鶴壁九礦帶式輸送機集控系統(tǒng)設(shè)計

喻振杰，劉 迪，曾尚琦，李 哲

（中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

井下帶式輸送機集控系統(tǒng)是煤礦開采工程中一項重要的系統(tǒng)[1-4]，其生產(chǎn)集成化水平直接影響煤礦的經(jīng)濟效益。但是，井下帶式輸送機集控系統(tǒng)由于受到諸多因素的影響，例如建設(shè)規(guī)模大小、設(shè)備型號復(fù)雜、多級聯(lián)網(wǎng)困難、施工難度大、擴容性差、檢修維護困難、重復(fù)投資等條件的制約[5-7]。鶴壁九礦帶式輸送機集控系統(tǒng)的設(shè)計，旨在建立井下帶式輸送機集中控制及保護的智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)井下異構(gòu)條件下的無縫聯(lián)接和資源共享[8]，講究資源的統(tǒng)一管理，科學(xué)合理的調(diào)度，安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸[9]，從而極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 工程概況

鶴壁九礦帶式輸送機集控系統(tǒng)包括9 部帶式輸送機集中運輸巷輸送帶，5 個帶式給煤機。主要設(shè)備包括：①輸送帶：一水平主輸送帶、+15 一部輸送帶、+15 二部輸送帶、二水平主輸送帶、-250 輸送帶、-420 一部輸送帶、-420 二部輸送帶、-420 輸送帶暗斜井和-530 輸送帶；②煤倉：+15 煤倉、51 煤倉、-250 煤倉、-420 煤倉和-530 煤倉，每個煤倉均配備1臺給煤機。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

帶式輸送機集控系統(tǒng)主要由上位機、控制主站和控制分站構(gòu)成。上位機負責(zé)人機交互的功能[10]，因而分布在地面集控室?？刂浦髡九c控制分站之間通過工業(yè)總線通信，與上位機采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通訊。控制分站選用礦用隔爆兼本安型PLC[11]作為主控設(shè)備，核心部分采用S7-300 和S7-200 SMART 可編程控制器，配以檢測保護裝置和控制設(shè)備。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機的集中控制并實時監(jiān)控生產(chǎn)工況參數(shù)。系統(tǒng)架構(gòu)是全開放的[12]，具有很強的拓展能力。帶式輸送機集控系統(tǒng)示意圖如圖1。

1.3 系統(tǒng)功能

針對實際需求，設(shè)計了5 個系統(tǒng)主要功能模塊,根據(jù)系統(tǒng)模塊進行功能分析如下：

1）數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)可采集帶式輸送機輸送帶技術(shù)參數(shù)、運行狀態(tài)、保護信號等并顯示。例如電機電壓、電機電流、電機溫度、煤位和震動等。操作人員可以方便快捷地設(shè)置或修改所有被測參數(shù)的報警值、限值。

圖1 帶式輸送機集控系統(tǒng)示意圖

2）智能控制。根據(jù)煤礦工作面的產(chǎn)量和煤倉煤位，自動均衡輸送帶的運量。若檢測到某一參數(shù)指標不在安全范圍內(nèi)，系統(tǒng)便會發(fā)出語音播報，提醒操作人員及時處理。

3）報表和趨勢分析。操作人員查閱存儲在SQL Server 中的數(shù)據(jù)只需選擇查詢條件，就能實現(xiàn)信息查詢顯示與打印功能。顯示與打印的功能包括：輸送帶運行參數(shù)、輸送帶故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

4）視頻預(yù)覽。通過在井下安裝攝像儀，系統(tǒng)可實現(xiàn)視頻遠程監(jiān)控。操作人員可掌握井下運輸環(huán)境以及輸送帶運行情況，及時發(fā)現(xiàn)輸送帶運行出現(xiàn)的異常情況，并進行快速處理，避免事故的發(fā)生。

5）安全保護。礦用隔爆兼本安型PLC 與被控設(shè)備之間采用中間繼電器柜隔離，以保證輸入/輸出信號的安全可靠。

1.4 控制原理

井下煤流控制模式分為就地和遠程2 種。其中遠程模式又分為閉鎖和檢修2 種。

1）就地模式。就地模式是指操作人員可通過在井下機旁就地操作箱實現(xiàn)對輸送帶的控制。系統(tǒng)可設(shè)置每條輸送帶的閉鎖/解鎖模式。

2）閉鎖模式。所有設(shè)備在集控室上位機操作，設(shè)備按照煤流方向具有閉鎖關(guān)系。啟動時按照逆煤流方向方可啟動，停止時按照順煤流方向方可停止，否則操作無效。該控制模式具有“自動”和“手動”兩子操作方式，“自動”操作要求能一鍵按照順序開/停煤流線上的設(shè)備，“手動”操作要求只能按照順序啟停單臺設(shè)備，否則操作無效。

3）檢修模式。設(shè)備在集控室上位機上操作，設(shè)備之間無閉鎖關(guān)系，可以任意開停任何1 臺帶式輸送機。

2 基于iFIX的系統(tǒng)集控平臺

2.1 驅(qū)動的配置

通過驅(qū)動配置，iFIX 與下位機PLC 建立通信連接。驅(qū)動從下位機PLC 中讀寫數(shù)據(jù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)信息存儲到iFIX 數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。綜合考慮鶴壁九礦工程現(xiàn)狀，在iFIX 組態(tài)軟件中使用S7A 和OPC 驅(qū)動相結(jié)合。驅(qū)動的配置分為通道、設(shè)備和數(shù)據(jù)塊3 部分。

1）通道設(shè)置。在Power Tool 中建立通信通道，通信方式選擇TCP/IP 協(xié)議。

2）設(shè)備設(shè)置。在Power Tool 中添加設(shè)備通道Channel。IP 地址設(shè)置要與PLC 中設(shè)置的IP 地址保持一致。機架號默認的地址為0，槽號選擇2 號槽。

3）數(shù)據(jù)塊設(shè)置。在Power Tool 中添加數(shù)據(jù)塊，并設(shè)置內(nèi)部寄存器及起始地址。數(shù)據(jù)塊中的變量需與PLC 中數(shù)據(jù)塊地址保持一致。最后勾選Enable 框和選擇數(shù)據(jù)塊讀寫設(shè)置內(nèi)存器。

iFIX 驅(qū)動配置后，檢驗發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送成功且能夠正確地讀取數(shù)據(jù)。

2.2 畫面的組建

iFIX 通過驅(qū)動采集到下位機PLC 數(shù)據(jù)之后，一旦數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭^程數(shù)據(jù)庫中，就可以通過組態(tài)畫面顯示帶式輸送機系統(tǒng)運輸工藝流程圖。根據(jù)設(shè)計功能的不同，上位機組態(tài)畫面可分為過程監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)分析畫面2 大類。其中過程監(jiān)控畫面包括帶式輸送機輸送帶監(jiān)控主畫面和故障彈窗畫面，數(shù)據(jù)分析畫面包括查詢畫面和歷史曲線畫面。

1）帶式輸送機監(jiān)控主畫面由導(dǎo)航條和運行界面2 部分組成。其中導(dǎo)航條具有切換畫面顯示的功能。操作人員可任意調(diào)出某幅畫面，例如當(dāng)操作人員需要查看指定帶式輸送機的參數(shù)變化趨勢時可調(diào)出歷史曲線畫面。根據(jù)帶式輸送機運輸過程工藝要求，帶式輸送機運行畫面通過動畫連接方式生成形象直觀、易于理解的畫面，同時也為操作人員提供了以命令和圖形交互方式進行報警和過程控制的設(shè)置點。監(jiān)控主畫面顯示內(nèi)容包括帶式輸送機運輸工藝圖、狀態(tài)指示燈、操作控制按鈕、傳感器參數(shù)等。帶式輸送機監(jiān)控主畫面如圖2。

2）故障彈窗畫面為操作人員提供可視化提示，是建立良好操作人員界面的關(guān)鍵。當(dāng)帶式輸送機運輸過程中發(fā)生故障時，iFIX 會自動彈出故障窗口以提供視覺提示。故障彈窗畫面中顯示故障位置、故障類型發(fā)生視覺等信息，并根據(jù)故障發(fā)生時間、優(yōu)先級順序排序。當(dāng)某一參數(shù)指標恢復(fù)正常，并且報警已經(jīng)確認，則故障彈窗會自動刪除該項報警。

圖2 帶式輸送機監(jiān)控主畫面

3）查詢畫面主要由故障記錄查詢、登錄查詢和開停記錄查詢3 部分構(gòu)成。利用圖表控件可以查看故障記錄、操作記錄、開停記錄，同時依據(jù)類型、時間、區(qū)域、級別等條件進行分類篩選查詢；同時利用VisiconX 控件能快捷有效地與SQL Server 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)連接，對歷史數(shù)據(jù)進行過濾查詢。查詢完成后可通過點擊“打印”按鈕，系統(tǒng)自動生成Excel 報表并打印。

4）歷史曲線畫面可實時采集帶式輸送機監(jiān)控參數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的變化趨勢曲線。在歷史曲線圖表的設(shè)置界面，操作人員可添加所需的運行參數(shù)、曲線顏色、圖表起始時間和時間跨度。添加完成后，畫面中將會實時顯示趨勢曲線。歷史曲線的設(shè)計能夠讓操作人員全面直觀地掌握整個集控系統(tǒng)的運行工況，進而分析帶式輸送機故障的原因。如若系統(tǒng)發(fā)生報警信號，操作人員能通過調(diào)取視頻顯示及時高效地應(yīng)對突發(fā)事件。比如，當(dāng)某一帶式輸送機發(fā)生狀態(tài)變化或異常情況時，可及時將周圍視頻監(jiān)控界面自動打開，以供操作人員及時判斷、處理。還可通過結(jié)合管理的方式實現(xiàn)煤倉達到某一設(shè)定值時，提醒操作人員該啟動/停止煤流線系統(tǒng)。

2.3 權(quán)限的管理

iFIX 提供了一個完善可靠的安全配置，是對項目工程的一種安全保護措施。通過組賬戶、用戶賬戶、應(yīng)用特性以及安全區(qū)域來實現(xiàn)iFIX 權(quán)限的管理。它能給不同身份的用戶分配相應(yīng)的訪問和操作的權(quán)限，從而決定用戶是否具有打開及關(guān)閉系統(tǒng)、設(shè)置帶式輸送機參數(shù)、修改iFIX 后臺腳本等權(quán)限。

鶴壁九礦帶式輸送機集控系統(tǒng)的權(quán)限管理設(shè)計步驟如下：

1）定義具有操作權(quán)限的安全區(qū)域并設(shè)定過程數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)塊的安全區(qū)域。

2）創(chuàng)建組賬戶及用戶賬戶并指定應(yīng)用權(quán)限。組賬戶包含控制組和監(jiān)測組，用戶賬戶包含管理員、監(jiān)控員和監(jiān)測員。其中，管理員隸屬于控制組并擁有最高權(quán)限，可進行iFIX 的任何可用操作。監(jiān)控員和監(jiān)測員隸屬于監(jiān)測組，其應(yīng)用特性為“工作臺運行”。

3）設(shè)定自動登錄的節(jié)點名為PDSERVER 以及用戶名為ADMIN。如若不設(shè)置自動登錄，在iFIX 啟動后無法啟動工作臺。

4）保存安全設(shè)置，編輯登錄畫面并且設(shè)定登錄按鈕。

3 實施效果

系統(tǒng)運行后，通過監(jiān)測電機電壓、電機電流、電機溫度、煤位等技術(shù)參數(shù)自動獲取數(shù)據(jù)，后臺執(zhí)行調(diào)度程序?qū)F(xiàn)場信號和監(jiān)控參數(shù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的信息送到上位機，上位機根據(jù)這些信息顯示現(xiàn)場狀態(tài)和故障等信息，以便于操作人員進行數(shù)據(jù)分析。通過實施效果的分析可知，帶式輸送機集控系統(tǒng)達到了設(shè)計的要求，控制程序能夠完成對帶式輸送機運輸?shù)木_控制，監(jiān)控畫面可以生動美觀地顯示出帶式輸送機運輸?shù)膶崟r動態(tài)效果。此外，查詢運行記錄和觀察監(jiān)控曲線跟蹤效果可以看出，此設(shè)計穩(wěn)態(tài)誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)，達到了控制精度的要求。

4 結(jié) 語

基于iFIX 帶式輸送機集控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了礦井帶式輸送機系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時傳輸和過程控制自動化，生產(chǎn)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)化，決策指揮高效化，從而維護了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的安全暢通和調(diào)度指揮的運行安全。鶴壁九礦帶式輸送機集控系統(tǒng)通過實際運行檢驗，人力成本降低，生產(chǎn)效率提高，報警處理及時，保護功能完備，調(diào)試維護方便，為礦井運輸自動化、信息化、科學(xué)化建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。