黨家河煤礦原煤運輸設備PLC集控系統(tǒng)的設計與應用

馬尚禎 王海勇

（河南能源集團鶴煤公司黨家河煤礦，陜西延安727502）

1 PLC集控系統(tǒng)的需求分析

黨家河煤礦原煤運輸設備集控系統(tǒng)的控制范圍為至篩膠帶輸送機起至原煤倉中間的全部生產(chǎn)及生產(chǎn)輔助系統(tǒng)設備，設備臺數(shù)多，生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)多，設備運行順序性強且運行時間相對集中，任何一部設備啟停不當都有可能造成運輸事故，損壞設備。故此，實現(xiàn)地面原煤運輸設備的集中控制，可以大大減少因設備啟停引起的事故，減少設備操作人員和維護人員，縮短設備啟停時間，提高勞動生產(chǎn)效率，為生產(chǎn)和調(diào)度管理提供極大的方便。

2 PLC集控系統(tǒng)設計原理

黨家河煤礦原煤運輸設備集控系統(tǒng)是以PLC為控制基礎的KJ58集中控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：現(xiàn)場設備層、PLC控制層和監(jiān)控信息層。集控系統(tǒng)的控制核心是位于中間層的PLC，負責下層設備控制及與上層通信聯(lián)系；現(xiàn)場設備層通過開關量信號、模擬量信號和部分標準的總線通信協(xié)議與PLC相連通；最上層是具備HMI功能的監(jiān)控設備與集中控制平臺，通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與PLC相連接，并對外提供開放的數(shù)據(jù)發(fā)布接口，加上上位機構(gòu)成的控制系統(tǒng)，完成主控PLC、人機接口系統(tǒng)、現(xiàn)場設備之間的通信聯(lián)系，從而實現(xiàn)整個原煤運輸設備的集中控制。

集中控制室負責設備的啟停和安全運行任務，采用PLC主站+分站的控制方式，分別完成各個關聯(lián)的設備啟停、保護實現(xiàn)、設備聯(lián)鎖、設備狀態(tài)監(jiān)控任務。信息層在控制室組成100M局域網(wǎng)，監(jiān)控主機通過以太網(wǎng)卡與PLC主機連接，進行數(shù)據(jù)交換。控制層PLC主站與分站之間通過ControlNet總線網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)集中控制室對各系統(tǒng)設備的集中監(jiān)測控制；設備層各參控設備通過控制電纜與本地I/O模塊連接，實現(xiàn)各離散信號及模擬信號的監(jiān)控，或通過DH+網(wǎng)絡、DeviceNet網(wǎng)絡、Modbus網(wǎng)絡等采集數(shù)據(jù)。

3 PLC集控系統(tǒng)具體實施方案

黨家河煤礦原煤運輸設備集中控制室共設有兩個分站，每個站均配置有高性能控制柜，PLC模塊放置在柜內(nèi)。控制器采用的是羅克韋爾公司Controllogix系列PLC，整個控制系統(tǒng)主站和分站之間通過ControlNet總線網(wǎng)絡相連。在控制主站上配置有10/100M自適應以太網(wǎng)模塊，與上位機之間通過以太網(wǎng)進行通信，實現(xiàn)上位機高速采集設備運行數(shù)據(jù)并發(fā)出相應的控制指令。此外，根據(jù)現(xiàn)場膠帶輸送機運輸長度，膠帶輸送機沿線每50 m設置有拉繩和跑偏保護裝置，實現(xiàn)膠帶輸送機的事故保護功能。筒倉內(nèi)配置有連續(xù)測量物位儀，實時監(jiān)視物位，監(jiān)控信號就近接入PLC控制分站中。設備現(xiàn)場為受控設備配置有就地按鈕盒實現(xiàn)就地控制。此外，還設置有兩臺集成監(jiān)控網(wǎng)絡操作員站，并兼有工程師站功能。在上位機上安裝有IFIX組態(tài)軟件，組態(tài)人機界面對現(xiàn)場設備進行控制和監(jiān)視，且組態(tài)軟件具備OPC功能，可對外通信。

3.1 上位機部分

上位機組態(tài)軟件選用的是美國通用公司的IFIX組態(tài)軟件，工作于Window XP SP2以上系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)圖形監(jiān)控、動態(tài)圖形顯示、運行數(shù)據(jù)采集管理、狀態(tài)趨勢圖、自診斷、報警等諸多功能，并提供多種數(shù)據(jù)接口（ODBC、OPC、DDE）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與傳播。

操作員站配置有兩臺戴爾計算機，兼工程師站，互為熱備，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境要求，其主要配置如下：

計算機不低于Dell Precision T5500/24"LCD，WinXP Pro.，共兩套。

集控室計算機設備采用25 kVA/2 h的UPS電源供電，保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

上位機與控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)進行連接通信，系統(tǒng)的安全性和通信速率提高，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。

3.2 PLC部分

控制主機采用的是羅克韋爾AB高端的1756-L71 CPU，具有大規(guī)模的程序存儲容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對二進制和浮點數(shù)運算具有很高的處理能力，非常適用于大規(guī)模的I/O配置。

以太網(wǎng)模塊采用1756-ENBT，10/100 Mb/s自適應，全/半雙工傳輸，可對傳輸協(xié)議TCP與UDP實現(xiàn)多協(xié)議運行，RJ45連接將PLC連接到以太網(wǎng)，可以通過網(wǎng)絡對PLC系統(tǒng)實現(xiàn)遠程編程與調(diào)試。

PLC控制柜采用主從分站的分布模式，采用ControlNet現(xiàn)場工業(yè)總線，實現(xiàn)了主從分站之間數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定的實時交換，通信介質(zhì)為同軸電纜，極大地提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性，同時PLC主站控制柜預留冗余CPU的位置，以便將來擴展冗余控制系統(tǒng)。

PLC電源模塊選用的是交流凈化穩(wěn)壓電源，保證了控制系統(tǒng)供電的穩(wěn)定可靠；PLC控制柜內(nèi)安裝有PLC控制模塊、I/O分站模塊、24 V DC穩(wěn)壓電源，保證了控制系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 設備現(xiàn)場部分

設備現(xiàn)場配置有防爆按鈕盒，主要作用是提供靈活的控制功能，當設備控制方式在“集控”狀態(tài)時，該設備由集控系統(tǒng)控制操作，現(xiàn)場無法開車；當控制方式在“就地”狀態(tài)時，設備由崗位操作人員就地控制操作；當控制方式在“檢修”狀態(tài)時，就地和集控均無法實現(xiàn)對該設備的控制，保證了現(xiàn)場的人員和設備安全。

3.4 與其他系統(tǒng)的接口方案

黨家河煤礦原煤運輸設備集控系統(tǒng)是一套獨立的PLC控制系統(tǒng)，預留多種接口與其他系統(tǒng)實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。

（1）硬件接口：控制系統(tǒng)在控制柜內(nèi)預留以太網(wǎng)通信接口、RS485接口、DH+接口和DNB接口，為系統(tǒng)的擴展及子系統(tǒng)接入提供便利。

（2）軟件接口：控制系統(tǒng)可為其他系統(tǒng)提供4種不同的軟件接口：基于DH+通信協(xié)議的實時數(shù)據(jù)通信；基于Modbus RTU通信協(xié)議的實時數(shù)據(jù)通信；基于DeviceNet總線的實時數(shù)據(jù)通信；基于TCP/IP協(xié)議的PLC的實時數(shù)據(jù)通信。

4 PLC集控系統(tǒng)實現(xiàn)功能

黨家河煤礦原煤運輸設備集控系統(tǒng)有兩種控制操作方式，即控制室集中控制操作和現(xiàn)場單機就地操作方式。控制室集中控制是主要操作方式，現(xiàn)場單機就地操作方式主要用于設備的調(diào)試和維護。

（1）集中控制操作方式：即通過工控機鍵盤和鼠標，結(jié)合工控機大彩顯示屏，實現(xiàn)對單臺設備的啟停控制。在此種方式下，設備之間的聯(lián)鎖關系可以方便地設定或解除。該方式是原煤運輸?shù)闹鞑僮鞣绞剑撓到y(tǒng)故障時，可以選用現(xiàn)場單機操作方式。

（2）現(xiàn)場單機就地操作方式：現(xiàn)場設備附近均配置就地操作控制按鈕，實現(xiàn)單臺設備的啟停控制，該操作方式主要用于單機調(diào)試、檢修維護。在此工作方式下，設備的操作獨立于PLC控制，確保在集控系統(tǒng)發(fā)生故障時不會影響正常生產(chǎn)。

（3）故障自動停機功能：當現(xiàn)場的系統(tǒng)自檢故障、保護裝置動作以后，故障設備以及煤流上游設備立即停止運行（工藝設備要求必須延時停車的除外），下游設備繼續(xù)保持運行，待下游設備原煤拉空后，可以根據(jù)故障情況人為依次將下游設備停機。

（4）緊急停車功能：出現(xiàn)緊急情況時，按下工控機大彩顯示屏監(jiān)控畫面上的模擬緊急停機按鈕，系統(tǒng)內(nèi)全部設備立即自動停機。

（5）保護動作或系統(tǒng)自檢故障自動停機功能：1）當設備自身存在故障時，設備無法啟動，監(jiān)控畫面上會發(fā)出相應故障的文字報警信息。2）當系統(tǒng)內(nèi)設備出現(xiàn)故障或保護動作時，監(jiān)控畫面上會發(fā)出相應的報警信息，集控系統(tǒng)會自動根據(jù)報警信息作出相應的停機處理，有效避免故障的發(fā)生和擴大。3）系統(tǒng)能自動顯示、記錄設備故障性質(zhì)、故障地點及發(fā)生故障的時間。

（6）安全管理功能：為確保安全生產(chǎn)，集控軟件設置有用戶登陸界面，對不同登陸人員設置不同的權(quán)限，并對登陸人員作操作記錄。1）管理員用戶能監(jiān)視設備運行狀態(tài)、操作設備運行、修改工藝。2）操作員用戶能監(jiān)視設備運行狀態(tài)、操作設備運行。3）普通用戶能監(jiān)視設備運行狀態(tài)。4）非法用戶不能登陸。

5 PLC集控系統(tǒng)設計優(yōu)點

KJ58集控系統(tǒng)充分考慮到黨家河煤礦原煤運輸設備的選型和運行特性，又結(jié)合原煤運輸設備現(xiàn)場實際情況進行了優(yōu)化升級，該集控系統(tǒng)具有水平先進、可靠性強、易擴展、易操作等優(yōu)點，大大提高了黨家河煤礦原煤運輸設備可操作性和安全性。

5.1 水平先進

在集控系統(tǒng)設備和技術選型時，充分考慮了集控系統(tǒng)的先進性，保證此套集控系統(tǒng)在投運后仍然具有很強的系統(tǒng)擴展性和升級功能。先進技術和設備的選用，確保了集控系統(tǒng)功能、性能的優(yōu)質(zhì)性、可靠性、穩(wěn)定性，無論技術水平還是管理水平都居國內(nèi)同行業(yè)先進行列。

5.2 可靠性強

可靠性是集控系統(tǒng)的基礎，此套系統(tǒng)的方案設計、加工制造工藝、調(diào)試投運等每一步都把可靠性放在第一位，在集控系統(tǒng)設備和技術設計選型上也嚴格遵循這一標準。

（1）系統(tǒng)中所選用的設備均是有國內(nèi)外知名廠家生產(chǎn)，均有良好的產(chǎn)品質(zhì)量和完善的售后服務保證，系統(tǒng)所用端子排、電纜走線槽、電裝線及走線槽均具有良好的耐熱性和阻燃性，極大地提高了集控系統(tǒng)的可靠性，有效保證了集控系統(tǒng)長期、安全、穩(wěn)定運行。

（2）集控系統(tǒng)電源采用雙回路供電，確保供電安全，大大減少了因系統(tǒng)電源故障引起的事故，有效保證了集控系統(tǒng)長期、安全、穩(wěn)定運行。

（3）系統(tǒng)設備加設有各級保護功能，所有控制命令均采用兩級確認菜單，有效防止了因操作人員誤操作而引起的事故。

（4）系統(tǒng)設置有故障檢測報警和應急處理功能。系統(tǒng)能夠自診斷，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的安全隱患，并根據(jù)隱患內(nèi)容做出相應的應急處理，防患于未然，有效避免了小故障釀成的大事故。

5.3 易擴展

系統(tǒng)軟件和硬件配置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均具有很強的易擴展性。一方面，系統(tǒng)所選用的硬件為系統(tǒng)今后的升級、完善均留有充裕的擴展容量；另一方面，系統(tǒng)具有靈活的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，將來需擴展系統(tǒng)在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎上增加部分設備即可實現(xiàn)，無需更換現(xiàn)有系統(tǒng)的軟件、硬件，更不會影響現(xiàn)有系統(tǒng)的運行。

6 結(jié)語

以PLC為控制核心的KJ58集控系統(tǒng)實現(xiàn)了黨家河煤礦原煤運輸設備的遠程啟停控制、順序控制、聯(lián)鎖控制、保護控制等功能，并對運行設備進行實時監(jiān)控，大大提高了設備的可控制性和安全性，降低了設備的損壞率和操作強度，方便了設備的檢修和維護，確保了原煤運輸設備的安全高效運轉(zhuǎn)，使黨家河煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益都有了很大提高。