基于现场总线的煤粉制备分布式控制系统

1、引 言

煤粉制备是水泥生产装备中最重要的环节之一，其生产过程的任务就是将原煤安全加工成符合要求的煤粉，并将制备好的煤粉输送到煤粉仓储存，从而为水泥生产过程提供燃料。由于煤粉制备过程具有大惯性、纯滞后和非线性等特点，并且生产工况复杂多变，无法建立精确的系统数学模型，因此采用传统的控制策略难以获得满意的控制效果，而模糊控制用于煤粉制备这类无模型的复杂控制对象中，可以取得好的控制效果。同时由于煤粉制备系统中的设备地理位置分散，为了提高生产率，增加系统的可靠性，利用现场总线技术对整个生产线进行分布式控制可以取到事半功倍的作用。

2、工艺流程

煤粉制备系统的工艺流程如图1所示。

图1 煤粉制备系统工艺流程图

原煤从堆煤场经提升机提升后送入原煤仓，通过原煤仓内部的荷重传感器计量后由圆盘喂料机送入煤磨。原煤在磨内借助热风机送来的热风进行烘干和粉磨，然后送入动态选粉机，不合格的粗粉送回磨头重新粉磨，细粉进入煤粉收尘器。收尘器收下的煤粉经双向螺旋输送机送至带荷重传感器的煤粉仓中，最后经过转子计量秤计量后送入窑头。

3、系统设计

系统设计采用分层分布开放式结构，运用PROFIBUS-DP现场总线、DCS组态和PLC控制等技术，组成分散控制、集中管理的分布式控制系统，在功能上分为3级，即底层PLC控制级、中间通讯级和上层管理与远程网络监控级，系统结构图如图2所示。

图2 系统结构图

3.1 硬件设计

底层PLC控制级由三台S7-300 PLC(从站)组成，主要完成对现场数据的采集、现场仪表、执行机构和变频器的控制。PLC通过主从式网络与中间通讯主站通讯，每个PLC都是一个独立的控制从站，可以完成数据采集、故障诊断、设备控制等控制任务，并且在主站或传输线路发生故障的情况下，可以自动进入就地控制模式。

在底层PLC控制级的基础上，设置一个通讯处理主站和一个数据服务器，采用PROFIBUS-DP现场总线连接。通讯处理主站作为主从式网络中的主站，拥有总线控制权。数据服务器进行整个系统的数据库管理，同时担当现场总线与以太网(Ethernet)之间的路由器。

上层管理与远程网络监控级由一台操作站计算机组成，通过Ethernet与数据服务器相连，共享数据与信息。数据服务器的信息通过Ethernet送到操作站，由操作站完成数据处理、诊断与故障报警，实时显示工艺流程、历史曲线图、实时曲线图、报警画面等。操作站还完成网络服务器的功能，将生产数据通过Internet进行传输，实现网络化远程浏览。

3.2 软件设计

3.2.1 底层PLC控制级的软件设计

根据煤粉制备工艺流程的要求，底层PLC控制级的控制程序主体流程框图如图3所示。

图3 底层PLC控制级主体程序流程图

煤磨磨机的负荷控制是在综合了提升机、磨音和粉料回料量等要素的基础上，采用了模糊控制的方法来实现。其中模糊控制器的输入变量为回料量误差eh、磨音误差em、功率误差eσ，输出变量为控制变量u。

输入变量的模糊子集分别为：

eh为5级：{负大，负小，零，正小，正大｝，记为{NB，NS，ZO，PS，PB｝;

em为5级：{负大，负小，零，正小，正大｝，记为{NB，NS，ZO，PS，PB｝;

eσ为5级：{负大，负小，零，正小，正大｝，记为{NB，NS，ZO，PS，PB｝。

输出变量的模糊子集为：

u为5级：{负大，负小，零，正小，正大｝，记为{NB，NS，ZO，PS，PB｝。

对应的隶属函数eh、em、eσ 为梯形函数，u为高斯函数。解模糊方法采用加权平均法。

3.2.2 主站与数据服务器的软件设计

采用结构化的思想，把主站软件分为:初始化模块、通讯模块和故障诊断模块。初始化模块主要是在PLC每次启动时给输入存储区和映象区赋初值，完成对 S7-300的初始化工作。主站通过CP342-5与从站采用“周期I/O方式”通讯。故障诊断模块的编程思想是利用S7-300中的机架故障组织块 OB86。根据检查该组织块中临时变量的值来进行故障诊断。程序流程如图4所示。

图4 故障诊断程序流程图

3.2.3 操作站的软件设计

操作站采用北京昆仑通态公司的工控组态软件MCGS 5.1通用版开发，可实现现场信号实时显示、控制参数调整;重要历史数据保存、多种曲线显示;信号报警及报表打印等。

根据工艺及设备的控制要求，编制了一系列的操作站界面，其中包括启动界面、主工艺流程界面(图5)、分组启动界面(图6)、启动调试界面、报警界面、实时曲线界面、历史曲线界面和事件记录与报表界面等。

图5 主工艺流程图

图6 分组启动界面

整个系统软件具有较强的自诊断、冗余和纠错功能，通讯设备容错能力强;系统扩展性好，标准化的网络TCP/IP协议和SQL