之下，提出利用上下位集成并聯(lián)合的仿真方法。實(shí)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)全程調(diào)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(dú)立仿真，很難達(dá)到系統(tǒng)、直

18、觀(guān)、靈活的工程效果。在對(duì)本系統(tǒng)仿真調(diào)試時(shí)，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(yùn)行S7-PLCSIM來(lái)模擬PLC工作。在通過(guò)適當(dāng)設(shè)置后，S7-PLCSIM做為一個(gè)中間紐帶實(shí)現(xiàn)STEP7和WinCC兩個(gè)軟件的相互通信7，從而完成系統(tǒng)的仿真調(diào)試。待軟件上全部調(diào)試無(wú)誤后，同樣的方法將通信連接改回TCP/IP即可直接投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。5.3與車(chē)間調(diào)度的通信本站與車(chē)間調(diào)度中心通信通過(guò)上位機(jī)之間的C/S方式實(shí)現(xiàn)。調(diào)度中心同是采用WinCC做為上位監(jiān)控平臺(tái)，所以它們的通信只需要在WinCC中作簡(jiǎn)單的組態(tài)即可。本站上位機(jī)作為服務(wù)器，而

19、將調(diào)度中心的IPC在本站上位機(jī)中注冊(cè)為客戶(hù)機(jī)。在組態(tài)畫(huà)面中對(duì)需要遠(yuǎn)程控制的操作分配遠(yuǎn)程操作權(quán)限而對(duì)其它操作加以限制后，這樣便可在本站的WinCC中創(chuàng)建一個(gè)完整服務(wù)器數(shù)據(jù)包。此數(shù)據(jù)包被調(diào)度中心上位機(jī)直接加載后便可獲取和本站同步的全部數(shù)據(jù)信息。由于這種通信是基于工業(yè)以太網(wǎng)的，所以調(diào)度中心獲得的信息在質(zhì)和量上都是其它方式難以比擬的。另一方面由于這種遠(yuǎn)距離通信由上位機(jī)來(lái)承擔(dān)，這便大大減輕了各PLC負(fù)荷，大大降低了系統(tǒng)掃描周期8。改造效果及經(jīng)濟(jì)效益通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)改造能夠有效的杜絕皮帶機(jī)壓料打滑引發(fā)的設(shè)備故障，保障了燒結(jié)生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。2#燒結(jié)機(jī)按每小時(shí)生產(chǎn)500噸燒結(jié)礦計(jì)算，每噸燒結(jié)礦的利潤(rùn)32元，每次事

20、故停機(jī)4小時(shí)，若每年出4次事故，每年事故造成的損失是32*500*4*425.6萬(wàn)元，這還不算人工清理費(fèi)用及電機(jī)燒壞及膠帶撕裂損失費(fèi)用。結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)2-1皮帶機(jī)測(cè)速傳感器的整體安裝、速度參數(shù)的設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)，調(diào)試運(yùn)行后，證明皮帶測(cè) 速打滑裝置能夠有效的防止皮帶機(jī)在打滑、超速、低速 的故障情況下實(shí)現(xiàn)及時(shí)對(duì)皮帶機(jī)的報(bào)警、停車(chē)，此舉完善了皮帶機(jī)的故障保護(hù)功能，為燒結(jié)的平穩(wěn)生產(chǎn)的提供了有力的保 障。我們將在全廠(chǎng)皮帶機(jī)上加裝皮帶打滑裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶打滑故障的有效控制。6 結(jié)束語(yǔ) 系統(tǒng)下位采用兩套獨(dú)立的PLC實(shí)現(xiàn)了分布式控制，上位在功能上實(shí)現(xiàn)了儀電合一，而在通信上又保持獨(dú)立，很好的達(dá)到了熱風(fēng)爐系統(tǒng)的控制要求。通信網(wǎng)絡(luò)采用了PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合的混合式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讓不同的網(wǎng)絡(luò)在不同控制層發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。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(jí)的PROFINet升級(jí)和擴(kuò)建搭建了硬件平臺(tái)。利用全集成和仿真的方法大大降低了調(diào)試難度和風(fēng)險(xiǎn)，為熱風(fēng)爐系統(tǒng)早日復(fù)產(chǎn)使用爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。改造復(fù)產(chǎn)后的熱風(fēng)爐系統(tǒng)運(yùn)行表明大大縮短了熱風(fēng)爐換爐時(shí)間，高效地配合了鼓風(fēng)爐系統(tǒng)生產(chǎn)。參