錢家營礦850空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張海坡

(開灤錢家營礦業(yè)分公司,河北唐山 063300)

錢家營礦850空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張海坡

(開灤錢家營礦業(yè)分公司,河北唐山 063300)

錢家營礦850空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)充分考慮現(xiàn)有設(shè)備的性能及相關(guān)信息,應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等通過對(duì)原有系統(tǒng)的升級(jí)改造,通過MCGS工控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)多臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行的空壓機(jī)集中遠(yuǎn)程控制,將該系統(tǒng)納入礦井綜合自動(dòng)化控制平臺(tái),實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)各種保護(hù)、報(bào)警、監(jiān)控功能。

計(jì)算機(jī)控制技術(shù) MCGS工控組態(tài)軟件 空壓機(jī)集中遠(yuǎn)程控制

錢家營礦850空壓機(jī)以前的控制方法是：單臺(tái)獨(dú)立控制，單純靠人工開停機(jī)，不能很好地控制空壓機(jī)的運(yùn)行，很難保證壓縮空氣的供氣質(zhì)量，同時(shí)加大了操作維護(hù)人員的工作量，對(duì)空壓機(jī)的使用壽命也有很大的影響。本設(shè)計(jì)應(yīng)用PLC、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)電視技術(shù)、光纖通訊技術(shù)和電力電子技術(shù)將多臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行的空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)地面集控室集中遠(yuǎn)程控制，采集處理電機(jī)電流、電壓信號(hào)，溫度、壓力信號(hào)，并上傳后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)各種保護(hù)、報(bào)警、監(jiān)控功能。充分發(fā)揮出各臺(tái)空壓機(jī)的性能，使系統(tǒng)在保證供氣質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能運(yùn)行，保證各種保護(hù)有效可靠，延長空壓機(jī)的使用壽命，有利于空壓機(jī)的維護(hù)。

1 空壓機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)集中控制系統(tǒng)組成有上位監(jiān)控主機(jī)、PLC下位機(jī)、各種檢測(cè)傳感器、交換機(jī)、視頻攝像機(jī)等組成。上位工控機(jī)系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、后備電源(UPS)、打印機(jī)等組成。PLC下位機(jī)系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)PLC控制系統(tǒng)選用西門子S7-300系列可編程序控制器作為監(jiān)控核心。與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊采用MPI或工業(yè)以太網(wǎng)。該部分主要是根據(jù)設(shè)定的操作方式，實(shí)時(shí)采集總管空氣壓力自動(dòng)控制各臺(tái)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行及保護(hù)功能。現(xiàn)場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)物理量信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳送給CPU。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器較多，如壓力、溫度、電流、電壓、功率、電量等。為減少傳輸誤差，提高檢測(cè)精度，均選用帶變送器，并配以二線制RVVP電纜單獨(dú)傳送，以進(jìn)一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。壓力變送器采用GPT系列變送器。

圖1

圖2

2 控制系統(tǒng)主要功能

2.1 系統(tǒng)采集的各種數(shù)據(jù)

(1)實(shí)時(shí)采集壓風(fēng)機(jī)油壓、冷卻水壓力、排氣壓力、排氣溫度、運(yùn)行累時(shí)；風(fēng)包壓力、風(fēng)包溫度、主壓風(fēng)管路壓力。(2)監(jiān)測(cè)冷卻水系統(tǒng)，包括：水壓、進(jìn)回水溫度、水泵電機(jī)起停等。(3)實(shí)時(shí)采集電機(jī)運(yùn)行三相電壓、電流等參數(shù)和曲線。(4)斷路器、壓風(fēng)機(jī)開停等開關(guān)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)，及顯示壓風(fēng)機(jī)、電機(jī)的各種報(bào)警信息。

2.2 保護(hù)功能

具有電機(jī)保護(hù)、壓風(fēng)機(jī)保護(hù)、風(fēng)包保護(hù)通訊故障、防止誤操作、非法操作保護(hù)等功能，各種故障記錄自動(dòng)語音報(bào)警，有動(dòng)畫圖象、文字窗口、聲音提示，壓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前，在現(xiàn)場(chǎng)有語音和文字告警顯示功能，具有壓風(fēng)機(jī)房內(nèi)煙霧保護(hù)功能。

2.3 控制功能

(1)遠(yuǎn)程控制：具有權(quán)限的用戶通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作。(2)在壓風(fēng)機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)有獨(dú)立的操作控制柜，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停、手動(dòng)和集控，在控制柜上有觸摸屏、用觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制和顯示壓風(fēng)機(jī)的各種參數(shù)。(3)在控制柜上有急停按鈕，無論在什么控制方式下，都能夠控制設(shè)備的停車。(4)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的故障檢測(cè)、保護(hù)動(dòng)作以后，設(shè)備立即停止運(yùn)行，防止事故擴(kuò)大。(5)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下組態(tài)軟件上的模擬緊急停車按鈕或現(xiàn)場(chǎng)控制柜上的急停按鈕，設(shè)備立即停止運(yùn)行。(6)能夠自動(dòng)根據(jù)系統(tǒng)壓力調(diào)整增減壓風(fēng)機(jī)的開停臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)間聯(lián)動(dòng)。(7)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障停車或傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)報(bào)警的設(shè)備和部位作出相應(yīng)的聯(lián)鎖停機(jī)處理，避免事故擴(kuò)大，與此同時(shí)，工控機(jī)大屏幕上發(fā)出相應(yīng)的圖形、文字報(bào)警信息，系統(tǒng)能自動(dòng)顯示、記錄和打印故障性質(zhì)及發(fā)生故障時(shí)間，并且在歷史記錄中可以查詢。(8)在地面隨時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)攝像儀，便于觀察壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。(9)冷卻水泵有灌水用的進(jìn)水閥、出水閥、各臺(tái)壓風(fēng)機(jī)有進(jìn)出水閥門、風(fēng)包的進(jìn)出風(fēng)閥門，各臺(tái)壓風(fēng)機(jī)的出風(fēng)閥門，并要有手動(dòng)和電動(dòng)兩種操作功能，各種閥門帶信號(hào)回饋。

2.4 空壓機(jī)聯(lián)動(dòng)功能

(1)在聯(lián)控狀態(tài)下，根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)識(shí)別并判斷開停壓風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)。(2)當(dāng)任一臺(tái)壓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障停車時(shí)，能夠自動(dòng)識(shí)別故障機(jī)，使其退出聯(lián)控。

2.5 網(wǎng)絡(luò)功能

(1)提供開放式的數(shù)字化信息平臺(tái)通訊接口，可接入礦井工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程操作。(2)提供WEB服務(wù)器，可遠(yuǎn)程瀏覽查詢壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.6 系統(tǒng)自檢測(cè)和冗錯(cuò)功能

節(jié)點(diǎn)設(shè)備通訊失敗、設(shè)備工作異常告警、具有網(wǎng)絡(luò)自診斷和自恢復(fù)功能，自動(dòng)屏蔽用戶的非法操作、誤操作。

3 組態(tài)界面的設(shè)計(jì)

3.1 流程畫面的建立

按“新建窗口”按鈕，或執(zhí)行菜單中的“插入”→“用戶窗口”命令，即可創(chuàng)建一個(gè)新的用戶窗口，以圖標(biāo)形式顯示，如“窗口0”，我們可以改成自己需要的名稱。開始時(shí)，新建的用戶窗口只是一個(gè)空窗口，用戶可以根據(jù)需要設(shè)置窗口的屬性和在窗口內(nèi)放置圖形對(duì)象。選中剛創(chuàng)建的用戶窗口，單擊“動(dòng)畫組態(tài)”，進(jìn)入動(dòng)畫制作窗口。單擊工具條中的“工具箱”按鈕，則打開動(dòng)畫工具箱，圖標(biāo)對(duì)應(yīng)于選擇器，用于在編輯圖形時(shí)選取用戶窗口中指定的圖形對(duì)象；圖標(biāo)用于打開和關(guān)閉常用圖符工具箱，常用圖符工具箱包括27種常用的圖符對(duì)象。根據(jù)需要，選擇相應(yīng)的模塊，建立一個(gè)整體的系統(tǒng)，如下圖1所示。

在另外建個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用戶窗口，用于建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線等模塊。

3.2 定義數(shù)據(jù)對(duì)象

鼠標(biāo)點(diǎn)擊工作臺(tái)的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫”窗口標(biāo)簽，進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口頁。按“新增對(duì)象”按鈕，在窗口的數(shù)據(jù)變量列表中，增加新的數(shù)據(jù)變量，多次按該按鈕，則增加多個(gè)數(shù)據(jù)變量，系統(tǒng)缺省定義的名稱為“Data1”、“Data2”、“Data3”等選中變量，按“對(duì)象屬性”按鈕或雙擊選中變量，則打開對(duì)象屬性設(shè)置窗口。指定名稱類型：在窗口的數(shù)據(jù)變量列表中，用戶將系統(tǒng)定義的缺省名稱改為用戶定義的名稱，并指定類型，在注釋欄中輸入變量注釋文字。本系統(tǒng)中要定義的數(shù)據(jù)變量如圖2所示。

3.3 MCGS與PLC的連接

MCGS組態(tài)軟件內(nèi)嵌各種PLC驅(qū)動(dòng)程序，用戶只需按照設(shè)備配置向?qū)нx擇PLC的類型。MCGS將自動(dòng)完成相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序的啟動(dòng)。建立與PLC之間的通信。MCGS對(duì)外部設(shè)備的管理是通過對(duì)邏輯設(shè)備名的管理來實(shí)現(xiàn)的，在數(shù)據(jù)詞典中建立若干I/O變量，使之與PLC的數(shù)據(jù)寄存器之間建立通道，通過這些I/O變量便可以讀或?qū)慞LC的數(shù)據(jù)寄存器。這樣，MCGS組態(tài)軟件的部分基本完成，我們可以通知控制界面了解到系統(tǒng)的最新消息，各臺(tái)空壓機(jī)的壓力和儲(chǔ)藏罐的壓力，然后可以根據(jù)需要做出相應(yīng)的調(diào)整。

4 該設(shè)計(jì)優(yōu)越性分析

(1)采用高可靠性和抗干擾功能強(qiáng)的西門子PLC，能很好地克服空壓機(jī)房惡劣的環(huán)境干擾，使系統(tǒng)能長期穩(wěn)定可靠地工作。(2)系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個(gè)空壓機(jī)控制分站之間既相互獨(dú)立又可以共享、交互數(shù)據(jù)；一臺(tái)分站發(fā)生故障不會(huì)影響其他的分站運(yùn)行，各個(gè)分站又可通過數(shù)據(jù)交換相互配合更高效地工作。(3)網(wǎng)絡(luò)通訊高速、穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好。(4)操作設(shè)備和控制方式靈活多樣，同時(shí)具有多種控制方式， 多種方式互為備用。保證各種情況下系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。(5)每臺(tái)空壓機(jī)均設(shè)就地觸摸屏和電氣按鈕操作箱，這就保證了系統(tǒng)任一級(jí)網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備發(fā)生故障，仍能對(duì)空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)啟停控制。(6)合理的使用多臺(tái)風(fēng)機(jī)，使其循環(huán)工作，在保證有備用的情況下，延長了每臺(tái)壓風(fēng)機(jī)的使用壽命。(7)設(shè)備有完善的故障判斷、顯示、記憶功能，輸出數(shù)據(jù)完整，準(zhǔn)確，可為操作人員迅速排除故障和日常數(shù)據(jù)管理提供極大的方便。

5 結(jié)語

錢家營礦850空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，該方案通過增加和更換一些傳感器和低壓控制開關(guān)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)取樣的要求，能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。該設(shè)計(jì)方案控制結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，改造成本低，能夠很好的滿足礦井“兩化融合”的需求，能夠達(dá)到地面集控室遠(yuǎn)程集中控制，達(dá)到減員、提效、減小維修量、降低員工職業(yè)危害的目的，可供同類空壓機(jī)部位參考。

[1] 龔仲華.S7-200/300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].人民郵電出版社,2008.

[2] 陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[3] 瞿坦.數(shù)據(jù)通訊及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1996.

[4] 唐濟(jì)揚(yáng).基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的先進(jìn)控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2000(7):31-35.

張海坡(1980—),河北唐山人,本科,2004年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué),開灤錢家營礦業(yè)分公司生產(chǎn)技術(shù)部機(jī)電室,機(jī)電主管工程師。