選煤廠自動沖洗控制系統

張海濤， 李丙林， 徐 勇， 劉克平＊

（1.長春工業大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012；2.國網宜都市供電公司，湖北 宜昌 443300）

0 引 言

在煤炭傳輸過程中，需要頻繁地對斜膠帶進行沖洗，沖洗時間的控制將直接影響到傳輸效率。在某煤礦選煤廠自動沖洗控制系統中，下位機選用西門子S7－300PLC，微型計算機作為上位機，裝載了功能強大的WinCC組態軟件。系統中S7－300PLC與WinCC之間支持Profibus－DP通訊、MPI通訊、Profinet通訊，從實際工程的實時性和經濟性方面進行考慮，本系統采用工業以太網的通訊方式，可以在WinCC監控畫面上實現設備的實時可視化監控［1］。

1 方案論證

1.1 控制器的選擇

在本研究中下位機采用西門子S7－300PLC而不采用單片機的原因如下：

1）語言區別。目前PLC廣泛使用梯形圖、順序功能圖、功能塊圖、結構化文本，單片機應用指令符號語言。單片機靠人腦按照控制要求編寫程序，而PLC可以先輸入控制要求，然后自動生成實時控制程序，效率極高。

2）功能區別。PLC具有豐富的立即可用功能：開關量邏輯控制、閉環過程控制、運動控制、數據處理、通信聯網，包含大量的獨立定時器、計數器，可直接與現場的實際設備相連接，開發有各種各樣的功能模塊供編程人員調用。單片機只是單一的處理器，如果不能用單片機開發出PLC，則只能作為專用控制器使用。

3）選用區別。當使用數量少或控制邏輯比較繁瑣時，使用單片機開發專用控制器性價比較差，當使用數量多、控制邏輯比較簡單、控制邏輯基本不變、通訊網絡單一時可以選用單片機專用控制器。

1.2 組態軟件的選擇

微型計算機作為其上位機，裝載了功能全面的WinCC組態軟件。中英文結合的工控組態軟件WinCC具有簡單靈活的可視化操作界面、良好的并行處理性能、豐富的多媒體畫面以及良好的可維護性等優點。WinCC通過通信驅動程序從可編程序控制器獲取通信數據，對通信數據進行加工處理后，以圖形的方式形象地顯示在組態監控畫面上，同時，根據組態要求以及操作員的指示將控制數據傳送到現場執行設備，控制執行機構的運行，并調整其運行參數。

2 系統介紹

自動沖洗控制系統目前已投入使用，不僅提高了工作效率，也可保證可靠性和穩定性，實現了傳輸系統中斜膠帶的全自動沖洗。系統控制要求如下：

1）該控制系統分為自動和手動兩種運行方式。當切換到自動狀態時，噴頭依次噴水2min，循環運行；當切換到手動狀態時，可以對噴頭進行單獨控制。

2）畫面要有動態效果，且由靜態到動態轉換時需有空間感。

3）有故障顯示報表并能對具體噴頭故障進行打印。

4）應有就地／集控狀態顯示，就地時集控不可控只顯示。

5）PLC程序和WinCC畫面需要設置權限保護。

6）應配有日期和時鐘數字顯示窗口。

針對以上控制要求，該項目采用PLC與WinCC組態相結合技術，建立了自動沖洗控制系統。組態監控系統、PLC電氣控制系統與設備的關系如圖1所示。

圖1 控制系統關系示意圖

采用PLC構建的電氣控制系統一方面與設備相連，完成設備運行的所有控制信號采集、運算處理和向設備輸出驅動控制信號，控制設備運行；另一方面PLC同時將設備運行的狀態信號傳送到上位機，通過由組態軟件構建的監控系統，實現設備的實時可視化監控［2］。

3 系統設計方案

3.1 下位機

下位機采用西門子S7－300PLC，其構建的電氣控制系統一方面與設備相連，完成設備運行的所有控制信號采集、運算處理和向設備輸出驅動控制信號，控制設備運行；另一方面PLC同時將設備運行的狀態信號通過以太網的方式傳送給上位機，通過由WinCC組態軟件構建的監控系統，實現設備的實時可視化監控［3］。

1）中央處理單元。中央處理單元（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，它用掃描方式接收現場輸入裝置的狀態與數據，并存入輸入映像寄存器，在PLC進入運行狀態后，從存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后，按指令規定的任務產生相應的控制信號，去啟、閉有關控制電路，分時地去執行數據的存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規定的邏輯運算或算術運算等任務。根據運算結果更換有關標志位的狀態和輸出映像寄存器的內容，實現輸出、制表、打印或數據通信等控制。

2）PLC控制程序。本系統中需有就地／集控狀態切換，就地時集控不可控。集控時分為自動和手動兩種工作方式，當切換到自動狀態時，噴頭依次噴水2min，循環運行；當切換到手動狀態時，可以對噴頭進行單獨控制。

3.2 上位機

WinCC是一套基于Windows平臺的，用于自動控制系統的監控層，提供了監控層的軟件平臺和開發環境，通過靈活的組態方式，可使用戶快速構建工業自動控制系統監控功能。可以在一臺計算機上同時完成數據采集、信號數據處理、數據圖形顯示、人機對話、實時數據的存儲、歷史數據的查詢、實時通信等多個任務［4］。

1）系統界面。為了更好地實現對自動沖洗控制系統的優化運行，監控系統設計為由權限登錄界面、圖形編輯器界面、故障打印畫面、具體故障查詢畫面、運行系統界面等組成。自動沖洗監控界面如圖2所示。

圖2 自動沖洗監控界面

2）密碼登陸與注銷。除了為登錄或注銷過程而組態的熱鍵之外，WinCC還提供了函數PWRTLogin（）用于密碼登錄，函數PWRTLogout（）來執行密碼注銷。用于密碼登錄和注銷的函數是WinCC應用程序函數。打開“用戶管理器”，新建用戶“family”，進行用戶權限設定。登錄與注銷密碼設定如圖3所示。

圖3 登錄與注銷密碼設定

3）在WinCC里調用STEP7的變量。在WinCC里調用STEP7中變量的前提條件是WinCC項目文件必須集成在STEP7項目中。在建立新的STEP7項目后，選擇“InsertNew Object”，此時系統會在STEP7項目文件里建立一個WinCC項目文件，可以通過在項目名稱上點擊右鍵，選擇“OpenObject”打開并編輯這個WinCC項目。同時，在STEP7項目文件中插入一個OS站，把它改名為已有的WinCC項目名稱，在STEP7項目里刪除因僅插入OS站而產生的WinCC項目文件，在項目復制器里用“Save as”把已有的WinCC項目文件存儲到STEP7項目路徑下。在WinCC里調用STEP7的變量如圖4所示。

圖4 在WinCC里調用STEP7的變量

3.3 Profinet通訊

控制系統中S7－300與WinCC之間的通訊可分為profibus DP通訊、MPI通訊、Profinet通訊［5］，從工程應用的實時性和性價比方面進行考慮，本系統采用工業以太網的通訊方式。PLC與WinCC之間采用工業以太網通信時網線必須是交叉連接。在硬件組態中設置CPU下的PN－IO屬性，要求PLC網絡地址與計算機網絡地址處于同一個網段內；在WinCC中添加SIMATIC S7－300Protocol Suite.chn驅動程序，打開連接參數對話框，將WinCC的連接地址設為PLC的網絡地址。添加新的驅動程序如圖5所示［6－7］。

圖5 添加新的驅動程序

4 結 語

實際使用證明，通過PLC與WinCC組態相結合技術實現選煤廠斜膠帶走廊自動沖洗控制系統，可以方便、安全、穩定地實現對整個沖洗過程的監控。PLC與WinCC之間采用Profinet通信，其通信數據的實時性、安全性、穩定性均可達到最優化。基于該方案的自動沖洗控制系統因其操作靈活、性能穩定、維修方便而受到用戶好評。

［1］ 許洪華，楊春生.現場總線與工業以太網技術［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［2］ 李丙林，宋殿斌，劉克平.PLC和觸摸屏在耐壓試驗監控系統中的應用［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2011，32（4）：394－398.

［3］ 廖常初.S7－300／400PLC應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［4］ 李方圓.人機界面設計與應用［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［5］ 甘永梅，劉曉娟，晁武杰，等.現場總線技術及應用［M］.2版.北京：機械工業出版社，2008.

［6］ 李丙林.正壓濃相氣力輸灰的PLC監控系統［J］.電氣時代，2011（11）：104－106.

［7］ 楊方興，岳劍鋒，王鋒，等.多PLC控制系統的組態策略［J］.天津工業大學學報，2013（6）：68－71.