煤礦傳送帶集中控制系統設計

馬鵬 張井崗 趙志誠 劉寧

(太原科技大學電子信息工程學院1,山西 太原 030024;山西省自動化研究所2,山西 太原 030012)

煤礦傳送帶集中控制系統設計

馬鵬1張井崗1趙志誠1劉寧2

(太原科技大學電子信息工程學院1,山西 太原 030024;山西省自動化研究所2,山西 太原 030012)

針對傳統煤礦傳送帶運輸系統存在的安全性、可靠性及靈活性等問題,設計了以CAN總線和PLC為核心的煤礦傳送帶集中控制系統。以研華IPC-610工業控制計算機作為上位機,三菱公司PLC作為下位機,并基于Wonderware公司的InTouch軟件設計了組態人機界面。某煤礦的投入運營表明,該系統提高了生產過程的自動化水平,減少了事故的發生率,確保了煤礦的安全生產。

傳送帶 集中控制 CAN總線 PLC InTouch

0 引言

煤礦傳送帶系統是煤礦生產的重要環節,它的安全、可靠、高效的運行是煤礦生產效益的重要保證。由于煤礦傳送帶具有運輸距離長、運輸量大、運輸條件復雜等特點[1],在煤礦生產運輸過程中不可避免地會出現一些潛在危險和故障情況的發生,而針對這些問題傳統的控制方法已不能勝任。因此,為了保證煤礦的安全生產,需要采用先進的技術手段實現對煤礦傳送帶的安全、可靠、高效的控制。目前,計算機技術、網絡技術、通信技術、工業控制技術的相互融合并在各行各業投入使用已經是一種發展趨勢[2-3]。而將這些技術應用的煤礦傳送帶系統中,可以顯著地提高整個煤礦的生產效能。

本文通過分析傳統煤礦傳送帶存在的安全性、可靠性、靈活性、高效性等方面的問題,基于以上技術,提出了煤礦傳送帶集中控制系統。集中控制系統采用美國Wonderware公司的InTouch組態軟件,上位機采用研華工控機,下位機采用三菱PLC,現場總線采用德國BOSCH公司的CAN總線。本集中控制系統結合工業電視系統和調度電話系統不僅實現了煤礦傳送帶的操作、調度、監測,而且實現煤礦生產過程的高效節能和自動化管理。

1 煤礦傳送帶系統組成

本設計主要針對煤礦井上部分上倉傳送帶、手選矸石傳送帶、末煤傳送帶、振動篩、電磁除鐵器、傳送帶制動器等進行集中管理與控制。上倉傳送帶驅動電機功率為90 kW,長度為170 m,水平傾角為17°;手選矸石傳送帶功率為4 kW,長度為30 m;末煤傳送帶驅動電機功率為7.5 kW,長度為30 m。原煤從井下到井上進行傳送帶運輸的過程中需要對集中控制系統中傳送帶及相關設備可能出現的跑遍、撕裂、煙霧、打滑、堆煤、溫度、煤位、張力等參數進行嚴密的監測和管理。系統的控制流程圖如圖1所示。

系統啟動前進行聲光報警,同時集中控制室的工作人員通過“擴播電話”裝置進行語音通知準備起車,以提醒現場工作人員盡快撤離危險區。起車形式采取逆煤流順序延時起車,即電磁除鐵器→手選矸石傳送帶→振動篩→上倉制動器→上倉傳送帶;停車形式采取順煤流順序延時停車,即上倉傳送帶→上倉制動器→振動篩→手選矸石傳送帶→電磁除鐵器。這樣可以避免堆煤、壓煤等情況。另外工作人員在設備每次完全停止后,進行斷電檢查,為下次啟動做準備。

圖1 系統控制流程圖Fig.1 The flowchart of system control

在運輸過程中,當系統中的任一設備出現故障時,可通過集中控制中心的操作臺或現場控制箱的控制按鈕實現緊急停車報警,其他設備也會緊急停車;同時,下位機PLC會把監測到的現場各設備數據信息實時地上傳到集中控制中心的工控機上并顯示出故障設備的信息。工作人員可立即采取措施進行維修、恢復工作。

2 監控系統結構

為了保證煤礦傳送帶安全、穩定、可靠地運行,充分遵循開放性、實時性、可擴展性、易操作性等設計原則,依據不同層所實現的功能和任務要求,采用3層網絡結構實現煤礦傳送帶的集中控制。3層網絡結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖Fig.2 Structure of the system

2.1 信息管理層

信息管理層是整個煤礦的遠程信息中心,也是整個煤礦監視、監測、調度、控制系統的中央控制室。信息管理層通過煤礦專用局域網與外部網絡進行信息交換,同時也可以對監控層、現場設備層及煤礦四周環境的相關數據進行數據調取和分析,為煤礦安全可靠的生產做出相關的管理和決策。信息管理層主要包括以下設備。

①系統顯示裝置:采用高清液晶電視模塊組成的電視墻,工作人員可以全方位、多層次、寬領域地觀察到生產現場及各相關部門的情況,便于協調部署,提高效率。

②工業以太網:工業以太網具有應用廣泛、通信速率高、成本低廉、性價比高、電磁兼容能力強、可持續發展潛力大等特點[4-5],被廣泛應用在工業、企業綜合自動化系統中。

③網絡之間的互聯采用Internet:Internet具有強大的資源獲取、查詢、搜索功能,可以滿足企業領導獲得第一手信息的要求。

④打印設備:根據相關要求,需要打印出各種報表、各種記錄及各種趨勢等。

⑤其他終端設備:企業根據煤礦系統發展情況可以增加相應終端設備擴展功能,以達到更好的管理、通信、查詢、搜索、服務等能力。

⑥系統服務器:數據服務器,對相關監控單元及設備的歷史數據實現數據庫管理;Web服務器,實現對相關的過程畫面、各種趨勢、各種報表等數據共享,同時,可實現對煤礦系統信息的網絡管理,以達到向上級實時或定期遠程匯報。

2.2 監控層

監控層采用C/S系統結構模式完成對煤礦井上傳送帶及現場設備的監測控制并實現對現場環境數據的分析與決策。監控層主要包括幾下幾方面內容。

①上位機:采用2臺研華公司生產的工控機作為上位機,其中一臺為Master工控機(主機),另一臺為Slave工控機(備用機),這2臺工控機互為冗余。

②打印機:實時的打印相關畫面及趨勢,便于用戶觀察和分析。

③CAN總線:CAN總線是一種現場總線,主要用于各種過程檢測及控制。CAN總線是一種串行數據通信協議,采用循環冗余校驗(CRC)和短數據幀,并能夠提供相應的錯誤處理功能,從而保證了數據通信的可靠性、實時性和靈活性[6-7]。

④RS-232總線:RS-232串口標準是一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準。由于現場中由于PLC與上位機的距離比較近,故采用RS-232總線作為二者之間的數據通信,達到事半功倍的效果。

⑤可編程控制器(PLC):系統下位機采用三菱PLC,三菱PLC具有配線少、安裝靈活、編程簡單、網絡功能強大、類型豐富、使用方便、有多種主基板和擴展基板供選擇等特點。

⑥工業電視系統:主要由實時圖像監視PC機、工業攝像機、傳輸設備、傳輸介質(光纖)、電視墻組成。為了更好地實現全天時觀察設備運行狀況,視頻信號采用光纖傳輸至控制中心并把信號以圖像形式在電視墻上放大顯示出來,便于直觀觀察相關動態信息。

⑦系統操作臺:在地面集控中心層設置了1臺系統操作臺,有“就地”/“集控”/“停止檢修”3種控制模式。“就地”時可以手動進行設備的啟停操作;“集控”時可以集中控制設備的啟停;“停止檢修”時,此模式具有最高權限,手動或自動形式操作,設備均不會動作。

⑧變頻器:通過變頻器實現對傳送帶驅動電機的變頻調速控制。

⑨本安多功能型擴播電話裝置:多功能“擴播電話機”裝置可以進行擴播通信、信號聯絡、起車預警。

2.3 現場設備層

現場設備層是各種傳感器監測、采集現場設備及環境數據通過CAN總線匯總到監控層,再由監控層做出實時的調整。系統采用的傳感器主要有跑偏傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、撕裂傳感器、打滑傳感器、斷帶傳感器、張力傳感器、電流傳感器、煤位傳感器等。

3 系統硬件和軟件設計

3.1 系統硬件設計

系統PLC硬件基本結構如圖3所示。

圖3 PLC硬件結構圖Fig.3 Hardware structure of PLC

集中控制系統的硬件主要采用可編程控制器PLC實現地面傳送帶及相關設備的啟、停控制,采用CAN總線進行數據信息的傳輸。PLC通過CAN總線控制現場傳感器及裝置采集有關轉速、電壓、電流、壓力、跑偏、煙霧、撕裂、打滑、煤位、溫度等參數。采集的數據信息進行分析、處理后再傳輸至上位機,上位機則直觀、動態地把數據信息顯示在顯示屏上,進而實現傳送帶及相關設備的控制、監測與管理。

可編程控制器PLC選用三菱Q系列PLC。該PLC采用了模塊化的結構形式,最大輸入輸出點數達到4 096點;最大程序存儲器容量可達252 kB,采用擴展存儲器后可以達到32 MB;基本指令的處理速度可以達到34 ns。

本文設計I/O點主要有91個,可以滿足集中控制系統的需要。

本文設計的CAN總線硬件節點結構圖如圖4所示,節點電路圖如圖5所示。CAN總線節點功能主要實現系統數據的采集和數據傳輸。節點CPU采用AT89C51微控制器,負責SJA1000的初始化,通過對SJA1000的控制實現數據的發送和接收;SJA1000為CAN總線控制器,主要實現數據的處理和協議的轉換;PC82C250為CAN總線收發器,對控制器提供差動接受能力,對總線提供差動發送能力[8];6N137為CAN總線光電隔離器,實現收發器與控制器之間的電氣隔離,CAN總線不同節點間電氣隔離,增強CAN總線的節點抗干擾能力[9]。

圖4 CAN總線硬件節點結構圖Fig.4 Structure of hardware node of CAN bus

圖5 CAN總線節點電路圖Fig.5 Circuitry of CAN bus node

3.2 系統軟件設計

本集中控制系統軟件主要由PLC可編程軟件和InTouch組態軟件組成,完成傳送帶相關設備的啟動、停止、保護控制。

3.2.1 PLC可編程軟件的設計

PLC編程軟件采用程序化設計,在系統運行過程中,通過程序控制實現傳送帶及相關設備的啟、停;在遇故障時,可由驅動程序驅動報警設備報警并實現停車。整個系統程序設計了主程序、保護程序、停止程序。

(1)主程序:主程序主要完成程序的控制方式選擇、設備的啟動及對檢修/事故發生的處理。系統準備就緒進行開機檢查,首先程序自行初始化并完成控制方式的選擇。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 The flowchart of main program

本程序設計了集中自動控制、就地控制和集中手動控制3種控制方式。

①集中自動控制:傳送帶及相關設備的啟動采用逆煤流順序延時啟動(時間根據情況的設定,下同),以避免堆煤情況的發生。

②就地控制:系統進入此控制方式,集中控制不再起作用。這種控制方式具有最高權限主要用于設備的維修和檢查,如遇事故,啟動聲光報警并禁止啟動;如遇設備檢修,啟動聲光報警,工作人員可快速反應進行設備檢查、調試,以免影響生產。

③集中手動控制:集中手動控制如圖7所示,設備的啟動同樣采用逆煤流啟動。為了測試設備能否正常啟動,需要工作人員參與集中控制啟動操作,如電磁除鐵器首先啟動,啟動正常則進入延時階段,準備下一設備啟動;啟動不正常則不會進入延時階段,后面的設備均不能啟動。以后各設備啟動同理。

圖7 集中手動控制程序流程圖Fig.7 Flowchart of centralized manual control program

(2)保護程序:保護程序主要實現系統運行過程中對傳送帶出現的跑偏、打滑、堆煤、撕裂等現象進行報警、停車或灑水保護。

(3)停止程序:停止程序主要控制設備順煤流順序延時停車,避免堆煤情況的發生影響生產;同時工作人員也可以直接在組態界面點擊某設備的控制按鈕,不經過延時控制設備的停車。

3.2.2 InTouch組態軟件的界面設計

集中控制系統充分利用InTouch組態軟件模塊化設計、靈活性好、穩定性高、易于實現等功能特點,進行軟件設計[10],實現了對傳送帶運輸系統中各設備監控、管理、可視化操作。集中控制系統主要組態界面設計如下。

①登錄界面設計

登陸界面是進入系統的必經之路,又是進入其他界面的先決條件。登陸界面主要設置了監控系統的名稱,登錄的用戶名、密碼、權限,不同工作人員的權限不同,有利于避免誤操作。

②系統主界面設計

在主界面上設置了報警界面、歷史趨勢界面、實時趨勢界面及系統各子界面的切換按鈕,可以實現它們與主界面之間的切換;當系統需要退出時,主界面設置了“退出”按鈕。通過不同界面,工作人員可以直觀地觀察各設備的運行情況。

4 系統實現的功能

集中控制系統的設計不僅實現了設備遠程控制,而且實現了設備的保護及設備相互間的閉鎖停車功能,為煤礦企業高產高效和智能化管理打下了堅實的基礎。

集中控制系統實現的功能如下。

①顯示功能:系統能夠實時顯示每臺設備開停、速度、電壓、電流、運行時間、故障類型、故障時間、故障位置等信息。

②控制功能:系統為了實現最大程度的保護功能和冗余功能,采用了集中自動控制、集中手動控制、就地控制這3種控制方式。

③故障診斷功能:通信網絡如CAN總線、以太網網絡等發生故障時,網絡能夠自檢出并發出報警;PLC的I/O模塊發生故障時,CPU會通過I/O模塊的狀態位偵測到故障及故障內容并發出報警[11]。

④語音通話功能:在控制室、生產現場、傳送帶沿線等地方安裝擴播電話裝置,能夠實現人員的相互溝通及聯絡,避免意外情況的發生。

⑤保護功能:系統帶有速度、過流的模擬量檢測。通過對系統自帶的速度傳感器信號的檢測,可以進行打滑、過速、欠速保護。

⑥查詢、打印功能:系統可以實現對其內各設備的參數進行查詢并根據需要把它們列表打印出來。系統主要提供了以下查詢,如報警查詢、斷電查詢、饋電異常查詢、調用查詢等。

⑦數據記錄功能:系統計算機可以實時對設備進行操作記錄、啟停記錄、電壓監測記錄、電流監測記錄、壓力監測記錄、故障記錄等。

⑧擴展功能:系統的硬件和軟件都留有一定的容量和接口,可以根據需要對他們進行擴展,使系統功能更豐富、更智能化、更人性化。

⑨網絡連接功能:集中控制系統與工業電視系統、調度電話系統等組成網絡納入整個煤礦局域網體系,這樣上級部門可以共享網絡體系的數據信息,也使得礦領導能夠及時地掌握下層信息并作出新的調整和部署。

⑩安全管理功能:集中控制中心的工作人員具有不同的系統操作權限,當要進入系統操作時,需要輸入自己的用戶名和密碼,這就避免了設備的誤動作,提高了系統的安全性。

5 結束語

本文設計的集中控制系統目前已投入運行,運行良好,達到了預期的設計要求。該集中控制系統的成功運用,實現了煤礦地面運輸系統的監管與控制,提高了煤礦的自動化管理水平,減少了人員配置和事故發生率,保證了煤礦生產的安全可靠。

[1] 王思文,張兆亞,張文能,等.基于PLC的帶式輸送機監控系統設計[J].煤炭科技,2008(2):76-78.

[2] 賈文琪,王雪.膠帶輸送機遠程監控系統的設計[J].工礦自動化,2010,36(12):83-85.

[3] 申相慶.煤礦皮帶地面遠程控制設計與實現[D].成都:電子科技大學,2010.

[4] 曹茂虹,徐釗,楊芬,等.基于工業以太網的煤礦綜合自動化系統[J].煤礦機電,2007(2):55-57.

[5] 張宇.基于工業以太環網的煤礦實時監測系統[D].北京:北京工業大學,2006.

[6] 蔣建文,林勇,韓江洪,等.CAN總線通信協議的分析和實現[J].計算機工程,2002,28(2):219-220,248.

[7] 顧苑婷.工業以太網和CAN現場總線在煤礦監控系統上的應用研究[D].上海:上海交通大學,2007.

[8] 趙曉軍,曹建坤,李可一,等.基于CAN總線的數據臂通信設計[J].自動化儀表,2010,31(5):13-15.

[9] 譚周文.基于CAN與無線射頻技術的煤礦監控系統設計[J].電腦知識與技術,2010,6(2):472-473.

[10] 高志安,郭峰,王峰,等.基于InTouch的帶式輸送機實時監控系統[J].煤礦機械,2008,29(12):120-122.

[11] 秦永康,黃和平.PLC集中控制系統在煤礦膠帶輸送機上的應用[J].工礦自動化,2011,37(2):98-100.

Design of the Centralized Control System for Coalmine Conveyor Belts

Aiming at the shortcomings of traditional coalmine conveyor transportation system,e.g.,the safety,reliability and flexibility,etc., the centralized control system for this application has been designed based on CAN bus and with PLC as the core.The system is composed of Advantech IPC-619 as the host computer,Mitsubishi PLC as the slave machine;and man machine interface is designed based on InTouch software from Wonderware.The system has been put into operation at certain coalmine,and improves the automation level of production process,reduces the incidence rate of accidents,ensures the safety of coalmine production.

Conveyer belt Centralized control CAN bus PLC InTouch

TD561

A

山西省科技攻關基金資助項目(編號:20130321003-01);

太原科技大學研究生科技創新基金資助項目(編號:20134013)。

馬鵬(1985-),男,現為太原科技大學電氣工程專業在讀碩士研究生;主要從事計算機測控系統與裝置方面的研究。