基于西门子S7-300 PLC的流化床式气流磨自控系统的

摘　要：根据流化床式气流磨生产工艺对控制系统的要求，提出了基于西门子S7-300PLC 的流化床式气流磨自控系统的设计方案。给出了软、硬件的系统构成，并对料位控 制这一关键技术进行了详细的讨论。

关键词：S7-300 PLC；气流磨；超细粉碎；自控系统

0 概述
　　气流磨是通过高速气流的能量，使得颗粒相互冲击、碰撞、摩擦而实现超细粉碎的设备。而流化床式气流磨以其较高的生产效率和较低的磨损，成为高硬度、高耐磨性材料超细粉碎加工的首选方式。[1]
 该生产系统的执行机构有电动、有气动、有变频无级调速、也有机械平滑变速，故整个系统对电气控制要求为：自动化程度高，逻辑控制功能强，保护措施完善。因此，采用高自动化控制系统作为其高可靠性运行的保证就显得尤为重要。本文着重介绍其的自动控制系统。
1 生产工艺对控制系统的要求

      图1为流化床式气流磨超细粉生产线设备示意图。物料由下料仓1经双翻板蝶阀2送入喂料机构3，再由喂料机构送入磨室7。磨室内设有四个对喷的喷嘴，物料被喷嘴喷出的高压高速气流旋起，在磨室内物料颗粒在高速气流所孕育的巨大动能的作用下被加速，在喷嘴8交汇处发生相互冲击碰撞，从而达到粉碎目的。被粉碎的物料随上升气流到达到分级区，分级区内的涡轮式超微分选器6分选出所需细度的物料经过出料筒被高效旋风分离器9收集。粉体的粉碎和分级在同一腔体内同时进行,大大提高了粉体的粉碎和分级的功效，未被分选器分选的粗料又返回到对撞粉碎区继续粉碎。这样连续加料，在磨腔内按上述循环周而复始，连续出料生产。输出的细料经高效旋风分离器出料口8收集产品，物料分离后的气流经过过滤器12过滤、净化后通过滤清粉单向阀13可反复循环使用。

                                 

       该流化床式气流磨对气压、流量、温度、速度都有很高的要求，故对上述物理量的控制与监测是保证整个系统可靠、稳定、高效运行的关键。
2 电气控制系统的组成
      2.1系统硬件组成
      为了满足上述生产工艺对电气控制的要求，采用西门子公司的S7-300 PLC（具体型号为：6ES7-314-1AF11-0AB0）对其进行控制。西门子的S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、功能模块、接口模块、通讯处理器、电源模块和编程设备组成，各模块安装在机架上。[2]
 根据生产工艺，系统的输入包括IO输入信号和模拟量输入信号。IO输入信号主要是来自于按钮和阀的状态信号，用于控制系统对按钮按下、抬起、阀开、闭状态的监控。模拟量输入信号主要来自于温度、压力和流量等传感器的电流模拟信号，用于控制系统对这些物理量的监测、控制与显示。系统的输出信号包括IO输出号和模拟量输出号。IO输出信号主要是通过控制系统对各类电磁阀、指示灯、喇叭的开关进行控制。模拟量输出信号主要是通过控制系统输出电流模拟信号去控制变频器的输出频率和研磨阀的开度。图2为该系统的部分接线图。       

      2.2 系统软件组成
      2.2.1 模块划分
　　系统的控制软件按生产工艺的要求，划分为功能相对独立的模块，每一模块独立完成一项特定的功能最后由主控模块将它们按逻辑进行组装。采用模块化设计，使程序的结构简单明了，易于调试。
　　本控制系统共包含6个大的控制模块，每个大的模块内可能含若干个完全独立的小模块。如表1所示：

      2.2.2 动作描述
      根据生产工艺的要求，控制系统的动作描述如下：
      1、开控制柜电源、开冷却水开关、系统进入初始化模块,在完成初始化操作后，进行低压补、排气操作。
　　2、在低、高压罐压力到达额定值后，PLC若处于远程控制下，压缩机运行按钮有效时,打开压缩机进气口阀，启动压缩机运行，并对压缩机的出口压力进行调节。
　　3、在压缩机出口压力满足要求后，当开研磨阀按钮有效时,打开研磨阀,对研磨阀出口压力进行调节。
　　4、在研磨阀出口压力满足要求后，根据操作时序,依次完成下料、喂料、分离、过滤等操作。
　　5、系统在1到4之间循环,当停机按钮或急停有效时，系统退出循环。
3 料位控制
      磨室内料位的控制是提高磨机效率和粉碎产品质量的重要因素之一,是气流磨自控系统中的关键技术。[3]由于物料在磨室内是流动的，而且在空间的分布密度受压力、流速变化的影响很大，因此所谓的料位控制，实际上是物流量的控制。
　　本系统采用料位闭环变频调速控制方式，实现料位的闭环控制，其控制框图如图3所示。

                                    
　　 物料由下料仓经翻板机构进入到由变频器控制电机拖动的螺杆推进式给料机构中，再由给料机构将物料送入磨室中。其中翻板机构中蝶阀的开度受磨室重量信号的控制，当磨室重量由下限值(磨室空载)向上限值（磨室满载）变化时，蝶阀的开度相应的由大向小变化，下料仓通过蝶阀进入给料机构中的物料由多变少，当到达上限值时，蝶阀完全闭合，此时下料仓就停止向给料机构供料，直到磨室的重量下降到某一设定值，蝶阀开启恢复供料。同时给料机构中的螺杆推进速度受料位信号的控制，当上限料位信号有效时，变频器输出零赫兹频率，给料电机停转，螺杆就停止往磨室送料。当下限料位信号有效时，变频器输出设定的满赫兹频率，给料电机以设定的最高速旋转，推动螺杆以设定的最高速给磨室供料。当料位在上、下限之间连续变化时，变频器的输出频率在零到设定的最大值之间连续变化，导致螺杆的推料速度也在相应的零到设定的最大值之间连续变化。
 通过以上两级闭环控制，就可以使磨室内物料量适中、稳定，始终处于最佳研磨状态。
４、结论
 本系统的电气控制系统自动化程度高，各种控制单元、保护显示单元动作灵敏、正确可靠、运行稳定，操作方便，能满足超细粉生产工艺对电气控制的要求。
参考文献：
[1] 朱晓峰 王强 蔡冬梅.流化床式气流磨关键技术及其进展.中国粉体技术 2005(6).
[2] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术.机械工业出版社.
[3] 赵凤金.气流磨料位闭环变频调速控制系统.电子与自动化.1988(5) control system.