摘要：本文就如何實現硬質合金原料研磨時間的自動控制，介紹了控制系統的組成、配置、功能及關鍵技術點。該系統已在使用單位球磨工序穩定運行半年，達到了設計目的，滿足了工藝要求。 關鍵詞： 球磨/卸料時間 自動控制 監控系統 1.前言： 硬質合金原料的生產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。如隨意提前或推遲球磨機各個工藝段的執行時間，在停電、機械故障等情況下無法按照設定的時間進行球磨，或未能及時發現并繼續執行尚余的研磨時間，均會造成球磨料的理化指標不合格，影響后續的生產，產品質量也無法得到保證。目前，硬質合金生產廠都是采用各種球磨機來完成WC原料的研磨，通過不同的研磨時間，生產出硬質合金所需的粉末料。我公司球磨機種類繁多，設備大多已使用了幾十年，原采用人工定時控制方式，不僅技術落后，使球磨工藝時間的控制隨意性極大，產品質量的好壞完全取決于操作工的素質和責任心；而且對設備的運行狀況以及生產過程也不能進行有效的監控和管理。為此，我們設計了一套以西門子S7 300 PLC為核心的控制系統，對該類設備進行技術改造。增加相應的自動檢測控制手段，改變控制和管理模式，消除人為因素對產品質量波動造成的不利影響，確保下達的球磨工藝得以不折不扣的執行，球磨時間的控制精度得以提高，達到改善產品質量的目的。 2.球磨工藝流程及功能要求 球磨機的主要功能就是將塊狀的物料經過球磨機轉動，在球磨機內和磨球互相作用，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—時間到—停止球磨—自動或點動將進料口朝上—換成卸料柵蓋—啟動球磨機－－時間到—卸料完成，生產完成。 1）球磨階段 第一次啟動球磨機時，如果進料口的位置不在正確位置上，可手工點動使球磨機的進料口回到正確位置上，此時可以將原料放入球磨機內。原料裝入后，將轉位開關換到球磨，準備進入球磨階段。 設定球磨時間，如果沒有設定，將使用原來的時間設定值。按下啟動按鈕，啟動球磨機開始球磨。此時將顯示該球磨機處于球磨狀態，并且顯示剩余的球磨時間。 設定時間到后，球磨機自動停止，將顯示該球磨機球磨結束，處于卸料階段。 2）卸料階段 將進料口的蓋子換成帶柵格的卸料蓋，此時進料口變成卸料口，將轉換開關的位置打到卸料擋，啟動球磨機。此時顯示該臺球磨機處于卸料階段，并顯示卸料所需的剩余時間。設定時間到后，自動停止球磨機，并且卸料口處于正上方的位置。 要實現的主要功能： 1）球磨機嚴格按照工藝段設定時間停機； 2）故障情況下時間保持功能（即在故障恢復后能按照剩余未研磨時間繼續完成操作）； 3）具備運行工藝參數顯示、設定、記錄以及報警顯示、記錄功能； 4）自動歸位 為了提高生產效率，無需操作人員每次點動將進料口置于正確位置，球磨機每次停機后自動回到正確位置。 5）系統安全 操作人員要獲得相應權限的用戶名和密碼，才能進行正常的操作，并記錄下相關的信息。 為防止操作人員在現場的誤操作，設置監控授權；現場設備正常運行和處于檢修時，監控計算機上無權遠程操作。 6）系統能夠進行手動/自動選擇，遠程/就地啟動設備授權，各子系統互相獨立，不會因為一臺設備故障而影響整個系統的運行。 3.控制系統構成及配置 根據上述生產工藝流程及要求，本次對生產現場的6臺球磨機實現自動控制和監控管理。所要控制的是球磨、卸料兩個主要階段，控制對象全部為數字開關量，并遵循順序控制方式。6臺球磨機共48個輸入點和6個輸出點，具體是：系統啟動/停止、電機啟動/停止、電機故障、轉速傳感器、球磨/卸料、維修等開關量信號。 由于現場的的6臺球磨機分別放置在兩個房間， I/O點相對比較分散，因此設計的監控系統有監控計算機（上位機）、通訊連接網絡、下位機PLC+I/O、現場操作箱、球磨機組成。系統結構圖1所示： 3.1監控計算機 由研華IPC-610H工控機、17“顯示器和以太網交換機組成的監控計算機系統安裝在管理人員辦公室，主要實現生產工藝參數的顯示、處理和儲存，同時可以動態的顯示生產設備的運行狀況，是生產管理人員對生產進行掌控的有力工具。 監控計算機配置如下： 工控機 ：研華IPC610-H（P43.0GHz/1GB DDR2 667/160GB HD/16X DVD 系統軟件： WINDOWS XP SP2專業版 人機界面：組態王6.53 顯示器： 17“液晶 以太網交換機： D-LINK 8個10/100Mbps端口 3.2現場PLC控制系統及觸摸屏 PLC是本系統的核心，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，與現場操作箱組成現場控制系統。現場PLC的主要完成數據采集、定時運算等自動群控系統的各種功能，接收工控機的操作命令，控制電機的啟停；接受工控機的研磨、卸料時間參數，準確控制球磨時間，并在斷電時自動記憶狀態和時間；通過以太網通訊，將設備運行狀態實時傳至監控機。 3.3 I/O系統及網絡系統 I/O系統的功能是將現場的接觸器、傳感器、按鈕等設備的狀態進行采集并轉化成數字量信號，通過PROFIBUS-DP總線傳給主控PLC。本系統的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、點保護功能和很高的防水、防塵性能，擴展容易,適用于較分散的球磨現場。 傳輸速率達100Mbps的以太網和PROFIBUS-DP總線組成了網絡系統，負責PLC控制器和I/O模塊間的通訊以及PLC控制器和監控計算機間的通訊。PROFIBUS-DP總線具有較高數據傳輸率，允許高速度周期性的小批量數據通信，因此非常適用于對球磨時間控制要求很高的場合。 現場操作箱 現場操作箱雖處于控制系統的最底層，但卻是系統最重要的一個組成部分。操作人員通過操作箱上的按鈕、轉換開關、指示燈來控制球磨機的運行。在設備處于檢修狀態時，可通過上面的轉換開關將設備臨時脫離控制，保證設備的安全可靠。現場操作箱如下圖2所示： 4.實現球磨機自動控制的技術關鍵 本系統改造的是已使用幾十年的老舊設備，要將其與現在控制技術有機結合起來，實現球磨機除裝、卸料以外的自動運行，實現球磨時間的定時控制并保證在異常停電、機械故障等情況下，能實現自動補充完剩余的研磨時間，必須重點解決以下幾方面的問題，方能達到預期的改造目標。 4.1球磨機裝卸料位置的定點精確控制： 球磨機利用接近開關和感應元件，采用手動/自動兩種方式實現裝卸料位置的定點精確控制。在自動狀態時，無需人工干預，球磨機每次停機后都會自動回到正確位置；如果球磨機的進卸料口不在正確位置上，可在現場操作箱上將球磨機控制切換為手動，點動使球磨機的進卸料口回到正確位置。 具體方法是：在聯軸器部分的機殼上安裝一個接近開關，在聯軸器上安裝一個感應元件（鐵塊）。主控器PLC只有同時收到接近開關反饋的信號和停止指令時才能停止球磨機的運轉。圖3為接近開關和感應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： 因球磨工藝執行時間非常重要，如在無人監督的情況下隨意提前或推遲球磨的時間，或出現異常停電的情況都會造成球磨料的理化指標不合格，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行報警、記錄。設計采用上述安裝的接近開關和感應元件，精確檢測球磨電機運轉、啟停和故障斷電等狀態，由PLC可編程控制器來完成計數、運算、數據處理、時間累計、報警等功能，實現精確控制球磨機的運行時間。 5.軟件系統設計： 5.1上位監控系統 采用研華IPC-610H工控機，以中文Windows XP為操作平臺，充分利用WINDOWS系統的圖形功能；組態軟件采用北京亞控組態王V6.53，設計出操作簡單、直觀方便的人機界面。監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、報表系統等）。功能包括：顯示所有球磨機的運行狀態、設定時間、所處的工藝階段（球磨、卸料、歸位等）、實時報警信息、操作按鈕、授權登錄操作、單臺球磨機的全部信息等。如下圖4、5、6所示： 工控機部分具有的功能： （1）工藝人員可在監控計算機上輸入工藝規定的研磨時間、卸料時間，編制和發送、讀取現場的工藝數據。 （2）上控機上設有6臺球磨機的啟動、停止按鈕，當按鈕有動作時能相應地顯相應按鈕的狀態。顯示總球磨時間、當前已用時間、剩余時間、球磨次數等。 （3）上控機顯示球磨的工藝流程圖動畫和當前的運行狀態。 （4）可存儲常用的球磨工藝，工藝數量僅受硬盤容量的限制，可編制各種報表輸出。 （5）球磨機起、停按鈕時刻自動生成數據報表并實時更新，能實現工藝執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PLC控制軟件采用西門子Step7 V5.3和Wincc Flexible2005 觸摸屏編程軟件進行程序設計,按照球磨機工藝流程編制的PLC控制流程圖如下： 具有如下功能: （1）定時控制：球磨機處于手動人工控制和計算機自動控制時，均能實現準確的球磨、卸料時間計時功能，按規定的工藝時間進行控制。 （2）自動歸位：在自動和卸料運行時，能準確停止在上、下料的位置，手動點動狀態時，可在任何位置停機。 （3）根據設定的工藝時間精確控制球磨機的啟動、停止及卸料等操作，能自動進行各種故障判斷。 （4）配置在現場控制柜上的觸摸屏可手工編輯或調用監控計算機上的球磨工 藝，顯示球磨機當前運行狀態的各種參數。 （5）斷電時自動記憶已研磨時間，在PLC中可實現中途異常停電或人為斷電，記憶當時的時間及已經研磨的時間，當下次來電后再繼續未完的工藝時間。累計研磨時間達到預定時間時正常停止。 6.結論 本系統安裝在自貢硬質合金公司粉末分廠6臺球磨機上，實現了球磨、卸料時間的自動控制，對設備運行狀態和工藝執行情況實現了有效的監控管理。經過半年的實踐證明，系統完全實現了球磨機嚴格按照工藝段設定時間停機；故障情況下時間保持功能；具備運行工藝參數顯示、設定、記錄功能以及報警顯示記記憶；設備安全保障和獨立運行等。同時，還達到規范操作人員嚴格執行工藝紀律，提高球磨、卸料時間的控制精度（控制精度約1秒）的目的。本系統還具有控制分散、集中管理，結構小巧、執行速度高、擴展容易，操作方便、性能穩定可靠等特點，具有推廣應用價值。 參考文獻： 1、鄭晟 鞏建平 張學 現代可編程序控制器原理與應用 科學出版社2002年 2、《自動化信息》 中國自動化學會 四川省自動化與儀器儀表學會 2008-7 3、周盛安 硬質合金制造工藝學 2005年