摘要：本文就如何實現(xiàn)硬質(zhì)合金原料研磨時間的自動控制，介紹了控制系統(tǒng)的組成、配置、功能及關(guān)鍵技術(shù)點。該系統(tǒng)已在使用單位球磨工序穩(wěn)定運(yùn)行半年，達(dá)到了設(shè)計目的，滿足了工藝要求。 關(guān)鍵詞： 球磨/卸料時間 自動控制 監(jiān)控系統(tǒng) 1.前言： 硬質(zhì)合金原料的生產(chǎn)過程由多道工序組成，其中球磨工序的物料研磨時間是非常重要的一個工藝參數(shù)。如隨意提前或推遲球磨機(jī)各個工藝段的執(zhí)行時間，在停電、機(jī)械故障等情況下無法按照設(shè)定的時間進(jìn)行球磨，或未能及時發(fā)現(xiàn)并繼續(xù)執(zhí)行尚余的研磨時間，均會造成球磨料的理化指標(biāo)不合格，影響后續(xù)的生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量也無法得到保證。目前，硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠都是采用各種球磨機(jī)來完成WC原料的研磨，通過不同的研磨時間，生產(chǎn)出硬質(zhì)合金所需的粉末料。我公司球磨機(jī)種類繁多，設(shè)備大多已使用了幾十年，原采用人工定時控制方式，不僅技術(shù)落后，使球磨工藝時間的控制隨意性極大，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞完全取決于操作工的素質(zhì)和責(zé)任心；而且對設(shè)備的運(yùn)行狀況以及生產(chǎn)過程也不能進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理。為此，我們設(shè)計了一套以西門子S7 300 PLC為核心的控制系統(tǒng)，對該類設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。增加相應(yīng)的自動檢測控制手段，改變控制和管理模式，消除人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量波動造成的不利影響，確保下達(dá)的球磨工藝得以不折不扣的執(zhí)行，球磨時間的控制精度得以提高，達(dá)到改善產(chǎn)品質(zhì)量的目的。 2.球磨工藝流程及功能要求 球磨機(jī)的主要功能就是將塊狀的物料經(jīng)過球磨機(jī)轉(zhuǎn)動，在球磨機(jī)內(nèi)和磨球互相作用，磨成粉末狀。工藝過程如下： 裝入原料—蓋上無縫蓋—啟動球磨機(jī)—時間到—停止球磨—自動或點動將進(jìn)料口朝上—換成卸料柵蓋—啟動球磨機(jī)－－時間到—卸料完成，生產(chǎn)完成。 1）球磨階段 第一次啟動球磨機(jī)時，如果進(jìn)料口的位置不在正確位置上，可手工點動使球磨機(jī)的進(jìn)料口回到正確位置上，此時可以將原料放入球磨機(jī)內(nèi)。原料裝入后，將轉(zhuǎn)位開關(guān)換到球磨，準(zhǔn)備進(jìn)入球磨階段。 設(shè)定球磨時間，如果沒有設(shè)定，將使用原來的時間設(shè)定值。按下啟動按鈕，啟動球磨機(jī)開始球磨。此時將顯示該球磨機(jī)處于球磨狀態(tài)，并且顯示剩余的球磨時間。 設(shè)定時間到后，球磨機(jī)自動停止，將顯示該球磨機(jī)球磨結(jié)束，處于卸料階段。 2）卸料階段 將進(jìn)料口的蓋子換成帶柵格的卸料蓋，此時進(jìn)料口變成卸料口，將轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置打到卸料擋，啟動球磨機(jī)。此時顯示該臺球磨機(jī)處于卸料階段，并顯示卸料所需的剩余時間。設(shè)定時間到后，自動停止球磨機(jī)，并且卸料口處于正上方的位置。 要實現(xiàn)的主要功能： 1）球磨機(jī)嚴(yán)格按照工藝段設(shè)定時間停機(jī)； 2）故障情況下時間保持功能（即在故障恢復(fù)后能按照剩余未研磨時間繼續(xù)完成操作）； 3）具備運(yùn)行工藝參數(shù)顯示、設(shè)定、記錄以及報警顯示、記錄功能； 4）自動歸位 為了提高生產(chǎn)效率，無需操作人員每次點動將進(jìn)料口置于正確位置，球磨機(jī)每次停機(jī)后自動回到正確位置。 5）系統(tǒng)安全 操作人員要獲得相應(yīng)權(quán)限的用戶名和密碼，才能進(jìn)行正常的操作，并記錄下相關(guān)的信息。 為防止操作人員在現(xiàn)場的誤操作，設(shè)置監(jiān)控授權(quán)；現(xiàn)場設(shè)備正常運(yùn)行和處于檢修時，監(jiān)控計算機(jī)上無權(quán)遠(yuǎn)程操作。 6）系統(tǒng)能夠進(jìn)行手動/自動選擇，遠(yuǎn)程/就地啟動設(shè)備授權(quán)，各子系統(tǒng)互相獨立，不會因為一臺設(shè)備故障而影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行。 3.控制系統(tǒng)構(gòu)成及配置 根據(jù)上述生產(chǎn)工藝流程及要求，本次對生產(chǎn)現(xiàn)場的6臺球磨機(jī)實現(xiàn)自動控制和監(jiān)控管理。所要控制的是球磨、卸料兩個主要階段，控制對象全部為數(shù)字開關(guān)量，并遵循順序控制方式。6臺球磨機(jī)共48個輸入點和6個輸出點，具體是：系統(tǒng)啟動/停止、電機(jī)啟動/停止、電機(jī)故障、轉(zhuǎn)速傳感器、球磨/卸料、維修等開關(guān)量信號。 由于現(xiàn)場的的6臺球磨機(jī)分別放置在兩個房間， I/O點相對比較分散，因此設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)有監(jiān)控計算機(jī)（上位機(jī)）、通訊連接網(wǎng)絡(luò)、下位機(jī)PLC+I/O、現(xiàn)場操作箱、球磨機(jī)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1所示： 3.1監(jiān)控計算機(jī) 由研華IPC-610H工控機(jī)、17“顯示器和以太網(wǎng)交換機(jī)組成的監(jiān)控計算機(jī)系統(tǒng)安裝在管理人員辦公室，主要實現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)的顯示、處理和儲存，同時可以動態(tài)的顯示生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況，是生產(chǎn)管理人員對生產(chǎn)進(jìn)行掌控的有力工具。 監(jiān)控計算機(jī)配置如下： 工控機(jī) ：研華IPC610-H（P43.0GHz/1GB DDR2 667/160GB HD/16X DVD 系統(tǒng)軟件： WINDOWS XP SP2專業(yè)版 人機(jī)界面：組態(tài)王6.53 顯示器： 17“液晶 以太網(wǎng)交換機(jī)： D-LINK 8個10/100Mbps端口 3.2現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)及觸摸屏 PLC是本系統(tǒng)的核心，配置了一臺西門子S7 313C-2DP及2臺TP270 10.4"觸摸屏，6個I/O模塊，與現(xiàn)場操作箱組成現(xiàn)場控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場PLC的主要完成數(shù)據(jù)采集、定時運(yùn)算等自動群控系統(tǒng)的各種功能，接收工控機(jī)的操作命令，控制電機(jī)的啟停；接受工控機(jī)的研磨、卸料時間參數(shù)，準(zhǔn)確控制球磨時間，并在斷電時自動記憶狀態(tài)和時間；通過以太網(wǎng)通訊，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實時傳至監(jiān)控機(jī)。 3.3 I/O系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) I/O系統(tǒng)的功能是將現(xiàn)場的接觸器、傳感器、按鈕等設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號，通過PROFIBUS-DP總線傳給主控PLC。本系統(tǒng)的I/O模塊為圖爾克公司PDP（BL20）輸入模塊：2塊16點，輸出模塊：4塊2點。I/O模塊具有點診斷、點保護(hù)功能和很高的防水、防塵性能，擴(kuò)展容易,適用于較分散的球磨現(xiàn)場。 傳輸速率達(dá)100Mbps的以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP總線組成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)PLC控制器和I/O模塊間的通訊以及PLC控制器和監(jiān)控計算機(jī)間的通訊。PROFIBUS-DP總線具有較高數(shù)據(jù)傳輸率，允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，因此非常適用于對球磨時間控制要求很高的場合。 現(xiàn)場操作箱 現(xiàn)場操作箱雖處于控制系統(tǒng)的最底層，但卻是系統(tǒng)最重要的一個組成部分。操作人員通過操作箱上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈來控制球磨機(jī)的運(yùn)行。在設(shè)備處于檢修狀態(tài)時，可通過上面的轉(zhuǎn)換開關(guān)將設(shè)備臨時脫離控制，保證設(shè)備的安全可靠?，F(xiàn)場操作箱如下圖2所示： 4.實現(xiàn)球磨機(jī)自動控制的技術(shù)關(guān)鍵 本系統(tǒng)改造的是已使用幾十年的老舊設(shè)備，要將其與現(xiàn)在控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)球磨機(jī)除裝、卸料以外的自動運(yùn)行，實現(xiàn)球磨時間的定時控制并保證在異常停電、機(jī)械故障等情況下，能實現(xiàn)自動補(bǔ)充完剩余的研磨時間，必須重點解決以下幾方面的問題，方能達(dá)到預(yù)期的改造目標(biāo)。 4.1球磨機(jī)裝卸料位置的定點精確控制： 球磨機(jī)利用接近開關(guān)和感應(yīng)元件，采用手動/自動兩種方式實現(xiàn)裝卸料位置的定點精確控制。在自動狀態(tài)時，無需人工干預(yù)，球磨機(jī)每次停機(jī)后都會自動回到正確位置；如果球磨機(jī)的進(jìn)卸料口不在正確位置上，可在現(xiàn)場操作箱上將球磨機(jī)控制切換為手動，點動使球磨機(jī)的進(jìn)卸料口回到正確位置。 具體方法是：在聯(lián)軸器部分的機(jī)殼上安裝一個接近開關(guān)，在聯(lián)軸器上安裝一個感應(yīng)元件（鐵塊）。主控器PLC只有同時收到接近開關(guān)反饋的信號和停止指令時才能停止球磨機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3為接近開關(guān)和感應(yīng)元件的安裝位置示意。 4.2球磨時間、卸料時間的精確控制及異常斷電報警、記錄： 因球磨工藝執(zhí)行時間非常重要，如在無人監(jiān)督的情況下隨意提前或推遲球磨的時間，或出現(xiàn)異常停電的情況都會造成球磨料的理化指標(biāo)不合格，為此必須對球磨時間、卸料時間的精確控制及異常斷電情況進(jìn)行報警、記錄。設(shè)計采用上述安裝的接近開關(guān)和感應(yīng)元件，精確檢測球磨電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、啟停和故障斷電等狀態(tài)，由PLC可編程控制器來完成計數(shù)、運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、時間累計、報警等功能，實現(xiàn)精確控制球磨機(jī)的運(yùn)行時間。 5.軟件系統(tǒng)設(shè)計： 5.1上位監(jiān)控系統(tǒng) 采用研華IPC-610H工控機(jī)，以中文Windows XP為操作平臺，充分利用WINDOWS系統(tǒng)的圖形功能；組態(tài)軟件采用北京亞控組態(tài)王V6.53，設(shè)計出操作簡單、直觀方便的人機(jī)界面。監(jiān)控畫面主體為一個總貌圖，6個分畫面和若干輔助畫面（如記錄顯示畫面、報警一覽畫面、報表系統(tǒng)等）。功能包括：顯示所有球磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定時間、所處的工藝階段（球磨、卸料、歸位等）、實時報警信息、操作按鈕、授權(quán)登錄操作、單臺球磨機(jī)的全部信息等。如下圖4、5、6所示： 工控機(jī)部分具有的功能： （1）工藝人員可在監(jiān)控計算機(jī)上輸入工藝規(guī)定的研磨時間、卸料時間，編制和發(fā)送、讀取現(xiàn)場的工藝數(shù)據(jù)。 （2）上控機(jī)上設(shè)有6臺球磨機(jī)的啟動、停止按鈕，當(dāng)按鈕有動作時能相應(yīng)地顯相應(yīng)按鈕的狀態(tài)。顯示總球磨時間、當(dāng)前已用時間、剩余時間、球磨次數(shù)等。 （3）上控機(jī)顯示球磨的工藝流程圖動畫和當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。 （4）可存儲常用的球磨工藝，工藝數(shù)量僅受硬盤容量的限制，可編制各種報表輸出。 （5）球磨機(jī)起、停按鈕時刻自動生成數(shù)據(jù)報表并實時更新，能實現(xiàn)工藝執(zhí)行情況的追溯和查詢。 （6）各種生成報表及報警信息的保存、顯示和查詢。 5.2下位機(jī)PLC控制軟件采用西門子Step7 V5.3和Wincc Flexible2005 觸摸屏編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計,按照球磨機(jī)工藝流程編制的PLC控制流程圖如下： 具有如下功能: （1）定時控制：球磨機(jī)處于手動人工控制和計算機(jī)自動控制時，均能實現(xiàn)準(zhǔn)確的球磨、卸料時間計時功能，按規(guī)定的工藝時間進(jìn)行控制。 （2）自動歸位：在自動和卸料運(yùn)行時，能準(zhǔn)確停止在上、下料的位置，手動點動狀態(tài)時，可在任何位置停機(jī)。 （3）根據(jù)設(shè)定的工藝時間精確控制球磨機(jī)的啟動、停止及卸料等操作，能自動進(jìn)行各種故障判斷。 （4）配置在現(xiàn)場控制柜上的觸摸屏可手工編輯或調(diào)用監(jiān)控計算機(jī)上的球磨工 藝，顯示球磨機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的各種參數(shù)。 （5）斷電時自動記憶已研磨時間，在PLC中可實現(xiàn)中途異常停電或人為斷電，記憶當(dāng)時的時間及已經(jīng)研磨的時間，當(dāng)下次來電后再繼續(xù)未完的工藝時間。累計研磨時間達(dá)到預(yù)定時間時正常停止。 6.結(jié)論 本系統(tǒng)安裝在自貢硬質(zhì)合金公司粉末分廠6臺球磨機(jī)上，實現(xiàn)了球磨、卸料時間的自動控制，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工藝執(zhí)行情況實現(xiàn)了有效的監(jiān)控管理。經(jīng)過半年的實踐證明，系統(tǒng)完全實現(xiàn)了球磨機(jī)嚴(yán)格按照工藝段設(shè)定時間停機(jī)；故障情況下時間保持功能；具備運(yùn)行工藝參數(shù)顯示、設(shè)定、記錄功能以及報警顯示記記憶；設(shè)備安全保障和獨立運(yùn)行等。同時，還達(dá)到規(guī)范操作人員嚴(yán)格執(zhí)行工藝紀(jì)律，提高球磨、卸料時間的控制精度（控制精度約1秒）的目的。本系統(tǒng)還具有控制分散、集中管理，結(jié)構(gòu)小巧、執(zhí)行速度高、擴(kuò)展容易，操作方便、性能穩(wěn)定可靠等特點，具有推廣應(yīng)用價值。 參考文獻(xiàn)： 1、鄭晟 鞏建平 張學(xué) 現(xiàn)代可編程序控制器原理與應(yīng)用 科學(xué)出版社2002年 2、《自動化信息》 中國自動化學(xué)會 四川省自動化與儀器儀表學(xué)會 2008-7 3、周盛安 硬質(zhì)合金制造工藝學(xué) 2005年