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1、精品论文西门子 PLC 在磨内喷雾降温控制系统中的应用刘金军武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉(430070)E-mail：摘要：本文介绍高温对球磨机粉磨的危害及对出磨水泥性能的影响，为了解决这一难题设 计了一种基于西门子 PLC 的球磨机喷雾降温控制系统。该控制系统以西门子 S7200 PLC 及 智能模块为控制核心，通过采集磨机尾气温度，运用 PID 控制算法调节高压离心泵运行频 率，从而调节喷入磨机内的雾化水流量，控制出磨物料的温度。控制系统通过对磨机启动、 水箱液位和气路压力进行联锁控制的方法，实现控制系统安全运行。同时，本文设计了一种 气水混合雾化喷雾设备的方案，通过这种雾化设备
2、可以实现变频器对离心水泵的变频调节， 能够在较宽频率范围获得良好的雾化效果。控制系统可以有效的降低出磨物料的温度。 关键词：可编程逻辑控制器；雾化降温；PID;变频器中图分类号：TP2231. 引言球磨机是目前使用最广泛的粉磨设备, 由于粉磨过程产生大量的热量, 导致磨内温度升 高,从而引起出磨水泥温度超限, 使石膏脱水、 水泥产生假凝现象, 严重影响水泥的质量、 储存、包装、运输和混凝土施工等性能, 更严重的引起磨机轴瓦温度超限,磨机不能连续运行, 危及设备安全。高温使磨内物料产生包球包锻的现象导致磨机产量降低，电耗增加。当入磨物料温度高， 物料带入磨内大量热量，加之磨机在研磨时，大部分机械
3、能转变为热能，将使磨内温度升高。 而物料易磨性随温度的升高而降低，从而降低磨机产量。随着磨内温度增高，细粉静电吸附 效应增加，因而加重了磨内糊球、糊衬板和糊篦板现象，从而影响磨内物料流态化，使过粉 磨更严重，水泥磨台时产量随之降低5。水泥粉磨过程中当磨内高温达到二水石膏脱水临界温度时，将造成其脱水形成半水石膏 和可溶性硬石膏。而存在一定浓度的三氧化硫条件下，半水石膏又会再结晶成二水石膏而引 起水泥的假凝，造成水泥质量不稳定，影响水泥质量，而且易使入库水泥结块。为了解决磨机粉磨物料高温的问题，国内外主流磨内降温的方法是向磨机内喷雾化水， 当雾化状态的水与磨内物料混合后，雾化水可以快速吸收物料热量
4、而蒸发为水蒸气，水蒸气 通过磨尾尾气烟囱排除，从而实现物料降温的目的。本文设计的雾化喷枪通过水路和气路复合管道在喷枪的头部喷嘴处实现气水混合雾化， 通过高压气体吹散高压水雾化，雾化喷嘴开孔可达到 5 毫米而不减弱雾化效果。由于雾化喷 嘴开孔大，因而很好的解决水中杂质堵塞喷枪的问题。控制系统采用西门子 S7-200 PLC 作 为控制系统核心部件，使控制系统更加稳定可靠的适应工业现场应用。控制系统通过磨机联 锁、缺水保护、断气保护等措施保证喷雾系统运行的可靠性。通过变频器调整高压水泵运行 频率，采用 PID 控制算法实现出磨物料温度的精准控制。2. 磨内喷雾降温的总体设计2.1 喷雾降温系统设备
5、结构设计本文设计的雾化降温控制系统采用气水混合雾化方法，系统设备由高压水路、高压气路、 雾化喷枪和电气控制柜四部分组成，如图 1 所示。- 5 -该设备工作原理是高压水路产生的高压水进入雾化喷枪 20 的水路管道 21，高压气路产生的高压气体进入雾化喷枪 20 的气路管道 22。雾化喷枪为两层管路，外层为水路管道 21， 内层为气路管道 22，两层管道在雾化喷枪头部喷嘴处汇合接通，设备工作时高压气体将高 压水吹散并喷出从而形成雾化水。高压水路工作方式是：自来水通过浮球阀 2 注入水箱 1，由排水阀 4 进入高压离心泵 7进行加压，通过电磁阀 5 和单向止回阀 8 进入流量计 10，再进入雾化喷
6、枪水路管道 21。图1 中 3 是水箱液位检测开关，9 是水路排水阀，11 是水路压力传感器。高压水泵 7 由变频器 控制，通过调节高压水泵的运行频率来调整雾化喷枪喷雾流量。高压气路工作方式是：空气压缩机 19 制备的压缩空气通过单向止回阀 18 进入高压气体 储气罐 17，经过减压阀 16、气路压力传感器 15 和单向止回阀 14 进入雾化喷枪气路管道 22。 通过调节减压阀 16 使气路压力进入雾化喷枪时压力稳定在 0.45Mpa0.55Mpa 这个范围。图 1 喷雾降温系统设备结构图2.2 控制系统硬件结构设计磨内喷雾控制系统硬件结构采用西门子 S7200 系列 PLC 中的 226CP
7、U 作为主控 CPU， 该型号 PLC 有 24 点数字输入和 16 数字点输出，226CPU 可以扩展最多 7 个模块1，本系统 实际扩展了 4 个模块，包括热电阻输入模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块。采用这样 的 PLC 硬件结构可以满足本系统需求。磨内喷雾降温控制系统结构如图 2 所示，系统以 S7-226 PLC 为核心，PLC 扩展模块为 热电阻模块 EM231-PT、模拟信号输入模块 EM231 和模拟量输出模块 EM232，以 TD400 文 本显示器为人机操作界面。控制系统采集磨机尾气温度、水路压力、气路压力等模拟信号，采集磨机启动、水箱液 位和控制柜操作面板按钮数字输入信
8、号。通过 PLC 内的控制程序，控制进水电磁阀、变频 器和控制柜指示灯。图 2 磨内喷雾降温控制系统电气控制图2.3 控制系统调节模型设计球磨机是一个大的惯性滞后系统，磨内降温控制方法是通过向磨尾喷入冷却的雾化水， 当高温物料混合雾化水后，雾化水蒸发带走部分物料热量通过磨机尾气管道排出。因此，本 系统是一个典型的温度控制系统。为了实现对出磨物料温度的控制，本系统采用以下控制模 型。如图 3 所示。图 3 控制系统调节模型图1.PLC作为PID调节器，S7-226CPU支持PID调节功能，人机操作显示器(TD400C)作为参 数设定输入设备，同时也显示控制过程参数功能；2.变频器作为PID调节的
9、执行设备，控制高压水泵的运行频率，从而调节喷水流量；3.一般磨机尾气温度范围在200度以下，为了保证温度测量的准确性，温度传感器采用 铠装的三线制PT100传感器，分度号PT100-385。 出磨物料温度控制调节方案为：利用热电阻检测出磨尾气温度，PLC的特殊功能模块EM231-PT将热电阻采集到的温度模拟量转化为数字量送PLC的CPU与设定值对比，PLC进 行PID运算得出控制量，PLC的特殊功能模块EM232将控制量由数字量转化为模拟量送至变频器，由变频器控制高压水泵的出水流量，从而实现对球磨机出磨物料温度的控制。3. 喷雾降温系统程序的设计与实现软件设计包括系统安全运行联锁控制程序和温度
10、 PID 调节控制程序。Step7-Microwin V4.0 是专为西门子 s7200 系列 PLC 设计的编程和调试软件，编制好的程序可以通过 PLC 的 串口下载到 PLC 中2。3.1 运行联锁控制程序在向球磨机内喷雾时要求首要保证磨机的安全运行，因此，当磨机停止运转时必须停止 向磨机内喷雾；当水箱液位降低到下限时必须停止水泵运行，否则会损坏水泵；当气路高压 气体压力低于下限值时必须停止水泵运行，否则喷入磨机内的水不能被雾化，由此可能使磨 机内物料结块堵塞磨机而产生安全事故。在程序设计时对磨机启动、水箱液位和气路压力三个参数进行联锁，只有当这三个条件 都具备时才可以启动水泵，否则必须停
11、止水泵运行。3.2 温度 PID 调节程序对于降温过程，我们采用 PID 算法来实现控制要求。PID 算法因为其显著的优点在工业 控制中得到广泛的应用，它不要求控制系统的精确模型，PID 结构经典、易于实现，参数调 整也比较方便3，而且它有较强的灵活性和适应性。西门子 S7-200 PLC 提供 PID 控制功能 4，通过 PID 控制指令模块可以很便捷的编制出控制调节程序。4. 结论基于西门子 PLC 的磨内降温控制系统是一个可行的、稳定的高效的系统，在该系统设 备在生产现场调试中，出磨物料温度可以控制在目标温度1范围内，现场入磨物料温度波 动范围较大，对于球磨机这样的大滞后系统，这样的控制
12、精度已经符合用户的要求。总之，本文设计的磨内喷雾降温控制系统充分的考虑了水泥企业的现状和控制要求，可 以适应各种不同规格的球磨机出磨物料降温的要求。由于基于 PLC 的设计，控制系统可靠、 稳定具有较好的适应性。参考文献1 蔡行健,黄文钰.深入浅出西门子 S7-200PLC(第二版).北京航空航天大学出版社,2005 年 4 月. 2 戴仙金,潘懿萱,白治锦.西门子S7-200系列PLC应用与开发.中国水利水电出版社,2007年4月. 3 Michel Ruel.Using PID control in a PLC.The ISA 2002 Technical Conference,2002,
13、p.183-193.4 SIMENS AG.SIMATAC S7-200 Programmable Controller System Manual.2000.5 马玉民.球磨机的热平衡分析与磨内喷水冷却装置的应用.水泥,2006 年,第 6 期:P.39-42.Application of Siemens PLC in ball mill cooling spary systemLiu JinJunSchool of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan,PRC, (430070)Abs
14、tractThis paper discusses that high temperature does harm to the ball mill grinding and influences thecement performance,to settel this problem,designs a kind of cooling spray system based on SiemensPLC applied in ball mill。The control system is composed of Sienmes PLC and intelligent moduls, itgath
15、ers the end gass temperature of ball mill,applys PID algrithm to adjust running frequancy of the high pressure centrifugal pump, regulates the water flow that sprayed into the ball mill,controls the material temperature. The control system protects the system security through interconnected control
16、with the ball mill start-up and level of water tank and pressure of gas.At the same time,this paper designs a kind of scheme that mixes the water with the gas,this spray equipment can realize inverter control of high pressure centrifugal pump by frequency convertor, obtain the good atomization effect in the wide range of frequency.The control system can reduce the temperature of the grinding material effectively.Keywords: PLC; Spray and cooling; PID; Frequncy convertor