基于PLC和網絡通訊技術的帶式輸送機監控系統的研究

李 康

（山西晉城無煙煤礦業集團有限公司寺河煤礦， 山西 沁水 048200）

引言

隨著帶式輸送機設備本體向大型化方向的發展，傳統帶式輸送機監控系統的諸多缺點逐步呈現出來，例如：安全保護系統相互獨立、信息不共享；故障檢測系統誤報率高，無法準確顯示設備的運行狀況、變化趨勢；無管理級開放數據接口導致企業管理層無法實時了解掌握最新生產數據及進度情況。因此，如何更好地擴展帶式輸送機功能，更好地發揮帶式輸送機性能，使其向多元化、網絡化、智能化、無人化方向發展成為當前一項迫切需要研究的關鍵技術。

1 工程概況

寺河煤礦與山西晉城機械集團股份有限公司將網絡信息融合技術與機電一體化設備進行有機結合，為寺河煤礦帶式輸送機系統建立了基于PLC和網絡通訊技術的帶式輸送機智能化監控系統。該系統選用主要用于分散外圍設備與控制設備間高速數據傳輸的PROFIBUS-DP作為PLC與現場分布式I/O設備之間的數據通信，采用光纖實現控制主站與控制從站之間的數據傳輸，采用工業以太網實現PLC與上位機及管理層數據通訊。

2 帶式輸送機監控系統的設計

寺河煤礦帶式輸送機系統由破碎機、給料機和三條帶式輸送機組成，帶式輸送機長度分別為120m、8300 m、260 m。其中，破碎機由l臺二象限變頻器驅動，8300 m帶式輸送機為下運，由3臺四象限變頻器驅動。此外，系統還包括了供配電開關、液壓張緊裝置、盤式制動裝置和現場保護傳感器等設備。

監控系統由上位機和PLC組成兩級計算機控制系統：上位機對系統進行實時監控、顯示、存儲運行數據及管理后臺數據庫。同時，通過無線網絡與管理級進行數據交換。PLC由控制主站和控制分站組成。控制分站分別接收主站命令信號和現場設備反饋信號，并對現場信號進行簡單處理后，將數據傳送給主站。同時，執行主站下發的命令數據。控制主站接收控制分站反饋信號，并對數據信息進行處理。系統結構框圖如圖l所示。

圖1 智能監控系統結構框圖

2.1 系統工作模式

2.1.1 自動控制模式

自動控制模式主要通過PLC程序和組態軟件實現，操作人員可以在上位機上啟動、停止設備。當系統進人自動控制模式后先預警20 s，然后按照生產工藝流程順序啟動帶式輸送機系統，并根據反饋信號自動實現報警和聯鎖功能。當操作員按下停機按鈕時，系統按照逆序逐級停機。當系統中某臺設備出現故障或緊急停機時，故障帶式輸送機上級設備立即停機，下級設備繼續運行，直到物料排空。

2.1.2 手動操作模式

該模式下，操作員可以單獨操作設備的啟停狀態。解鎖狀態時，操作員可以不按照先后順序啟停設備。此時，保護傳感器等仍有保護作用，系統仍可進行工況顯示。

2.1.3 檢修維護模式

在檢修維護模式下，輸送機脫離了計算機控制系統，僅能人工就地啟停設備，保障設備及人身安全。

2.2 系統硬件結構

本監控系統上位機由2臺工控機組成，互為備用，當其中任何l臺工控機出現故障時均可瞬間切換至另外l臺繼續運行，保證設備生產不受影響。主站為S7-400冗余系列PLC，分站S7-300系列PLC。主站、上位機、分站之間均通過交換機相連。PLC與現場級分布式I/O設備之間采用PROFIBUS-DP通信，控制主站與控制從站之間采用光纖傳輸通信，PLC與上位機及管理層數據通訊采用工業以太網。整個PLC系統模塊配置如圖2所示。

圖2 PLC系統模塊配置圖

2.3 系統軟件設計

本監控系統共有三種工作模式：一是自動控制模式。使帶式輸送機根據生產工藝流程預先編制的程序來自動控制設備啟停，各種保護信號均投入；二是手動操作模式，手動按鈕控制設備啟停，保護信號均投入；三是檢修維護模式，手動按鈕控制設備啟停，保護信號選擇地投入如圖3所示。

圖3 系統工作模式選擇流程圖

1）正常起車。開車前，智能控制系統根據現場情況，首先進行自檢，具體為采集各保護開關信號，診斷系統有無故障，是否滿足啟動條件。若均滿足，執行啟動程序。

2）正常停車。運行中出現以下情況執行正常停車程序包括人為按動停車按鈕；上下級聯鎖設備停車；液壓站油壓不足；出現保護開關信號動作；通訊中斷；自動開車條件失效。

2.4 系統功能及特點

1）現場傳感器信號的采集與處理。

2）不同系統數據信息融合。安全保護系統、驅動系統、張緊系統、制動系統、輸送帶檢測系統進行數據信息融合，集中管理，綜合監控。

3）生產過程設備和工藝流程狀況監測。對設備運行數據進行分析和判斷，提供設備運行變化趨勢及維修保養指導等。同時，實時監控生產工藝流程中各個工藝環節的執行情況，確保順利完成生產任務。

4）畫面顯示及后臺管理。畫面顯示整個生產系統中各設備的運行狀態，存儲相關工藝參數，記錄故障信息，提供數據統計分析和歷史數據曲線查詢，生成和打印各種報表。

5）完善的系統保護。可進行短路、斷路、缺相、過載、過流、過壓、欠壓、超溫、超速、堵轉等綜合保護，同時，可監控系統的打滑、堵料、皮帶撕裂等狀態。

6）節能降耗。根據上游料量情況，自動調整8300 m帶式輸送機速度。排料時料量大，提高帶式輸送機速度；料量少時，降低帶式輸送機速度，以實現節約能源，降低消耗。

7）提供管理層數據接口。企業授權的情況下，可為管理層開放數據接口。管理層可以實時查看現場運行情況，了解掌握最新生產數據及進度情況。

8）自診斷功能。控制單元能自動診斷硬件故障信息，并將故障信息上送主控制級。

3 實踐應用效益

該監控系統將網絡信息融合技術與傳統帶式輸送機設備進行有機結合，極大提升了傳統帶式輸送機的使用性和可靠性，對帶式輸送機行業的發展起到了良好地推動和促進作用。順應國家智能生產制造和傳統工業轉型升級的發展方向。該系統在同煤集團寺河煤礦的實踐應用表明，該系統能產生很好的經濟效益，主要有：系統可提前預測及預判故障信息，降低了運行設備的故障率，降低了維修成本，提高了設備的使用壽命；系統保護功能完善齊全，可大大減少巡檢人員，降低企業人力成本，同時，提高效率，減輕工人勞動強度；四象限變頻器的應用，能將回饋的電能進行有效利用，從而節約電能，降低消耗。該系統在寺河煤礦經過近半年試運行，實踐效果表明，該系統保護功能齊全、配置合理、通訊速率穩定。每天可節約電能200 kW，共節約近36 MW，同時，巡檢維護人員減少了2/3。

4 結論

寺河煤礦與山西晉城機械集團共同設計發了基于PLC和網絡通訊技術的智能化監控系統，該系統操作簡單方便，運行良好，可靠性高，完全滿足寺河煤礦實際生產的需要。