球磨机控制系统的设计
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systemhardwareplc模块配置对控制系统甲乙两侧球磨机数字量和模拟量进行分析和统计系统的i模拟量输入共计28个点包括球磨机负荷球磨机出入口差压球磨机入口负压球磨机出口负压粗粉分离器出口负压细粉分离器出口负压排粉机出口风压球磨机东电机电流球磨机西电机电流排粉机电机电流热风门开度反馈再循环风门开度反馈给煤机称重信号热风压力
图 1 控制系统总体架构 Fig． 1 Architecture of the control system 根据上述设计思想，系统的设计采用层次化结构。 由下而上分为检测环节、下层控制环节、上层控制及管 理环节 3 个部分。每个部分在结构上是横向分散的， 具有良好的可扩展性； 在设计上是独立的。它们通过 数据网络构成一个 有 机 的 整 体，使 其 具 有 高 效 率 的 安 全可靠机制、高开放性和易扩展性。检测环节： 包括各 种传感器和变送 器，主 要 完 成 现 场 信 号 测 量 。 下 层 控 制环节： 分为控制站和信号站，控制站主要完成上位机 和信号站的通信工作，信号站负责所有信号的采集、预 处理以及控制信号的输出。上层控制及管理环节： 上 层控制为两台工业控制计算机，一台为工程师站，一台 为操作员站。工程师 站 完 成 系 统 组 态 任 务 ，操 作 员 站 担负系统的实时监控任务。
球磨机控制系统，给出了系统的总体设计方案。控制系统采用西门子公司的 Simatic S7-400 PLC 和 S7-200 PLC 搭建，采用 Profibus DP
协议和 MPI 协议的混合组网方式，构成了一个小型 DCS 系统。运行结果表明，控制系统控制性能良好，运行安全稳定，系统基本维持
在较高的制粉力水平，提高了系统的自动化水平。
关键词： 球磨机系统 PLC DCS Profibus DP 协议 自动控制
中图分类号： TP273
文献标志码： A
Abstract： Ball mill control system （ BMS） is one of the MIMO systems，in order to effectively implement automatic control for the BMS，and
improve automation level and efficiency of the ball mills，the ball mill control system has been designed，and the overall design strategy of the
system is given． The control system is composed of Siemens Simatic S7-400 PLC and S7-200 PLC，and the hybrid networking mode using
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PＲOCESS AUTOMATION INSTＲUMENTATION Vol. 35 No. 4 April 2014
球磨机控制系统的设计 党宏社，等
度变化的影响。 ③ 磨制好的煤粉需要一定的通风量将其带出球
磨机，因此要保证最佳通风量，使尽可能多的磨制好的 煤粉都被送入煤 粉 仓，同 时 保 证 煤 粉 没 有 泄 漏 。 这 需 要对球磨机的入口风压进行控制。入口风压主要由再 循环风门开度的变化来控制［8 － 。 10］
修改稿收到日期： 2013 － 12 － 06。 第一作者党宏社（ 1962 － ） ，男，2003 年毕业于西安交通大学自动化 专业，获博士学位，教授； 主要从事工业过程智能控制、多源信息融合、数 字图像处理等方面的研究。
风温，但同时为了防止气粉混合物自燃的发生，又必须 严格控制出口风温不得超过最高值。出口风温主要通 过热风门的开度来调节，其同时也受到再循环风门开
② 模拟量 输 出 共 计 6 个 点，包 括 给 煤 机 控 制 信 号、热风门控制输出、再循环门控制输出。
确定 PLC 的输入输出点的数量后，根据需要选择 相应的模块。系统采用西门子 S7-400 PLC 作为控制 站，也 是 系 统 中 Profibus DP 和 多 点 接 口 （ multi-point interface，MPI） 网络的主站，是整个系统的核心控制设 备。针对现场实际情况，本文选择了 S7-400 系列 PLC 的 CPU 412-2。因为数据的采集和控制量的输出都在信 号站 S7-200 PLC 中完成，因此没有为 S7-400 配置模拟 量和数字量的 I / O 模块，只为其配备了机架、电源模块 以及 Profibus 通信电缆和接头。S7-200 PLC 作为信号 站，采用 CPU 224DC / DC / DC。在测温模块方面，选用 EM231 热电偶模块和 EM231 热电阻模块作为 CPU 224 的扩展； 在模拟量输入 / 输出方面，选用 EM235 AI4 / AO1 模块作为 S7-200 PLC 的扩展模块。系统上位机选用了 2 台研华工控机，型号都是研华 IPC-610，操作员站显示 器选择三星 TFT-LCD BW226 LCD 显示器，工程师站为 冠捷 778S CＲT 显示器。
4 系统软件设计
本系统软件设计由相应的 PLC 控制程序和在上 位计算机中运行的监控程序组成。系统的软件编写采 用的是 Siemens 公司的专用软件，包括系统硬件组态、 通信组态 和 系 统 软 件 的 编 写。控 制 程 序 的 编 写 采 用 Step 7 V5． 4 软件。 4． 1 系统网络设计
Profibus DP protocol and MPI protocol is adopted for structuring a small DCS． The result of operation shows that the control system features
excellent performance，stable operation，and higher pulverizing level，thus the automation level of the system is improved．
3 系统硬件设计
系统根据工艺及 控 制 性 能 要 求 ，采 用 西 门 子 公 司 的 S7 系列 PLC 进行控制。系统由工程师 / 操作员站、 控制站、信号站 3 个部分组成，其结构如图 2 所示。
由图 2 可以看出，这是一个小型集散控制系统，生 产管理级和操作管理级集中在 2 台上位机上，过程控 《自动化仪表》第 35 卷第 4 期 2014 年 4 月
球磨机控制系统的设计 党宏社，等
球磨机控制系统的设计
Design of the Control System for Ball Mills
党宏社 张 颖 王 刚
（ 陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021）
摘 要： 球磨机控制系统是一个多输入多输出系统，为了有效地实现球磨机系统的自动控制，提高自动化水平和球磨机效率，设计了
制站，IPC 构成系统操作站，这种方式可以形成与 DCS 相媲美的大型控制系统。FCS 是顺应智能现场仪表而 发展起来的一种开放性数字通信技术，具有开放性、互 操作性、分散性等特点，同时也促成了低成本、高性能 的信息网络———以太网向工业控制领域的渗透［5 －7］。
球磨机系统的控制任务如下。 ① 保证球磨机内存煤量接近最佳设定值，最佳存 煤量是提高系统经济运行的关键。存煤量是通过调节 给煤机的输煤量来控制的。 ② 为了提高球磨机的干燥出力，应尽量提高出口
2 控制系统整体设计
针对球磨机系统 控 制 要 求 和 实 际 生 产 情 况 ，在 比 较了目前常用的几种分布式控制系统结构的优缺点 后，本文采用 IPC + PLC + 工业以太网的分布式控制系 统结构进行系统的整体设计。该设计本着经济、实用、 先进的设 计 思 想，基 于 微 型 计 算 机 技 术、通 信 技 术 和 PLC 技术，满足系统便于扩展和维护的要求。控制系 统整体架构如图 1 所示。
中，S7-400 PLC 的地址为 3，工程师站和操作员站的地 址为 0 和 1，3 个节点都为主站。此外，在上位机还需 要配置 CP5611 通信卡。 4． 3 PLC 控制程序的开发
在 S7-200 PLC 中主要完成信号采集、滤波处理和 控制量的输出功能。为了使程序具有较好的可读性， 采用了结构化的编程方法，将各部分程序模块化； 同 时，为了安全运行的需要，启用了硬件模块的错误检查 功能。S7-400 PLC 中的程序从信号站 PLC 读取数据， S7-400 PLC 中的程序流程如图 3 所示。
是锅炉的主要辅助设备，其工作情况直接影响锅炉的 DCS） 、基于 IPC + PLC 的分布式控制系统和现场总线控
运行。球磨机系统在化工厂、火力发电厂、矿石开采和 冶炼当中都有广泛 的 应 用，并 且 球 磨 机 系 统 也 是 耗 电 大户，其用电量约占工厂用电的 15% ～ 25% 。因此， 球磨机系统的安全经济运行不仅直接影响到整个工厂 发电机组的安全性 和 可 靠 性，而 且 也 是 工 厂 节 能 降 耗 的重要途径［1 － 2］。
制系统（ fieldbus control system，FCS） 等。其中，工控机 在整体结构上还不能完全适应现场生产环境，系统的可 靠性不高，可维护性较差。DCS 适合应用在模拟量较多 的环境中，而且目前 DCS 系统一般用于比较庞大的连续 过程控制系统中，如石油化工等，成本较高。
在 IPC + PLC 控制系统结构中，PLC 构成系统控
此外，为了使工控机与西门子 Simatic 系统进行通 信，2 台工控机都配置了西门子公司的 PCI 接口 CP5611 通信卡。
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球磨机控制系统的设计 党宏社，等
3． 2 系统信号测量 系统需要测量的信号有球磨机负荷信号、相关的温
度信号和系统风压信号。对于球磨机负荷信号的测量， 系统采用磨音法。磨音检测仪放置在球磨机的筒体旁， 安装维护方便。磨音检测仪对采集的信号进行滤波、求 绝对值、积分、反向等处理，输出 4 ～ 20 mA 的标准信号。 对于球磨机系统相关的温度信号（ 均在 0 ～ 400 ℃ ） ，系 统选用 Pt100 热电阻测量除粉仓以外的温度信号，选用 K 型热电偶测量粉仓温度。对于系统风压信号，系统选 用电容式风压变送器进行测量，4 ～ 20 mA 输出，测量范 围为 0 ～ 6 kPa。
1 球磨机系统介绍
球磨机系统是由给煤机将原煤仓内的原煤送入球 磨机内，同时将热风也送入球磨机。经过破碎研磨，磨 制好的煤粉被气流送出去。从球磨机出来的是气粉混 合物，经粗粉分离器分离后，过粗的煤粉重新返回球磨 机入口进行再研磨。合格的煤粉被带入细分分离器进 行气粉分离，再次 合 格 的 煤 粉 落 入 煤 粉 仓 。 根 据 锅 炉 负荷的需要，给粉机将煤粉仓中的煤粉输入一次风管， 再送入炉内燃烧［3 － 4］。
图 2 系统硬件结构图 Fig． 2 Structure of the system hardware
3． 1 PLC 模块配置 对控制系统甲、乙两侧球磨机数字量和模拟量进
行分析和统计，系统的 I / O 点总体概括如下。 ① 模拟量输入共计 28 个点，包括球磨机负荷、球
磨机出入口差压、球磨机入口负压、球磨机出口负压、 粗粉分离器出口负压、细粉分离器出口负压、排粉机出 口风压、球磨机东电机电流、球磨机西电机电流、排粉 机电机电流、热风门开度反馈、再循环风门开度反馈、 给煤机称重信号、热风压力。
Keywords： Ball mill system PLC DCS Profibus DP protocol Automatic control
0 引言
目前，国内外球磨机系统控制的主要形式有： 基于 工控机（ industrial personal computer，IPC） 的分布式控制
球磨机系统是现代工业生产中的重要组成环节， 系统、一般的集散控制系统（ distributed control system，
制级通过 3 台 PLC 来完成，2 台 S7-200 PLC 采集系统 的模拟、开关信号，并将控制的输出信号输出到执行机 构，1 台 S7-400 PLC 完成系统的数据通信。这样，控制 前端可以独立实现 对 制 粉 系 统 的 控 制 ，上 位 机 的 故 障 不会影响到 PLC 的控制，极大增强了系统的可靠性， 而且系统扩展方便。
图 1 控制系统总体架构 Fig． 1 Architecture of the control system 根据上述设计思想，系统的设计采用层次化结构。 由下而上分为检测环节、下层控制环节、上层控制及管 理环节 3 个部分。每个部分在结构上是横向分散的， 具有良好的可扩展性； 在设计上是独立的。它们通过 数据网络构成一个 有 机 的 整 体，使 其 具 有 高 效 率 的 安 全可靠机制、高开放性和易扩展性。检测环节： 包括各 种传感器和变送 器，主 要 完 成 现 场 信 号 测 量 。 下 层 控 制环节： 分为控制站和信号站，控制站主要完成上位机 和信号站的通信工作，信号站负责所有信号的采集、预 处理以及控制信号的输出。上层控制及管理环节： 上 层控制为两台工业控制计算机，一台为工程师站，一台 为操作员站。工程师 站 完 成 系 统 组 态 任 务 ，操 作 员 站 担负系统的实时监控任务。
球磨机控制系统，给出了系统的总体设计方案。控制系统采用西门子公司的 Simatic S7-400 PLC 和 S7-200 PLC 搭建，采用 Profibus DP
协议和 MPI 协议的混合组网方式，构成了一个小型 DCS 系统。运行结果表明，控制系统控制性能良好，运行安全稳定，系统基本维持
在较高的制粉力水平，提高了系统的自动化水平。
关键词： 球磨机系统 PLC DCS Profibus DP 协议 自动控制
中图分类号： TP273
文献标志码： A
Abstract： Ball mill control system （ BMS） is one of the MIMO systems，in order to effectively implement automatic control for the BMS，and
improve automation level and efficiency of the ball mills，the ball mill control system has been designed，and the overall design strategy of the
system is given． The control system is composed of Siemens Simatic S7-400 PLC and S7-200 PLC，and the hybrid networking mode using
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PＲOCESS AUTOMATION INSTＲUMENTATION Vol. 35 No. 4 April 2014
球磨机控制系统的设计 党宏社，等
度变化的影响。 ③ 磨制好的煤粉需要一定的通风量将其带出球
磨机，因此要保证最佳通风量，使尽可能多的磨制好的 煤粉都被送入煤 粉 仓，同 时 保 证 煤 粉 没 有 泄 漏 。 这 需 要对球磨机的入口风压进行控制。入口风压主要由再 循环风门开度的变化来控制［8 － 。 10］
修改稿收到日期： 2013 － 12 － 06。 第一作者党宏社（ 1962 － ） ，男，2003 年毕业于西安交通大学自动化 专业，获博士学位，教授； 主要从事工业过程智能控制、多源信息融合、数 字图像处理等方面的研究。
风温，但同时为了防止气粉混合物自燃的发生，又必须 严格控制出口风温不得超过最高值。出口风温主要通 过热风门的开度来调节，其同时也受到再循环风门开
② 模拟量 输 出 共 计 6 个 点，包 括 给 煤 机 控 制 信 号、热风门控制输出、再循环门控制输出。
确定 PLC 的输入输出点的数量后，根据需要选择 相应的模块。系统采用西门子 S7-400 PLC 作为控制 站，也 是 系 统 中 Profibus DP 和 多 点 接 口 （ multi-point interface，MPI） 网络的主站，是整个系统的核心控制设 备。针对现场实际情况，本文选择了 S7-400 系列 PLC 的 CPU 412-2。因为数据的采集和控制量的输出都在信 号站 S7-200 PLC 中完成，因此没有为 S7-400 配置模拟 量和数字量的 I / O 模块，只为其配备了机架、电源模块 以及 Profibus 通信电缆和接头。S7-200 PLC 作为信号 站，采用 CPU 224DC / DC / DC。在测温模块方面，选用 EM231 热电偶模块和 EM231 热电阻模块作为 CPU 224 的扩展； 在模拟量输入 / 输出方面，选用 EM235 AI4 / AO1 模块作为 S7-200 PLC 的扩展模块。系统上位机选用了 2 台研华工控机，型号都是研华 IPC-610，操作员站显示 器选择三星 TFT-LCD BW226 LCD 显示器，工程师站为 冠捷 778S CＲT 显示器。
4 系统软件设计
本系统软件设计由相应的 PLC 控制程序和在上 位计算机中运行的监控程序组成。系统的软件编写采 用的是 Siemens 公司的专用软件，包括系统硬件组态、 通信组态 和 系 统 软 件 的 编 写。控 制 程 序 的 编 写 采 用 Step 7 V5． 4 软件。 4． 1 系统网络设计
Profibus DP protocol and MPI protocol is adopted for structuring a small DCS． The result of operation shows that the control system features
excellent performance，stable operation，and higher pulverizing level，thus the automation level of the system is improved．
3 系统硬件设计
系统根据工艺及 控 制 性 能 要 求 ，采 用 西 门 子 公 司 的 S7 系列 PLC 进行控制。系统由工程师 / 操作员站、 控制站、信号站 3 个部分组成，其结构如图 2 所示。
由图 2 可以看出，这是一个小型集散控制系统，生 产管理级和操作管理级集中在 2 台上位机上，过程控 《自动化仪表》第 35 卷第 4 期 2014 年 4 月
球磨机控制系统的设计 党宏社，等
球磨机控制系统的设计
Design of the Control System for Ball Mills
党宏社 张 颖 王 刚
（ 陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021）
摘 要： 球磨机控制系统是一个多输入多输出系统，为了有效地实现球磨机系统的自动控制，提高自动化水平和球磨机效率，设计了
制站，IPC 构成系统操作站，这种方式可以形成与 DCS 相媲美的大型控制系统。FCS 是顺应智能现场仪表而 发展起来的一种开放性数字通信技术，具有开放性、互 操作性、分散性等特点，同时也促成了低成本、高性能 的信息网络———以太网向工业控制领域的渗透［5 －7］。
球磨机系统的控制任务如下。 ① 保证球磨机内存煤量接近最佳设定值，最佳存 煤量是提高系统经济运行的关键。存煤量是通过调节 给煤机的输煤量来控制的。 ② 为了提高球磨机的干燥出力，应尽量提高出口
2 控制系统整体设计
针对球磨机系统 控 制 要 求 和 实 际 生 产 情 况 ，在 比 较了目前常用的几种分布式控制系统结构的优缺点 后，本文采用 IPC + PLC + 工业以太网的分布式控制系 统结构进行系统的整体设计。该设计本着经济、实用、 先进的设 计 思 想，基 于 微 型 计 算 机 技 术、通 信 技 术 和 PLC 技术，满足系统便于扩展和维护的要求。控制系 统整体架构如图 1 所示。
中，S7-400 PLC 的地址为 3，工程师站和操作员站的地 址为 0 和 1，3 个节点都为主站。此外，在上位机还需 要配置 CP5611 通信卡。 4． 3 PLC 控制程序的开发
在 S7-200 PLC 中主要完成信号采集、滤波处理和 控制量的输出功能。为了使程序具有较好的可读性， 采用了结构化的编程方法，将各部分程序模块化； 同 时，为了安全运行的需要，启用了硬件模块的错误检查 功能。S7-400 PLC 中的程序从信号站 PLC 读取数据， S7-400 PLC 中的程序流程如图 3 所示。
是锅炉的主要辅助设备，其工作情况直接影响锅炉的 DCS） 、基于 IPC + PLC 的分布式控制系统和现场总线控
运行。球磨机系统在化工厂、火力发电厂、矿石开采和 冶炼当中都有广泛 的 应 用，并 且 球 磨 机 系 统 也 是 耗 电 大户，其用电量约占工厂用电的 15% ～ 25% 。因此， 球磨机系统的安全经济运行不仅直接影响到整个工厂 发电机组的安全性 和 可 靠 性，而 且 也 是 工 厂 节 能 降 耗 的重要途径［1 － 2］。
制系统（ fieldbus control system，FCS） 等。其中，工控机 在整体结构上还不能完全适应现场生产环境，系统的可 靠性不高，可维护性较差。DCS 适合应用在模拟量较多 的环境中，而且目前 DCS 系统一般用于比较庞大的连续 过程控制系统中，如石油化工等，成本较高。
在 IPC + PLC 控制系统结构中，PLC 构成系统控
此外，为了使工控机与西门子 Simatic 系统进行通 信，2 台工控机都配置了西门子公司的 PCI 接口 CP5611 通信卡。
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球磨机控制系统的设计 党宏社，等
3． 2 系统信号测量 系统需要测量的信号有球磨机负荷信号、相关的温
度信号和系统风压信号。对于球磨机负荷信号的测量， 系统采用磨音法。磨音检测仪放置在球磨机的筒体旁， 安装维护方便。磨音检测仪对采集的信号进行滤波、求 绝对值、积分、反向等处理，输出 4 ～ 20 mA 的标准信号。 对于球磨机系统相关的温度信号（ 均在 0 ～ 400 ℃ ） ，系 统选用 Pt100 热电阻测量除粉仓以外的温度信号，选用 K 型热电偶测量粉仓温度。对于系统风压信号，系统选 用电容式风压变送器进行测量，4 ～ 20 mA 输出，测量范 围为 0 ～ 6 kPa。
1 球磨机系统介绍
球磨机系统是由给煤机将原煤仓内的原煤送入球 磨机内，同时将热风也送入球磨机。经过破碎研磨，磨 制好的煤粉被气流送出去。从球磨机出来的是气粉混 合物，经粗粉分离器分离后，过粗的煤粉重新返回球磨 机入口进行再研磨。合格的煤粉被带入细分分离器进 行气粉分离，再次 合 格 的 煤 粉 落 入 煤 粉 仓 。 根 据 锅 炉 负荷的需要，给粉机将煤粉仓中的煤粉输入一次风管， 再送入炉内燃烧［3 － 4］。
图 2 系统硬件结构图 Fig． 2 Structure of the system hardware
3． 1 PLC 模块配置 对控制系统甲、乙两侧球磨机数字量和模拟量进
行分析和统计，系统的 I / O 点总体概括如下。 ① 模拟量输入共计 28 个点，包括球磨机负荷、球
磨机出入口差压、球磨机入口负压、球磨机出口负压、 粗粉分离器出口负压、细粉分离器出口负压、排粉机出 口风压、球磨机东电机电流、球磨机西电机电流、排粉 机电机电流、热风门开度反馈、再循环风门开度反馈、 给煤机称重信号、热风压力。
Keywords： Ball mill system PLC DCS Profibus DP protocol Automatic control
0 引言
目前，国内外球磨机系统控制的主要形式有： 基于 工控机（ industrial personal computer，IPC） 的分布式控制
球磨机系统是现代工业生产中的重要组成环节， 系统、一般的集散控制系统（ distributed control system，
制级通过 3 台 PLC 来完成，2 台 S7-200 PLC 采集系统 的模拟、开关信号，并将控制的输出信号输出到执行机 构，1 台 S7-400 PLC 完成系统的数据通信。这样，控制 前端可以独立实现 对 制 粉 系 统 的 控 制 ，上 位 机 的 故 障 不会影响到 PLC 的控制，极大增强了系统的可靠性， 而且系统扩展方便。