关键词： 球磨/卸料时间 自动控制 监控系统
1.前言：
硬质合金原料的生产过程由多道工序组成，其中球磨工序的物料研磨时间是非常重要的一个工艺参数。如随意提前或推迟球磨机各个工艺段的执行时间，在停电、机械故障等情况下无法按照设定的时间进行球磨，或未能及时发现并继续执行尚余的研磨时间，均会造成球磨料的理化指标不合格，影响后续的生产，产品质量也无法得到保证。目前，硬质合金生产厂都是采用各种球磨机来完成WC原料的研磨，通过不同的研磨时间，生产出硬质合金所需的粉末料。我公司球磨机种类繁多，设备大多已使用了几十年，原采用人工定时控制方式，不仅技术落后，使球磨工艺时间的控制随意性极大，产品质量的好坏完全取决于操作工的素质和责任心；而且对设备的运行状况以及生产过程也不能进行有效的监控和管理。为此，我们设计了一套以西门子S7 300 PLC为核心的控制系统，对该类设备进行技术改造。增加相应的自动检测控制手段，改变控制和管理模式，消除人为因素对产品质量波动造成的不利影响，确保下达的球磨工艺得以不折不扣的执行，球磨时间的控制精度得以提高，达到改善产品质量的目的。
2.球磨工艺流程及功能要求
球磨机的主要功能就是将块状的物料经过球磨机转动，在球磨机内和磨球互相作用，磨成粉末状。工艺过程如下：
装入原料—盖上无缝盖—启动球磨机—时间到—停止球磨—自动或点动将进料口朝上—换成卸料栅盖—启动球磨机－－时间到—卸料完成，生产完成。
1）球磨阶段
第一次启动球磨机时，如果进料口的位置不在正确位置上，可手工点动使球磨机的进料口回到正确位置上，此时可以将原料放入球磨机内。原料装入后，将转位开关换到球磨，准备进入球磨阶段。
设定球磨时间，如果没有设定，将使用原来的时间设定值。按下启动按钮，启动球磨机开始球磨。此时将显示该球磨机处于球磨状态，并且显示剩余的球磨时间。
设定时间到后，球磨机自动停止，将显示该球磨机球磨结束，处于卸料阶段。
2）卸料阶段
将进料口的盖子换成带栅格的卸料盖，此时进料口变成卸料口，将转换开关的位置打到卸料挡，启动球磨机。此时显示该台球磨机处于卸料阶段，并显示卸料所需的剩余时间。设定时间到后，自动停止球磨机，并且卸料口处于正上方的位置。
要实现的主要功能：
1）球磨机严格按照工艺段设定时间停机；
2）故障情况下时间保持功能（即在故障恢复后能按照剩余未研磨时间继续完成操作）；
3）具备运行工艺参数显示、设定、记录以及报警显示、记录功能；
4）自动归位
为了提高生产效率，无需操作人员每次点动将进料口置于正确位置，球磨机每次停机后自动回到正确位置。
5）系统安全
操作人员要获得相应权限的用户名和密码，才能进行正常的操作，并记录下相关的信息。
为防止操作人员在现场的误操作，设置监控授权；现场设备正常运行和处于检修时，监控计算机上无权远程操作。
6）系统能够进行手动/自动选择，远程/就地启动设备授权，各子系统互相独立，不会因为一台设备故障而影响整个系统的运行。
3.控制系统构成及配置
根据上述生产工艺流程及要求，本次对生产现场的6台球磨机实现自动控制和监控管理。所要控制的是球磨、卸料两个主要阶段，控制对象全部为数字开关量，并遵循顺序控制方式。6台球磨机共48个输入点和6个输出点，具体是：系统启动/停止、电机启动/停止、电机故障、转速传感器、球磨/卸料、维修等开关量信号。
由于现场的的6台球磨机分别放置在两个房间， I/O点相对比较分散，因此设计的监控系统有监控计算机（上位机）、通讯连接网络、下位机PLC+I/O、现场操作箱、球磨机组成。系统结构图1所示：
3.1监控计算机
由研华IPC-610H工控机、17“显示器和以太网交换机组成的监控计算机系统安装在管理人员办公室，主要实现生产工艺参数的显示、处理和储存，同时可以动态的显示生产设备的运行状况，是生产管理人员对生产进行掌控的有力工具。
监控计算机配置如下：
工控机 ：研华IPC610-H（P43.0GHz/1GB DDR2 667/160GB HD/16X DVD
系统软件： WINDOWS XP SP2专业版
人机界面：组态王6.53
显示器： 17“液晶
以太网交换机： D-LINK 8个10/100Mbps端口
3.2现场PLC控制系统及触摸屏
PLC是本系统的核心，配置了一台西门子S7 313C-2DP及2台TP270 10.4"触摸屏，6个I/O模块，与现场操作箱组成现场控制系统。现场PLC的主要完成数据采集、定时运算等自动群控系统的各种功能，接收工控机的操作命令，控制电机的启停；接受工控机的研磨、卸料时间参数，准确控制球磨时间，并在断电时自动记忆状态和时间；通过以太网通讯，将设备运行状态实时传至监控机。
3.3 I/O系统及网络系统
I/O系统的功能是将现场的接触器、传感器、按钮等设备的状态进行采集并转化成数字量信号，通过PROFIBUS-DP总线传给主控PLC。本系统的I/O模块为图尔克公司PDP（BL20）输入模块：2块16点，输出模块：4块2点。I/O模块具有点诊断、点保护功能和很高的防水、防尘性能，扩展容易,适用于较分散的球磨现场。
传输速率达100Mbps的以太网和PROFIBUS-DP总线组成了网络系统，负责PLC控制器和I/O模块间的通讯以及PLC控制器和监控计算机间的通讯。PROFIBUS-DP总线具有较高数据传输率，允许高速度周期性的小批量数据通信，因此非常适用于对球磨时间控制要求很高的场合。
现场操作箱
现场操作箱虽处于控制系统的最底层，但却是系统最重要的一个组成部分。操作人员通过操作箱上的按钮、转换开关、指示灯来控制球磨机的运行。在设备处于检修状态时，可通过上面的转换开关将设备临时脱离控制，保证设备的安全可靠。现场操作箱如下图2所示：
4.实现球磨机自动控制的技术关键
本系统改造的是已使用几十年的老旧设备，要将其与现在控制技术有机结合起来，实现球磨机除装、卸料以外的自动运行，实现球磨时间的定时控制并保证在异常停电、机械故障等情况下，能实现自动补充完剩余的研磨时间，必须重点解决以下几方面的问题，方能达到预期的改造目标。
4.1球磨机装卸料位置的定点精确控制：
球磨机利用接近开关和感应元件，采用手动/自动两种方式实现装卸料位置的定点精确控制。在自动状态时，无需人工干预，球磨机每次停机后都会自动回到正确位置；如果球磨机的进卸料口不在正确位置上，可在现场操作箱上将球磨机控制切换为手动，点动使球磨机的进卸料口回到正确位置。
具体方法是：在联轴器部分的机壳上安装一个接近开关，在联轴器上安装一个感应元件（铁块）。主控器PLC只有同时收到接近开关反馈的信号和停止指令时才能停止球磨机的运转。图3为接近开关和感应元件的安装位置示意。
4.2球磨时间、卸料时间的精确控制及异常断电报警、记录：
因球磨工艺执行时间非常重要，如在无人监督的情况下随意提前或推迟球磨的时间，或出现异常停电的情况都会造成球磨料的理化指标不合格，为此必须对球磨时间、卸料时间的精确控制及异常断电情况进行报警、记录。设计采用上述安装的接近开关和感应元件，精确检测球磨电机运转、启停和故障断电等状态，由PLC可编程控制器来完成计数、运算、数据处理、时间累计、报警等功能，实现精确控制球磨机的运行时间。
5.软件系统设计：
5.1上位监控系统
采用研华IPC-610H工控机，以中文Windows XP为操作平台，充分利用WINDOWS系统的图形功能；组态软件采用北京亚控组态王V6.53，设计出操作简单、直观方便的人机界面。监控画面主体为一个总貌图，6个分画面和若干辅助画面（如记录显示画面、报警一览画面、报表系统等）。功能包括：显示所有球磨机的运行状态、设定时间、所处的工艺阶段（球磨、卸料、归位等）、实时报警信息、操作按钮、授权登录操作、单台球磨机的全部信息等。如下图4、5、6所示：
工控机部分具有的功能：
（1）工艺人员可在监控计算机上输入工艺规定的研磨时间、卸料时间，编制和发送、读取现场的工艺数据。
（2）上控机上设有6台球磨机的启动、停止按钮，当按钮有动作时能相应地显相应按钮的状态。显示总球磨时间、当前已用时间、剩余时间、球磨次数等。
（3）上控机显示球磨的工艺流程图动画和当前的运行状态。
（4）可存储常用的球磨工艺，工艺数量仅受硬盘容量的限制，可编制各种报表输出。
（5）球磨机起、停按钮时刻自动生成数据报表并实时更新，能实现工艺执行情况的追溯和查询。
（6）各种生成报表及报警信息的保存、显示和查询。
5.2下位机PLC控制软件采用西门子Step7 V5.3和Wincc Flexible2005 触摸屏编程软件进行程序设计,按照球磨机工艺流程编制的PLC控制流程图如下：
具有如下功能:
（1）定时控制：球磨机处于手动人工控制和计算机自动控制时，均能实现准确的球磨、卸料时间计时功能，按规定的工艺时间进行控制。
（2）自动归位：在自动和卸料运行时，能准确停止在上、下料的位置，手动点动状态时，可在任何位置停机。
（3）根据设定的工艺时间精确控制球磨机的启动、停止及卸料等操作，能自动进行各种故障判断。
（4）配置在现场控制柜上的触摸屏可手工编辑或调用监控计算机上的球磨工
艺，显示球磨机当前运行状态的各种参数。
（5）断电时自动记忆已研磨时间，在PLC中可实现中途异常停电或人为断电，记忆当时的时间及已经研磨的时间，当下次来电后再继续未完的工艺时间。累计研磨时间达到预定时间时正常停止。
6.结论
本系统安装在自贡硬质合金公司粉末分厂6台球磨机上，实现了球磨、卸料时间的自动控制，对设备运行状态和工艺执行情况实现了有效的监控管理。经过半年的实践证明，系统完全实现了球磨机严格按照工艺段设定时间停机；故障情况下时间保持功能；具备运行工艺参数显示、设定、记录功能以及报警显示记记忆；设备安全保障和独立运行等。同时，还达到规范操作人员严格执行工艺纪律，提高球磨、卸料时间的控制精度（控制精度约1秒）的目的。本系统还具有控制分散、集中管理，结构小巧、执行速度高、扩展容易，操作方便、性能稳定可靠等特点，具有推广应用价值。
参考文献：
1、郑晟 巩建平 张学 现代可编程序控制器原理与应用 科学出版社2002年
2、《自动化信息》 中国自动化学会 四川省自动化与仪器仪表学会 2008-7
3、周盛安 硬质合金制造工艺学 2005年
