PLC在大型设备润滑油站控制中的实践和认识
2007-07-05 00:00
1 引言
近年来，我国新建或改造的大中型水泥生产线基本采用计算机控制系统，控制方式已由过去的仪表、继电器或计算机单机小系统转向了整个生产线的计算机集中操作与分散控制，但目前国内随主机配套的润滑油站电控产品，大多还停留在过去传统的控制方式上，与当前的生产管理方式和控制水平不相适应。由于传统方式控制柜均采用继电器硬连线实现电控与联锁保护，存在着诸如可靠性低、联锁保护功能少及故障率高等许多问题；与计算机全线监控系统的信号联锁很少甚至没有，影响了现场巡检、中控集中操作管理；且在实际使用过程中，由于现场情况的变化，使得传统方式下的控制柜安装与调试存在较大难度。针对这种情况，我们采用可编程控制器(PLC)对润滑油站进行控制，设计开发了CPO-OSC(Cement Process Optinum Control-Oil Station Control)系列润滑油站控制系统，并在山东鲁碧及福建南平等水泥厂的生产线上使用，取得了较为满意的应用效果。
本文以山东鲁碧建材有限公司日产1000t水泥熟料生产线上的大型设备润滑油站电气控制为例，介绍PLC在这些油站控制中的使用情况。
2 润滑油站系统的控制方案
鲁碧建材有限公司水泥生产线生产规模为日产熟料1000t，全线计算机监控采用美国Honeywell公司的Micro TDC 3000集散控制系统(DCS)实现，分为生料、烧成和煤磨三个现场控制站，中控室集中操作管理。该生产线有五个大型设备润滑油站：生料磨头轴承、生料磨尾轴承、生料磨主减速机、生料磨主电机和高温风机润滑油站。
2.1 生料磨润滑油站
生料磨采用Φ3.5m×10m中卸烘干磨系统，由唐山水泥机器厂制造，生产能力为75t/h，为保护磨机主轴承，在前后轴承各设置了一个润滑油站，用强制循环给油方式进行润滑。每个供油站备有1台高压泵和2台低压泵，两个润滑油站由一套CPO-OSC系统控制。
2.2 主减速机及主电机润滑油站
主减速机及主电机主要参数如下：
主电机：型号YR1400-8，功率1400kW
转速742r/min
电压6000V，电压频率50Hz
主减速机：型号JS110-B
输入转速742r/min，输出转速16.9r/min，输入功率1400kW，传递功率1400kW。
为了保护主减速机及主电机的安全运行，也设置了强制润滑油站，各备有2台低压泵，两个润滑油站由一套CPO-OSC系统控制。
2.3 高温风机润滑油站
高温风机电机容量630kW，转速1430r/min，配有：
1)YDT63/15液力偶合器，传递功率350～650kW。
2)进风口装百叶阀门，配有电动执行器。
3)高温风机轴承润滑油站，配置两台油泵进行强制润滑。
为了确保大型主机设备的安全运行，提高系统的可靠性，我们采用以SIEMENS公司S7 PLC为主控器开发的CPO-OSC润滑油站控制系统，实现生料磨减速机及主电机润滑油站、磨头及磨尾轴承润滑油站及高温风机润滑油站的电气控制及联锁保护。
因生产现场条件差，电噪音干扰大，系统的输入输出模块均采用高电压等级模板，以避免干扰信号而产生误动作，造成系统损坏。
为了实现数据共享，便于中控室的监控及管理，我们将润滑油站控制系统与其他优化控制系统(生料质量控制系统、窑优化控制系统)联成了一个计算机通讯网络，系统结构见图1。
图1 通讯网络结构图
3 控制系统的组成及功能
3.1 润滑油站提供给TDC3000的信号
1)备妥信号
2)允许启动信号
3)联锁停车信号
3.2 TDC3000提供给润滑油站的信号
启/停信号
3.3 信号的处理
3.3.1 备妥信号
包括以下内容：
1)“集中/机旁”控制方式中选择开关置于“集中”位置；
2)总电源空气开关的辅助接点闭合；
3)控制电源空气开关的辅助接点闭合；
4)油泵主回路空气开关的辅助接点闭合。
3.3.2 允许启动信号
“允许启动信号”应由以下几个条件组成：
1)高压压力建立并达到整定值；
2)低压压力建立并达到整定值；
3)油温不低于下限；
4)油流不低于下限；
5)油位不低于下限。
3.3.3 联锁停车信号
在一般的油站控制系统中，联锁停车信号是根据运行时“压力低”建立的。由于在本控制系统中采用了功能强、灵活性大的PLC，因此，我们也将大型设备的保护功能编制到系统中。如在减速机油站系统中，我们将减速机温度的上限报警信号引入联锁停车中；在磨机主轴承及高温风机油站中，将轴承温度上限报警信号引入联锁停车中。考虑到油压波动情况以及温度检测出现瞬时干扰，对于跳闸信号，我们对其加以10s延时后再送出。
3.3.4 备泵控制
低压备用泵的自动投运，一般是利用压力信号来处理的，包括备泵起动压力信号及备泵停止压力信号，当油压低于备泵起动压力值时，启动备泵；当油压高于备泵停止压力值时，关闭备泵。
3.4 其他要点
润滑油站在集中方式下的启动及停车，应完全由中控人员决定。在正常情况下，润滑油站只能顺从地为主机服务，而不对上级控制有制约条件，如主机停车后润滑油站自动停车。
由于DCS系统的SSR输出模板普遍存在漏电流过大，致使信号关断时仍存在电压(在Micro TDC3000及N-90等系统中均存在)，因此，由TDC 3000系统发送的油站启停信号都采用中间继电器加以隔离。
3.5 通讯网络
在一般的应用情况下，可单独使用CPO-OSC系列润滑油站控制系统，但CPO-OSC控制系统具备良好的开放性及网络功能，可根据用户的实际需求，联成不同形式的通讯网络。在鲁碧公司，我们建立了一条包括8个站点的MPI控制网络，将现场油站信号参数引入中控室的上位监控系统。
多点接口MPI是一个集成在SIMATIC S7-300 CPU内的通讯接口，MPI能同时连接如下站点：
1)IBM PC兼容机；
2)编程器(PG)；
3)操作员界面(HMI)；
4)S7-300、M7-300；
5)S7-400、M7-400。
连网的CPU可利用“全局数据通讯”服务，周期性地相互交换数据。它最多可连接32个MPI站，其传输速度为187.5bps，且其相邻的MPI站点的距离最大可为9100m，(使用10个中继器)。
在使用过程中，我们发现：通讯电缆的敷设应引起重视，若通讯电缆与高压电缆敷设在一起，会出现干扰，引起通讯错误，因此通讯电缆应单独敷设，以提高系统的可靠性。
4 上位监控系统
上位监控计算机采用PC总线工控机，配置SIMATICMPI通讯网卡，采用WINDOWS中文操作系统，通讯波特率为1.5Mbps。通过数据通讯对各油站数据进行检测，并在上位机上实时显示当前运行状态，以便操作员对现场情况随时进行处理。
在MPI网络中，配置有两台操作员站，分别运行生料磨优化系统(CPO-QCS)及窑优化系统(CPO-KOS)。
润滑油站监控系统运行于生料磨优化操作站上，其监控画面示于图2。
5 工程师工作站
为便于今后系统维护及监控，如对现场PLC控制柜中的程序进行修改、下装等工作，我们利用鲁碧公司原有的一台联想Pentinum166MHz商用机，配置CP5411通讯卡，联入MPI网，成为一个在线工程师工作站，工程师站采用Windows95操作系统，安装STEP7软件包。
STEP7是用于S7系列PLC编程的应用软件包，包括：
1)SIMATIC管理器；
2)符号编辑器，用于定义符号名称、数据类型等；
3)硬件组态，用于为自动化系统组态和各模板参数设置；
4)通讯，用于定义MPI、PROFIBUS或工业以太网的数据传输；
5)程序编辑器。
允许使用梯形逻辑图(LAD)、语句表(STL)和功能块(FBD)任何一种来编写程序，并进行在线调试及监控。
图2 油站监控画面
6 结语
通过在几条水泥生产线上采用可编程控制器实现润滑油站控制的实践证明，利用可编程控制器实现大型设备润滑油站的控制已成为一种必然趋势，它与以往的继电器控制柜相比，可靠性及扩展性有了很大的提高，取得了较好的应用效果。但在使用过程中也发现一些问题，例如柜体设计时没有后开门，导致在现场调试仪表时发生困难。此外，由于现场仪表的油流、油位及压差信号不准确，因此在具体实施时，未将这些信号考虑进去，避免因允许启动信号难以建立而延误投料时间。因鲁碧公司现场油站所用的电接点压力表损坏较多，我们只根据压力正常信号来启停备用泵，若压力未达到整定值，则启动备用泵；若压力达到整定值，则停止备用泵。采用这种控制方式，若在运行时，工作泵体损坏，则会出现备用泵频繁开停车的振荡现象，极易损坏泵体和电机。因此，拟在今后的控制系统中做如下改进：若“驱动信号”已发送，选定“工作”泵已工作，在指定时间内，例如20s，若压力仍不能建立，则“备用”泵自动转为主泵投入运行，原“工作”泵转为备用。
近年来，我国新建或改造的大中型水泥生产线基本采用计算机控制系统，控制方式已由过去的仪表、继电器或计算机单机小系统转向了整个生产线的计算机集中操作与分散控制，但目前国内随主机配套的润滑油站电控产品，大多还停留在过去传统的控制方式上，与当前的生产管理方式和控制水平不相适应。由于传统方式控制柜均采用继电器硬连线实现电控与联锁保护，存在着诸如可靠性低、联锁保护功能少及故障率高等许多问题；与计算机全线监控系统的信号联锁很少甚至没有，影响了现场巡检、中控集中操作管理；且在实际使用过程中，由于现场情况的变化，使得传统方式下的控制柜安装与调试存在较大难度。针对这种情况，我们采用可编程控制器(PLC)对润滑油站进行控制，设计开发了CPO-OSC(Cement Process Optinum Control-Oil Station Control)系列润滑油站控制系统，并在山东鲁碧及福建南平等水泥厂的生产线上使用，取得了较为满意的应用效果。
本文以山东鲁碧建材有限公司日产1000t水泥熟料生产线上的大型设备润滑油站电气控制为例，介绍PLC在这些油站控制中的使用情况。
2 润滑油站系统的控制方案
鲁碧建材有限公司水泥生产线生产规模为日产熟料1000t，全线计算机监控采用美国Honeywell公司的Micro TDC 3000集散控制系统(DCS)实现，分为生料、烧成和煤磨三个现场控制站，中控室集中操作管理。该生产线有五个大型设备润滑油站：生料磨头轴承、生料磨尾轴承、生料磨主减速机、生料磨主电机和高温风机润滑油站。
2.1 生料磨润滑油站
生料磨采用Φ3.5m×10m中卸烘干磨系统，由唐山水泥机器厂制造，生产能力为75t/h，为保护磨机主轴承，在前后轴承各设置了一个润滑油站，用强制循环给油方式进行润滑。每个供油站备有1台高压泵和2台低压泵，两个润滑油站由一套CPO-OSC系统控制。
2.2 主减速机及主电机润滑油站
主减速机及主电机主要参数如下：
主电机：型号YR1400-8，功率1400kW
转速742r/min
电压6000V，电压频率50Hz
主减速机：型号JS110-B
输入转速742r/min，输出转速16.9r/min，输入功率1400kW，传递功率1400kW。
为了保护主减速机及主电机的安全运行，也设置了强制润滑油站，各备有2台低压泵，两个润滑油站由一套CPO-OSC系统控制。
2.3 高温风机润滑油站
高温风机电机容量630kW，转速1430r/min，配有：
1)YDT63/15液力偶合器，传递功率350～650kW。
2)进风口装百叶阀门，配有电动执行器。
3)高温风机轴承润滑油站，配置两台油泵进行强制润滑。
为了确保大型主机设备的安全运行，提高系统的可靠性，我们采用以SIEMENS公司S7 PLC为主控器开发的CPO-OSC润滑油站控制系统，实现生料磨减速机及主电机润滑油站、磨头及磨尾轴承润滑油站及高温风机润滑油站的电气控制及联锁保护。
因生产现场条件差，电噪音干扰大，系统的输入输出模块均采用高电压等级模板，以避免干扰信号而产生误动作，造成系统损坏。
为了实现数据共享，便于中控室的监控及管理，我们将润滑油站控制系统与其他优化控制系统(生料质量控制系统、窑优化控制系统)联成了一个计算机通讯网络，系统结构见图1。
图1 通讯网络结构图
3 控制系统的组成及功能
3.1 润滑油站提供给TDC3000的信号
1)备妥信号
2)允许启动信号
3)联锁停车信号
3.2 TDC3000提供给润滑油站的信号
启/停信号
3.3 信号的处理
3.3.1 备妥信号
包括以下内容：
1)“集中/机旁”控制方式中选择开关置于“集中”位置；
2)总电源空气开关的辅助接点闭合；
3)控制电源空气开关的辅助接点闭合；
4)油泵主回路空气开关的辅助接点闭合。
3.3.2 允许启动信号
“允许启动信号”应由以下几个条件组成：
1)高压压力建立并达到整定值；
2)低压压力建立并达到整定值；
3)油温不低于下限；
4)油流不低于下限；
5)油位不低于下限。
3.3.3 联锁停车信号
在一般的油站控制系统中，联锁停车信号是根据运行时“压力低”建立的。由于在本控制系统中采用了功能强、灵活性大的PLC，因此，我们也将大型设备的保护功能编制到系统中。如在减速机油站系统中，我们将减速机温度的上限报警信号引入联锁停车中；在磨机主轴承及高温风机油站中，将轴承温度上限报警信号引入联锁停车中。考虑到油压波动情况以及温度检测出现瞬时干扰，对于跳闸信号，我们对其加以10s延时后再送出。
3.3.4 备泵控制
低压备用泵的自动投运，一般是利用压力信号来处理的，包括备泵起动压力信号及备泵停止压力信号，当油压低于备泵起动压力值时，启动备泵；当油压高于备泵停止压力值时，关闭备泵。
3.4 其他要点
润滑油站在集中方式下的启动及停车，应完全由中控人员决定。在正常情况下，润滑油站只能顺从地为主机服务，而不对上级控制有制约条件，如主机停车后润滑油站自动停车。
由于DCS系统的SSR输出模板普遍存在漏电流过大，致使信号关断时仍存在电压(在Micro TDC3000及N-90等系统中均存在)，因此，由TDC 3000系统发送的油站启停信号都采用中间继电器加以隔离。
3.5 通讯网络
在一般的应用情况下，可单独使用CPO-OSC系列润滑油站控制系统，但CPO-OSC控制系统具备良好的开放性及网络功能，可根据用户的实际需求，联成不同形式的通讯网络。在鲁碧公司，我们建立了一条包括8个站点的MPI控制网络，将现场油站信号参数引入中控室的上位监控系统。
多点接口MPI是一个集成在SIMATIC S7-300 CPU内的通讯接口，MPI能同时连接如下站点：
1)IBM PC兼容机；
2)编程器(PG)；
3)操作员界面(HMI)；
4)S7-300、M7-300；
5)S7-400、M7-400。
连网的CPU可利用“全局数据通讯”服务，周期性地相互交换数据。它最多可连接32个MPI站，其传输速度为187.5bps，且其相邻的MPI站点的距离最大可为9100m，(使用10个中继器)。
在使用过程中，我们发现：通讯电缆的敷设应引起重视，若通讯电缆与高压电缆敷设在一起，会出现干扰，引起通讯错误，因此通讯电缆应单独敷设，以提高系统的可靠性。
4 上位监控系统
上位监控计算机采用PC总线工控机，配置SIMATICMPI通讯网卡，采用WINDOWS中文操作系统，通讯波特率为1.5Mbps。通过数据通讯对各油站数据进行检测，并在上位机上实时显示当前运行状态，以便操作员对现场情况随时进行处理。
在MPI网络中，配置有两台操作员站，分别运行生料磨优化系统(CPO-QCS)及窑优化系统(CPO-KOS)。
润滑油站监控系统运行于生料磨优化操作站上，其监控画面示于图2。
5 工程师工作站
为便于今后系统维护及监控，如对现场PLC控制柜中的程序进行修改、下装等工作，我们利用鲁碧公司原有的一台联想Pentinum166MHz商用机，配置CP5411通讯卡，联入MPI网，成为一个在线工程师工作站，工程师站采用Windows95操作系统，安装STEP7软件包。
STEP7是用于S7系列PLC编程的应用软件包，包括：
1)SIMATIC管理器；
2)符号编辑器，用于定义符号名称、数据类型等；
3)硬件组态，用于为自动化系统组态和各模板参数设置；
4)通讯，用于定义MPI、PROFIBUS或工业以太网的数据传输；
5)程序编辑器。
允许使用梯形逻辑图(LAD)、语句表(STL)和功能块(FBD)任何一种来编写程序，并进行在线调试及监控。
图2 油站监控画面
6 结语
通过在几条水泥生产线上采用可编程控制器实现润滑油站控制的实践证明，利用可编程控制器实现大型设备润滑油站的控制已成为一种必然趋势，它与以往的继电器控制柜相比，可靠性及扩展性有了很大的提高，取得了较好的应用效果。但在使用过程中也发现一些问题，例如柜体设计时没有后开门，导致在现场调试仪表时发生困难。此外，由于现场仪表的油流、油位及压差信号不准确，因此在具体实施时，未将这些信号考虑进去，避免因允许启动信号难以建立而延误投料时间。因鲁碧公司现场油站所用的电接点压力表损坏较多，我们只根据压力正常信号来启停备用泵，若压力未达到整定值，则启动备用泵；若压力达到整定值，则停止备用泵。采用这种控制方式，若在运行时，工作泵体损坏，则会出现备用泵频繁开停车的振荡现象，极易损坏泵体和电机。因此，拟在今后的控制系统中做如下改进：若“驱动信号”已发送，选定“工作”泵已工作，在指定时间内，例如20s，若压力仍不能建立，则“备用”泵自动转为主泵投入运行，原“工作”泵转为备用。
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监督：0571-85871667
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