（电力系统及其自动化专业论文）水泥风机节能控制系统的研究.pdf

目录 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 水泥控制技术的自动化现状2 1 3 课题研究的意义3 第2 章节能控制系统的总体方案5 2 1 水泥工艺5 2 1 1 水泥生产工艺流程5 2 1 2 水泥粉磨生产工艺6 2 2 水泥节能控制系统原理8 2 2 1 球磨机的效率特性8 2 2 2 风机节能原理9 2 2 3 球磨机的料量检测1 1 2 3 总体方案设计1 3 2 3 1 水泥风机节能控制方案1 3 2 3 2 控制系统工艺流程及其可行性分析1 4 第3 章模糊控制器的设计与实现1 7 3 1 模糊控制器的起源及应用现状1 7 3 1 1 模糊控制器的起源及特点1 7 3 1 2 模糊控制的研究及应用现状1 7 3 2 模糊控制器的设计1 8 3 2 1 模糊控制器的结构设计1 9 3 2 2 风机模糊p i d 控制器的设计2 0 3 3 模糊p i d 在p l c 中的实现2 5 第4 章节能控制系统的硬件实现2 9 4 1 核心硬件选型2 9 4 1 1s 7 3 0 0 的硬件模块选型3 0 4 1 2 节能型执行机构的选型3 1 4 2 通信网络搭建3 4 4 2 1 通信网络的选择3 4 4 2 2 通信网络的搭建3 6 4 3 硬件通信设置与调试3 7 4 3 1s 7 3 0 0p l c 与h m i 触摸屏通信设置3 7 4 3 2p l c 与变频器通讯设置3 8 第5 章上位机w i n c c 监控系统的设计4 2 5 1 上位机组态软件的选择4 2 5 2w i n c c 画面组态4 3 5 3w in c c 与p l c 的通讯组态设置4 5 第6 章控制系统仿真4 8 6 1m a t l a b 功能4 8 6 2 模糊p i d 仿真4 9 第7 章结论及展望5 5 参考文献一5 6 致谢5 8 攻读学位期间的研究成果5 9 学位论文独创性声明6 0 学位论文知识产权权属声明6 0 青岛大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 水泥是国民经济建设的重要原材料，在国民经济建设中占有极其重要的地位。 作为国民经济的重要基础产业，水泥工业已经成为国民经济发展水平和综合实力的 重要标志之一。随着我国工业的飞速发展，我国水泥工业的产量多年位居世界第一， 有利的保障了国民经济快速、稳定的发展。与此同时存在着水泥工业结构不合理， 产业集中度低，环境污染严重，资源、能源消耗高，综合利用水平低，技术创新能 力不强，产品质量档次低等诸多问题。因此只能说我国是水泥大国而不是水泥强国， 在水泥行业中进行工业结构调整的任务任重而道远【l j o 在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，节约能源成为我国的一项基 本国策，为此国家制定了“节能中长期专项规划”，为落实此项规划，在十一五期 间国家发改委启动了十大重点节能工程。十大重点节能工程中同水泥行业有关的有： 燃煤工业改造、电机系统节能、能量系统优化等项，通过实施专项规划，使水泥单 位产品的综合能耗下降2 0 ，使每吨水泥电耗控制在l o o k w h 以内。按照科学发 展观的要求，加快水泥工业的结构调整和产业升级，引导水泥工业稳定、持续、健 康的发展，实现水泥工业现代化，建立节约型的水泥工业体系意义重大。我国水泥 工业在未来的十几年将面临着市场和能源、环保、高效的等诸多挑战。节能、环保、 高效是每一个水泥企业必须要面对的课题，而自动化控制技术与这些目标又是紧密 相关。在当前国内外能源资源供需矛盾日益突出的情况下，节能成为水泥生产企业 首要关心的问题。而电能又是各种能源中最为经济实用、清洁方便、容易传输、控 制和转换的能源，通过提高水泥自动化水平，降低电能消耗是水泥行业节能的一个 有效途径。 水泥工业是耗能大户，在建设节约性社会的政策下，面临着节能降耗的艰巨任 务，而水泥风机又是水泥生产过程的重要设备，同时也是消耗电能的最大设备之一， 参与工况调节的粉磨系统的风机耗电量很大，约占厂用总耗电量的3 0 左右，而且 随着辊式磨系统越来越多地被应用，风机耗电量占总耗电量的比重将越来越大。在 水泥生产过程中大约7 5 的电能消耗在生料制备和熟料粉磨生产过程中，而整个粉 磨过程中电能的消耗只有1 0 左右的电能真正用于物料的粉磨上。所以控制好风机 的电耗，对降低水泥生产成本，提高企业的经济效益是十分可观的。在激烈的行业 竞争中，企业要想在竞争中赢得优势，就必须提高能源的利用率、降低产品的损耗， 才能在竞争中处于不败之地。 第1 章绪论 1 2 水泥控制技术的自动化现状 1 国内外水泥控制技术的研究现状 计算机控制技术应用于水泥工业。当前水泥生产自动化控制技术的核心是计算 机控制技术，它将计算机技术、网络技术同智能控制技术相结合应用于水泥控制自 动化行业。模型预测、模糊控制、遗传算法、专家系统、自适应和白寻优等先进控 制算法应用于工程项目中，模糊控制以及专家系统已经成功的应用于水泥工业某些 控制技术中。控制系统将先进的控制算法用于d c s 、p l c 、i p c 等控制器中，例如 s i e m e n s 公司专门为水泥工业开发的c e m a t 标准软件，该软件具有水泥过程控制 优化的功能块，并集成于s i e m e n s 公司的过程控制系统p c s7 中。 p l c 和d c s 组成的混合控制系统，现在已经作为主导控制技术应用水泥工业自 动化中。目前d c s 和p l c 控制技术已经是工业自动化控制领域的主导控制技术之 - - 1 2 l 。d c s ( 分布式控制系统) 融合了计算机、通信、控制和图形化显示4 c 技术， 具有较强的通信和管理功能；而p l c ( 可编程控制器) 是专为工业控制应用而设计 制造的一款控制器，具有较强的顺序控制和逻辑运算功能。它们各有优缺点，通过 取长补短和相互渗透，相互融合，形成了功能强大。应用广泛的混合控制系统，目 前市场以p l c 为主导地位的s i e m e n s 、r o c k w e l l 等公司纷纷推出了混合系统， 并在水泥行业得到了大量的推广，取得了非常好的效果。 无线通信技术和工业以太网通信技术应用于水泥工业自动化系统中。无线传输 技术拥有较好的适应性，几乎不受客观地理环境的限制，并扩大了传输范围。采用 无线通信技术能够解决水泥厂占用空间大，测量位置难于安装等难题，减少了安装 器件成本，又节约了能源【3 1 。工业以太网足一种高速、廉价、开放性好、准确度和 稳定性高、易于安装的通信网络，现在已经逐渐渗入到工业自动化系统的控制层和 设备层，并可以通过工业以太网传送程序、故障分析等。随着控制技术、计算机技 术和通信网络技术的发展，以太网将成为主流通信协议。工业以太网依其较高的可 靠性和稳定性被大量应用于水泥自动化控制技术中。 人性化的人机界面( h m i ) 越来越多的应用于水泥工业的自动化监控技术中。 人机界面具有监控、诊断、报警、用户管理和数据记录等功能。在工业自动化领域， 人机界面为操作员和管理人员提供大量的数据信息，以便进行控制和数据分析。此 外功能强大的模块化软件和多客户机结构，使其成为企业实时生产信息以及商务垂 直集成的统一的软件平台及连通到外部设备的媒介。目前市场上主导的组态人机界 面的软件主要有西门子公司的w i n c c 、w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 及国内北京亚控 科技公司的组态王等组态软件，目前这些人机界面监控技术已经大量应用于水泥自 动化领域，极大地提高了水泥行业的管理水平，同时对水泥质量和产量的提高也有 很大的影响。 2 青岛人学硕士学位论文 2 水泥风机控制技术的现状 风机在水泥生产中起着极其重要的作用，它不仅可以提高球磨机中物料的流速 而且可以除尘、降低磨机的温度。风机的工作状态直接影响着水泥行业的能耗和水 泥的质量和产量。目前风机的控制方式主要为手动和自动控制两种控制方式。手动 控制主要方式主要依靠工人通过听取球磨机的磨音信号，根据工作经验分析判断球 磨机中料量的多少，从而确定磨机的需风量，在风机转速最大化的情况下，手动的 调节风机风口的挡风板，利用挡风板来调节控制所需风量。目前人工手动调节挡风 板的调节方式主要应用在自动化程度不高、比较落后的小型水泥生产企业。另一种 控制方式是自动控制方式，它利用各种传感器检测球磨机中的料量信号，通过检测 信号分析球磨机中料量的多少，通过料量分析所需要的风量，利用调节器采用简单 p i d 控制方式控制变频器调节风机的转速，使其满足球磨机对风量的需求，使球磨 机工作在最佳工作状态，这种控制方式越来越多的应用于国内外先进大型先进的水 泥自动化生产线，此外一些智能控制控制技术也开始应用于风机控制。 1 3 课题研究的意义 青岛某水泥厂是一个日产量1 0 0 0 吨的小型水泥粉磨生产企业，生产技术比较落 后，造成了资源和能源的大量浪费，为了提高企业在市场中的竞争力，采取先进的 节能技术是提高企业的市场竞争力的一个莺要途径。我们选取自动化水平最低，能 源损耗较高的风机进行自动化技术改造。传统风机的控制方式通过工人的操作经验， 在风机全速运转下，手动的调节风机挡风板开度或阀门开启度来调节风机的风量， 该种方法以增加风机的风阻和牺牲风机的效率来达到要求的，造成了能源的大量浪 费。此外通过人工进行干预调节风机，由于工人的熟练程度、责任心、反应时间等 因素的不同，使得控制效果及持续性都不能得到保证，存在严重的滞后性和不确定 性，很难满足现代化水泥工业生产等方面的要求，负面效应十分严重，极大的影响 了水泥的产量和质量。传统的水泥控制技术已经落后于水泥行业的发展要求，为了 提高水泥企业的市场竞争力，水泥风机自动化控制技术研究至关重要。节能自动化 控制技术不仅可以降低能耗而且提高水泥的质量、降低劳动强度以及减少环境污染。 问题的根本解决方案还需要现代控制技术及智能控制理论等最新信息技术的指导和 支持。采用先进的模糊p i d 控制技术对水泥风机控制系统进行节能改造，根据系统 磨机需风量的要求，在风机风口最大化的情况下，由模糊p i d 控制系统对变频器控 制以调节j x l 机的转速，进而调节球磨机料量的流速，使球磨机工作在最佳工作状态， 提高球磨机的效率。又由于风机是属于平方率负载，若采用变频调速系统，把消耗 在档板和阀门上的能量节省下来，可平均节能在2 0 左右。若采用模糊控制系统 对水泥风机系统进行控制课题研究成功，不仅可以恰到好处地满足风量的需求，提 3 第1 章绪论 高水泥行业的自动化程度，又将会极大降低水泥风机的能耗，同时还能够提高水泥 生产的产量和质量，取得明显的经济效益和社会效益。 4 青岛大学硕士学位论文 第2 章节能控制系统的总体方案 2 1 水泥工艺 凡是细磨成粉末状加入适量的水后，可成塑性浆体，既能在空气中硬化，又能 在水中继续硬化，并能将砂、石等材料胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥 【4 1 。水泥分为通用水泥、专用水泥、特征水泥等【5 1 。 2 1 1 水泥生产工艺流程 水泥的生产过程通常概括为“二磨一烧”三个阶段，先将石灰质原料、粘土质 原料与少量校j 下原料经破碎后，按一定比例配合、磨细并调配为成分合适、质量均 匀的生料；再将生料在水泥窑内煅烧至熔融以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料 的过程，称为熟料煅烧；将熟料加适量石膏、混合材料共同磨细为水泥，并包装或 散装出厂，称为水泥粉磨。实际上，水泥的生产过程还有许多工序环节，“两磨一烧” 仅是将水泥生产中的主要工序高度概括而已。不同的生产方法、不同的装备技术， 其水泥生产过程亦有差异，但基本生产工艺流程差别不大，工艺生产流程简图如图 2 1 所示。 区叠亟圈 图2 1 水泥生产工艺流程简图 5 第2 章节能控制系统的总体方案 2 1 2 水泥粉磨生产工艺 目前水泥熟料粉磨工艺技术大致有3 种方案，第一种方案是球磨机开路粉磨系 统，主要的粉磨设备是球磨机，它将硬度不同的水泥熟料等混合物料同时送入球磨 机内进行粉磨，物料通过球磨机后即为成品，这种方式的优点是流程简单、投资少， 缺点是容易产生过粉磨现象。第二种方案是球磨机闭路粉磨系统，闭路粉磨是指水 泥熟料经过球磨机排出的水泥粉体先被送到选粉机后，将磨好的水泥分为成品和粗 粉，粗粉被送回磨机再粉磨。这种方法的优点是减少了过粉磨现象、提高了产量、 降低了电耗、且产品容易控制，缺点是系统设备的投资大、操作系统复杂。第三种 方案是采用辊压机的预粉磨系统，先采用辊压机将水泥熟料粉磨以减少物料的粒度， 同时还能够使物料的岩相结构受到破坏，从而提高物料的易磨性，然后将预粉磨完 成的物料送进球磨机进行粉磨，这种方案与传统方案相比具有粉磨效率高、能耗低 等优点，有利于磨机增产节能。 水泥预粉磨系统有循环预粉磨、半终预粉磨、混合预粉磨等几种类型i7 1 。在此以 半终预粉磨讲述其工作原理。图2 2 为半终粉磨原理图。 图2 2 半终粉磨原理图 半终粉磨是一种典型的预粉磨系统，它主要包括水泥调配站、辊压机、选粉机 和球磨机等几部分组成。在水泥调配站中根据不同的水泥型号以及熟料的成分调节 熟料、石膏和辅助原料的喂料的比例，通过给料机的皮带秤配料称重，配制好的原 料经过提升机提升至辊压料仓，通过定量喂料机将料仓中的料送至辊压机进行预粉 磨处理，进而节省物料在球磨机中的粉磨时问，提高粉磨的质量，在辊压机中颗粒 通过选粉机，把粗的碎料返回到辊压机中预粉磨，由选粉机选出的细粉喂入球磨机 中，颗粒较小的熟料进入球磨机中，并在球磨机中进行最后粉磨，粉磨好的水泥送 6 青岛大学硕士学位论文 至水泥库。 粉磨设备 1 球磨机 球磨机是水泥制粉系统中必用的粉磨设备之一，且广泛应用于其他行业，主要 因为它具有较高的运行可靠性，维护简单，检修成本低等优点。但球磨机也存在耗 电高，难以准确的测量球磨机中的料量，系统运行自动化程度低等不足。球磨机主 要由电动机、减速机、齿轮传动装置、圆柱形滚筒及进料口、出料口等几部分组成。 如图2 3 所示，圆柱形滚筒是球磨机的一个重要的设备，它内装钢球，内壁衬有波 浪型锰钢护甲的圆筒。简体的- n 为原料进口，另一侧为产品的出口。在电动机、 减速装置的带动下，滚筒以低速旋转，在离心力和摩擦力的作用下，钢球和水泥熟 料被护甲提升至一定的高度，在重力的作用下自由下落，原料主要被钢球击碎，同 时还受到钢球与钢球之间及钢球与内壁护甲之| 丑j 的挤压与研磨，物料在第一仓进行 粗磨处理后，经过单层隔仓板，进入第二仓，( 该仓内镶有平衬板，内有钢球) 能将 物料进一步研磨，使原料从粗到细，最后达到成品细度和级配要求。 图2 3 球磨机示意图 2 辊压机 辊压机又称为挤压磨，是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的一种新型粉磨设备， 它由两个相向同步转动的挤压辊组成，一个为固定辊，另一个为活动辊。物料从两 辊上方加入，被挤压辊连续带入辊间，受到5 0 1 0 0m p a 的高压作用后，变成密实 的料饼，从机下排出。排出的料饼，一部分成为一定比例的细粒成品，另一部分非 成品其颗粒的内部产生了大量裂纹，在进一步粉碎过程中，可以降低粉磨能耗。 辊压机的主要特点： ( 1 ) 结构紧凑、重量轻、体积小。 ( 2 ) 可提高产量，降低能耗。 ( 3 ) 占用空间小，操作维修较方便。 7 第2 章节能控制系统的总体方案 ( 4 ) 噪声低，对工作环境有较大的改善。 2 2 水泥节能控制系统原理 2 2 1 球磨机的效率特性 球磨机在运行的过程中，运行特性曲线如图2 4 所示，曲线1 为球磨机的功率 特性曲线，曲线2 振动特性曲线，曲线3 为压差特性曲线，曲线4 为球磨机的出力 特性曲线。其中功率特性曲线随负荷增加先增加后减小，出力也为先增大后减小趋 势f 1 3 】。但是，功率特性曲线和球磨机出力特性曲线不在同一点到达最高点。根据功 率曲线的最高点和出力曲线的最高点的不同，球磨机将运行区域分为常规运行区、 优化运行区和不稳定运行区。对于球磨机而言，空载时耗电量为满载时耗电量的9 0 ，所以球磨机出力愈大，其耗电率就愈低。因此保证球磨机在最大出力工况下运 行，即保证球磨机耗电率最小，运行最为经济。在常规区，球磨机的出力和功率随 球磨机中的料量的增加同时增加，但在此运行区球磨机中钢球的能量有5 0 是无效 的，球磨机的出力很低，非常不经济【3 7 】：在优化运行区，球磨机的出力持续增加并 达到最高出力点，但是功率曲线却从最高点往下降，此时，球磨机筒内的料量相对 比较多，磨料的单耗可以控制在一个较小范围之内，球磨的耗电率最少；随着给料 量的持续增加，球磨机将从优化运行区转向不稳定运行区中，在此不稳定运行区中， 过高的料最将钢球推向筒体中心，球磨机的电功率减小，钢球被抛起的高度变低， 导致钢球的砸击效率降低，球磨机出力也相应的减少。此时，一方面随着研磨效率 的降低，筒内过量的料量无法研磨，另外一方而，过多的料量使通风量变低，降低 了风的携带能力，最终导致球磨机发生堵磨。球磨机的能耗和产粉量的多少基本无 关，因此，通过调整球磨机中的存粉量接近最佳的存粉量，这是提高制粉系统经济 性的关键。当球磨机的功率达到最大值时，球磨机出力并没有达到最大，出力最大 点功率点在最大点右边。因此，将球磨机运行工作点推向最大出力点附近。既可提 高出力，又可节约厂用电。 8 青岛人学硕十学位论文 常规运行区优化运行区不稳定运行区球磨机料量 图2 4 球磨机运行特性曲线 2 2 2 风机节能原理 当今工业生产设备的传动装置中大部分采用的是交流异步电动机，其耗电量约 占企业全部耗电量的6 5 左右，尤其风机和泵类负载，其能源的利用率和功率因数 都相对比较低，严重制约着企业经济效益的提高，在资源和能源同益缺乏的情况下， 此类设备的节电问题己变得越来越重要。 风机工作的过程中的主要的损耗有电机的轴功率损耗、线路损耗、机械损耗等， 可以通过减少风机的运行时间、采用功率高的风机、在满足风量的情况下减少通风 管网的空气阻力等方法减少风机的电能消耗。传统风机节能的调节方式大多采用调 节风机通风口风门开度调节风机的风量，当今风机调节的主要方式利用变频器对风 机变频调速，与传统的调节方式相比，变频调速有着明显的节能效果。可以通过风 机的调节原理图来说明，如图2 5 所示。 9 第2 章节能控制系统的总体方案 h h 1 o q 2 q 1 图2 5 风机节能原理图 q 图中的曲线1 为风机在恒速强下的风压风量( h q ) 特性曲线，曲线5 为风机在 恒速，l ，下的风压风量( h q ) 特性曲线，曲线3 为管网的风阻特性( 风门全开) 曲线， 假设风机工作在a 点效率最高，且此时的输出风量q 为1 0 0 。轴功率为，与q 1 和h 2 的乘积成正比即尸，与a h 2 o q 1 所包围的而积成正比。当需要调节风量时， 将所需风量从1 0 0 减d , n 额定风量的5 0 时( 即从q 1 减少到q 2 ) ，如果采用调节 x l t - 的方法来调节风量，管网的风阻曲线由曲线3 变为曲线4 ，即减少j j ) l i - 1 丌度增 加了管网阻力此时系统的工作点由原来的a 点移至b 点。可以看出j x l 量虽然降低 了，但风压增加了，轴功率只，与b h 3 o q 2 成j 下比它与只，相比减少不多。如果采 用变频调速的方法来调节风量的方法使风机的转速由原来的惕降到以：，根据风机参 数的比例定律可以得出风机在恒速，l ，下的风压风量( h q ) 特性曲线5 ，风机工作在c 点，从图可见在满足同样风量q 2 的情况下，风压可大幅度降低到h 1 ，轴功率只：也 会明显的降低，所节省的功率与面积a h 2 0 o l 和c h 1 0 q 2 之差成正比。由此可 见采用变频调速的方法来调节风机的经济效益是十分显著的。 由流体力学的知识可知风量q 与转速咒的一次方成正比，风压h 与转速，l 的平 方成正比，轴功率p 与转速，l 的立方成f 比1 1 1 。，即 o o o n h o o n 2 p s o o n 3 当需要减少风量时，风机的转速将降低，其轴功率按转速的三次方下降，例如 l o 青岛大学硕士学位论文 当所需要风量为额定风量的5 0 时，风机的轴功率将下降为其额定功率的1 2 5 。 2 2 3 球磨机的料量检测 由球磨机的运行特性得知，球磨机的存粉量达到最佳的存粉量时，球磨机的耗 电率最低，如何才能测量出球磨机的料量是一个问题，因为球磨机是一个密闭的滚 筒，料量难以直接测量只能采用间接的测量方法，主要可以通过以下几种方式： 1 进出口差压法 利用进出口压差法信号来测量球磨机中的料量是一种传统的测量方法，其测量 原理是当风量稳定时，球磨机中的料量变化会改变流通阻力，引起磨机进出口的压 差变化，因而在一定的程度上能够反映球磨机的中料量。但由于球磨机进出口压差 并不是料量的单值函数，还与磨机的结构等参数有关，因而不能够准确的反映球磨 机中的料量变化。 2 音频法 音频法是利用球磨机滚筒附近特定点的声信号来检测球磨机中料量多少的一种 方法惮j 。其测量的工作原理是当球磨机内料量少时，钢球与钢球及钢球与简筒的撞 击机会增大，发出的声音频率变高，声强变大；当料量多时，由于料层的缓冲作用， 发出的声音频率变低，声强减弱。又因为声信号基本上是按较大的斜率呈直线下降 的，因而可以通过噪音信号的强弱反映球磨机中料量。但此方法测料量的测量点不 易选取，而且受其它噪声的信号的干扰严重，容易导致对料量测量的不够准确。 3 电流法 当球磨机料量较小时，球磨机电流小，随着球磨机中料量增加时，球磨机的电 流随之增加，到达某一极值后，随着料量的增加而减少。但球磨机从空磨到满磨时， 球磨机的电流变化范围很小，同样易受其他因素影响，导致采用电流法也难以准确 的反映球磨机中的料量。 4 轴振动量法 由球磨机的工作原理可知，球磨机工作时滚筒内的钢球在旋转离心力的作用下， 达到一定的高度时，脱离圆周运动以抛物线形式下落，砸到滚筒上从而产生较强的 振动，又由于球磨机运行特性曲线可得振动信号和球磨机中料量存在一定的关系， 这为间接测量球磨机中的料量提供了可能。具体的测量原理是球磨机运行时，消耗 的总功率在空载和带负荷运行时差别不大，故由滚筒传递给钢球的能量基本确定。 当空载时，钢球的能量主要引起球磨机的振动；当球磨机中有水泥熟料时，落下的 钢球的动能，一部分被水泥熟料吸收，实现熟料的研磨，另一部分动能通过滚筒传 递给轴承。这部分能量主要用于磨粉和激发球磨机滚筒振动。当球磨机中的料量较 多时，球磨机的轴承振动较弱，能量大部分被水泥磨粉吸收，可见磨粉所消耗的能 第2 章节能控制系统的总体方案 量大小直接和物料量有关。因此滚筒振动所消耗功率与料量成一定的关系，即滚筒 振动较强时，与之相对应的球磨机存料量较低，滚筒振动较弱时，则与之相对应的 球磨机存料量较高，对于不同的钢球装载量及其不同直径的钢球配比，由钢球碰撞 引起的球磨机轴承振动的频谱基本上分布在1 8 0 0 - - 4 0 0 0 h z 范围内，并且在这一频 段能量的变化显著，对料量变化的灵敏度较高、可靠地反映球磨机料量【1 0 】。采用球 磨机振动信号实现料量的测量，能够更加直观、灵敏。 球磨机料量测量的实现方法 音频法、电流法、进出口压差法不能准确的反映球磨机中的料量，轴振动量法 能够更灵敏、可靠的反映球磨机中的料量，故在此选用轴振动量法测量球磨机中的 料量。球磨机轴承振动的因素很复杂，除钢球的冲击外还有传动系统的振动及安装 误差引起的振动等，但这些因素引起的球磨机振动都有固定的频率，其频谱不随球 磨机中料量变化，并且频谱分布在1 0 0 0 h z 以下的范围内，而球磨机轴承振动频谱 与球磨机中的料量有直接的对应关系。球磨机轴承振动频谱特性包括轴承振动位移 频谱特性、轴承振动加速度频谱特性和轴承振动速度的频谱特性在球磨机的负荷变 化时，球磨机轴承振动的位移频谱特性一直不变，而球磨机轴承振动垂直分量的加 速度频谱特性比其速度频谱特性的反应能够更加灵敏，所以球磨机前轴承振动的频 谱特性比后轴承好，用球磨机前轴振动垂直分量的加速度信号来反映球磨机负荷是 比较合适的。研究表明，振动量信号测量方便，动态灵敏度高，迟延小，可以提高 了控制信号的灵敏度，并使控制系统的设计简单i 2 6 j 。 为了测量球磨机垂直分量加速度信号，在球磨机的前轴承安装了压电式加速度 振动传感器以测量其信号。由于水泥粉磨现场的环境十分恶劣，应选用的屏蔽性很 好的传感器和传输电缆，由于采集到的信号同样也会受到不同程度的噪声等干扰， 因此必须对信号进行必要的处理，然后对前轴承垂直分量加速度信号进行滤波处理 和快速傅立叶变换，并利用快速傅立叶变换进行频谱分析，计算轴承功率谱面积， 通过实验标定出振动量信号和料量的关系，并将此对应关系存于p l c 控制器中。然 后通过在球磨机的前轴承安装加速度振动传感器检测球磨机振动的加速度信号，经 电荷放大器转换成的4 2 0 m a 电流信号输出，送入可编程控制器p l c 中进行分析处 理控制变频器，调节物料的流速。 物料水分检测 ( 1 ) 用烘干箱测定水分 用1 1 0 的天平准确称量5 0 9 物料，放入一个己知质量的小盘内，在1 0 5 0 c - 1 1 0 0 c 的恒温烘干箱中烘干1 h 取出，冷却后称量。 水分的百分含量按下式计算： 1 2 青岛大学硕士学位论文 w ，丝! 二塑奴1 0 0 m l 2 ( 1 ) 式中w 二水分含量，m 烘干前物料的质量；m ，烘干后物料质量。 ( 2 ) 用红外线灯测定水分 同样用1 1 0 天平称取物料5 0 9 ，置于一个已知质量的铝盘内，放在2 5 0 w 红外 线灯下3 c m 处烘1 0 m i n 左右( 湿物料需2 0 一3 0 m i n ) 后取下，冷却后称量，计算公式同 上。 物料的含水湿度大，将使制粉系统出力降低，并有可能造成管道堵塞，也将影 响着制粉系统的正常运行和经济性。 2 3 总体方案设计 2 3 1 水泥风机节能控制方案 通过球磨机的运行特性可得，只有球磨机工作在优化区时，球磨机的出力才能 达到最大，此时球磨机的效率最高且节省厂用电。在常规区钢球5 0 的能量都是无 效的，造成了能量的大量浪费，而在不稳定区时容易发生堵磨，使球磨机的效率下 降，此时需要调节风机的需风量进行调节。传统调节方式是让风机全速运转下凭借 工人的工作经验进行调节风机风口阀门的丌度大小进行调节风量的多少，同样造成 了电能的大量浪费。本课题中采用自动化技术融合智能控制算法对风机进行控制以 调节水泥厂球磨机需风量。采用工控机和人机界面触摸屏为上位机作监控单元，监 控整个系统的运行；采用可编程控制器( p l c ) 为控制单元，控制调节变频器进而 控制风机及给料设备。在上位机和可编程控制器中，将水泥专家在水泥熟料磨中的 专业知识和经验融合到控制系统中，利用模糊p i d 控制器控制风机转速。根据球磨 机的特性分析得知，控制好球磨机中的存粉量并使其运行在优化运行区时，既节能 又高效。根据水泥熟料含水量及易磨性，在上位机中输入检测值，系统根据专家的 经验设定值控制球磨机料量的送料速度和风机的转速。如果球磨机工作在常规区时， 控制变频器使其风机的转速适用需风量的要求。若球磨机工作在不稳定运行区时， 此时控制系统利用变频器较大范围的提高风机的转速，提高物料的出料流量，若仅 靠提高j x l 机转速不能使球磨机从不稳定运行区调整到优化运行区时，此时通过变频 器调整球磨机给料设备送料速率使球磨机工作在优化运行区，当达到稳定运行区时， 再将给料设备的运行速度恢复至原设定值。若堵磨现象严重，停止球磨机供料，通 过风机调节球磨机中的料量。若球磨机工作在优化运行区时，在小范围内的调整风 机的风速，以满足球磨机的需要。控制系统中控制器p l c 同上位机之间通过工业以 太网p r o f i n e t 通信，控制器p l c 与执行机构及信号测量装置之间采用f r o f i b u s 1 3 第2 章：常能控制系统的总体方案 通信。 2 3 2 控制系统工艺流程及其可行性分析 风机控制系统以西门子的s 7 3 0 0p l c 为核心控制器，以球磨机料量检测信号系 统为检测装置，变频器、风机及送料设备为执行器。事先将球磨机运行特性的各个 临界值在p l c 的数据块中设置相应的变量保存，并可通过上位机中的组态软件 w i n c c 进行修改或通过触摸屏人机界面进行修改，并在p l c 中编写测量信号同球磨 机料量的对应关系。球磨机运行时，通过球磨机料量信号检测系统定时向p l c 和上 位机传送球磨机料量信号，p l c 中的模糊p i d 控制器根据运行特性的各个临界值及 熟料的水分和耐磨性，控制变频器动态的调节风机和送料设备，使球磨机运行在最 佳运行状态。 系统的工艺流程图如图2 6 所示。 1 4 青岛人学硕士学位论文 ( 网络初始化3 i i 通信测试 图2 6 系统工艺流程图 根据系统的工艺流程，设计出整个系统控制架构如图2 7 所示。该系统包含：信 号采集与处理、核心控制器、上位机监控及执行机构四大部分。 第2 章节能控制系统的总体方案 图2 7 系统构架图 根据系统方案，各部分的实现方案如下： 信号采集装置：采用压电式加速度传感器和电荷放大器等组成的料量信号测量 系统，它能准确的测量球磨机料量的多少。 信号处理：信号处理采用e t2 0 0 m ，它是模块化的输入输出系统，特别适合可 靠性要求比较高的控制系统。通过p r o f i b u sd p 的高速数据传输能力，可以确保 控制c p u 和输入输出设备稳定顺畅地进行通讯。 控制器：控制器采用西门子的s 7 3 0 0 ，c p u 采用3 1 52 - d p ，无论在运算能力、 通信能力及可靠性方面都完全可以满足水泥生产控制的要求。 上位机监控：上位机采用西门子的组态软件w i n c c 和m p2 7 0 触摸屏对整个系 统进行监控，w i n c c 集成了s c a d a 、组念和o p c 先进技术，为用户提供了w i n d o w s 操作系统，使用灵活、功能强大，是目前应用最为广泛的组态软件之一p j 。 执行机构：执行机构采用西门子m m 4 3 0 变频器，它具有高效率、准确控制、安 装灵活等特点，尤其适合用于风机负载的控制。 通信：p l c 与上位机之间的通信通过工业以太网，便于企业资源规划层的扩展， 各部分之间的通信采用p r o f i b u s 总线完成的，p r o f i b u s 总线是当前使用最为广 泛且比较成熟的总线之一，具有较高可靠性和很好的抗干扰性。 1 6 青岛大学硕士学位论文 第3 章模糊控制器的设计与实现 在水泥风机节能控制系统中风机的转速不仅受球磨机中的料量控制，而且还受 水泥熟料的含水量及易磨性等决定，传统的p i d 控制在水泥的含水量等因素波动较 大时，控制效果往往不理想，而模糊p i d 控制能够根据料量含水量等因素的变化自 动调整p i d 参数适用控制系统的要求，使控制系统工作在最佳工作状态。 3 1 模糊控制器的起源及应用现状 3 1 1 模糊控制器的起源及特点 模糊控制是利用模糊数学的知识，模仿人的思维方式，对模糊现象进行识别和 判断，给出精确的输出量控制被控对象。它是建立在模糊集合基础上的一种控制理 论，是智能控制的一个重要的分支【1 4 】。 2 0 世纪中叶以来，自动控制技术对工业生产的快速发展起到了巨大的推动作用， 并取得了令人满意的效果。但传统控制技术有一个重要的缺点就是，控制器的设计 需要有精确的数学模型，但在实际生产中，被控对象精确的数学模型很难建立。随 着科技的迅猛发展，控制系统更多为时变、多变量、非线性的大系统，建立数学模 型变得更加团难，系统的复杂性与控制系统要求的精确性之间存在着尖锐的矛盾， 使得传统的控制系统面临着新的挑战。在生产过程中，人们发现很多复杂的生产过 程，即使操作人员不清楚控制对象的数学模型，也能够根据长期的实践和操作经验 进行很好的控制。这种利用人的经验参与的控制，激发了人们对控制原理更加深入 研究。以人类思维控制方案，利用操作经验和实践，就可以很容易的达到控制目的。 这样，控制系统就避免了复杂的建模过程。在时变、多变量、非线性的大系统中， 采用简单、灵活的控制方式，把人的操作经验总结为若干条控制规则，并设计一个 装置代替人对复杂的生产程进行有效控制，由此，模糊控制技术应运而生。 模糊控制是参照人的思维控制方式和经验知识发展起来的控制方式，具有一定 的模糊性和主观性，却简单易行，行之有效【2 刀。主要有以下特点： ( 1 ) 模糊控制是基于规则的控制，不需要被控对象的数学模型，设计简单，便 于应用： ( 2 ) 从工业过程的定性认识出发，很容易建立语言控制规则； ( 3 ) 控制规则具有相对独立性，控制效果优于常规控制器； ( 4 ) 模糊控制系统的鲁棒性强，极适合于非线性、时变性的大系统。 3 1 2 模糊控制的研究及应用现状 1 9 6 5 年，l a z a d e h 教授在他的论文 f u z z ys e t s ) ) 、 4 躁4p z dw o r de o n s 2 e 4 2 7 l 2哇a z- 一 4p 臻4p z dw o r dc 口l 悟 2 8 4 2 7 l 4 11m i c r o m a s t e r4 通信地址设置 地址栏中第一行为p k w ，4 字输入4 字输出，p k w 数据区为p i w 2 5 6 p i w 2 6 3 p q w 2 5 6 p q w 2 6 3 ；第二行为p z d ，4 字输出数据区p q w 2 6 4 p q w 2 7 1 ：第三行为 p z d 数据输入数据区为p i w 2 6 4 一p i w 2 7 1 。 m m4 3 0 参数设置，p l c 要通过p r o f i b u s 来控制变频器，变频器本身也需 要对如下参数设定： p 0 0 0 3 设为3 一用户权限选择，p 0 0 0 3 为3 时，可以使所有参数都是可见且能够 修改的。 p 0 7 0 0 设为6 _ 命令源，( 远程控制，从c b 来) 。 p 0 9 1 8 设为4 _ 站号设定，站号的设定需要与硬件组态保持一致。 p 1 0 0 0 设为卜频率设定源，值为6 说明远程设置，频率来自c b 。 4 程序编写 ( 1 ) 对p z d 数据的编写 p z d l 输入：m m 4 3 0 当前状态。 p z d 2 输入：实际转速反馈。 p z d l 输出：输出命令到m m 4 3 0 ，控制变频器的起停、正反转。 p z d 2 输出：输出主设定值到m m 4 3 0 。 建立数据块d b 5 0 ，将数据块中的数据地址与从站m m 4 3 0 中的p z d 、p k w 数 据区相对应，如图4 1 2 所示。 3 9 第4 章节能控制系统的硬件实现 地址名称类型初始值 0 os 删t + o op 髓rw o i m僻1 6 聋0 + 2 0工n drw 0 r dw # 1 6 # 0 + 4 0p k e lrw o r dw 嚣1 6 祥o + 6 0p 旺2rw o l i dw 嚣i 6 # 0 + 8 0p z dr职) r dw 嚣1 6 # o + 1 0 op z d lrw o i dw 嚣1 6 律0 + 1 2 0p k e1 | | ro r dw 存1 6 嚣0 + 1 4 0i n d1 | i l r们r d胀1 6 # 0 + 1 6 0p 髓1l | ；fd r d1 | i l # 1 6 # 0 + 1 8 0p 旺2ww o r dw # 1 6 # 0 + 2 0 0p z d1 | i l w 0 r dw 菲1 6 # 0 + 2 2 0p z i ) 1ww o e dw 聋1 6 # 0 拦= 鋈 e , i d 。s t r u c t 图4 1 2 数据块d b 5 0 在本项目中，程序如图4 1 3 所示，当m 0 0 为1 时，通过数据块d b 5 0 传送设 定值与控制字，当d b 5 0 d b 2 0 的设定值从w # 1 6 # 0 4 7 e 变为w # 1 6 # 0 4 7 f 后，变频器 启动，启动后按照d b 5 0 d b w 2 2 中的设定值运行，这里我们设定变频器启动运行的 频率为5 0 h z 。状态字和实际值可以从d b 5 0 d b w 8 和d b 5 0 d b w l 0 读出。 4 1 30 8 1 中调用通信功能块s f c l 4 和s f c l 5 ( 2 ) 对p k w ( 参数区) 的读写与p z d 读写基本相同。p k w 区的数据访问采 青岛大学硕士学位论文 用同步通信机制，即( 发一条信息得到返回值后，才能发送第二条信息) 。p k w 通 常为4 个字，图4 1 4 是对这四个字的定义： p k e in)piie p i l e c p k e 参数表示符i n d 索引p w e 参数值 图4 1 4p k w 定义 a ：发送数据常用值： 1 ：读请求 3 ：写请求 7 ：写请求 1 1 1 4 ：修改参数数值。 返回数据值：1 、2 、4 、5 、7 1 ：传送参数数值2 ：传送参数数值 4 ：传送参数数值5 ：传送参数数值 7 ：任务不能执行 p n u ：参数号 读写0 0 0 2 - - - 1 9 9 9 的参数时，将数值转换为十六进制即可； 读写2 0 0 0 - - 3 9 9 9 的参数时，将数值减去2 0 0 0 再转换为十六进制。 b ：数据分组编号，常用值：0 、1 、2 。 c ：参数选择位，常用值：0 、8 。 4 1 f义意 入求求求点鞘黼鞘 3 ： ： ： 、2 6 8 第5 章上位机w i n c c 监控系统的设计 第5 章上位机win o t 监控系统的设计 在水泥生产监控系统中，一般采用性能可靠的工控机和h m i 触摸屏为上位机， 把现场数据通过各种方式传送到上位机，在上位机中监控水泥生产的运行。利用上 位机中丰富的资源可以把采集到的数据进行处理、分析、显示及故障报警等，形象 的上位机监控界面使操作更加直观、方便的控制系统的运行。在监控系统中选用 w i n c c 作为监控软件。 5 1 上位机组态软件的选择 w i n c c 是西门子公司推出的一套完善的组态开发软件，由西门子公司同微软公 司共同丌发，融合了西门子工业自动化领域的先进技术和m i c r o s o f t 方便易用性。所 以它具有功能强大、性能全面、技术先进、系统开放等优点。w i n c c 主要配合西门 子公司的自动化硬件产品，除此之外可以支持a b 、g e 等公司的自动化系列产品的 连接，还可以通过o p c 通信技术与更多的第三方设备进行连接。w i n c c 内部集成了 大量的通