基于PLC的煤炭機(jī)械化取制樣系統(tǒng)研究*

胡志偉，郝偉

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測(cè)分院， 北京 100013；2．煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100013；3.國(guó)家能源神東質(zhì)量技術(shù)檢測(cè)檢驗(yàn)中心， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

目前，我國(guó)對(duì)煤炭能源的需求量依舊日益增長(zhǎng)，煤炭的質(zhì)量好壞及售價(jià)的高低是由煤的類別、水分、灰分等性質(zhì)所決定的。對(duì)煤質(zhì)的檢測(cè)過(guò)程中，煤的取樣是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，取樣環(huán)節(jié)的影響占整個(gè)煤質(zhì)檢測(cè)影響的80%[1]。機(jī)械化采樣較人工采樣精密度高，能保證足夠的子樣量，尤其對(duì)一些品質(zhì)波動(dòng)較多，粒度不均勻的煤種，優(yōu)勢(shì)更為明顯。

隨著采樣機(jī)械設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，大部分的煤種都能通過(guò)機(jī)械化取樣獲得樣品。電控部分用于完成對(duì)各個(gè)設(shè)備的控制，保證其功能性、安全性、可靠性和準(zhǔn)確性。PLC作為整個(gè)電控部分的核心，用于檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制處理在各種情況下設(shè)備的運(yùn)行方式。本文根據(jù)煤炭機(jī)械化取制樣的工藝流程及控制需求，基于羅克韋爾PLC設(shè)計(jì)了一套集取制樣邏輯控制、信息數(shù)據(jù)采集、處理與傳遞、運(yùn)行監(jiān)控于一體的煤炭機(jī)械化取制樣自動(dòng)控制系統(tǒng)。利用RSLogix5000編程軟件完成煤炭機(jī)械化取制樣控制梯形圖的設(shè)計(jì)，利用Factory Talk View SE組態(tài)軟件完成監(jiān)控報(bào)警界面的設(shè)置，構(gòu)建系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)。

1 羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)

1.1 羅克韋爾ControLogix控制器

羅克韋爾研發(fā)的ControLogix控制器是一種綜合型的控制器，所能實(shí)現(xiàn)的控制供能幾乎覆蓋了工業(yè)控制系統(tǒng)的基本需求[3]。

1.2 羅克韋爾Factory Talk View SE組態(tài)軟件

Factory Talk View SE是高度集成的、基于組件的HMI人機(jī)界面監(jiān)控軟件，用于監(jiān)視和控制自動(dòng)化設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程，安裝于控制室的自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備，由操作人員通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面，點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)行啟停控制或者參數(shù)修改、指令下達(dá)等操作。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 控制要求

1) 滿足煤炭采制樣工藝流程并實(shí)現(xiàn)在控制室對(duì)采制樣系統(tǒng)集中控制和數(shù)據(jù)集中處理以及監(jiān)視、管理等所有控制要求[4]。

2) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)用、可靠的基礎(chǔ)上，充分體現(xiàn)合理性和先進(jìn)性。

3) 系統(tǒng)向操作人員提供簡(jiǎn)單、方便的操作方式和完整的故障顯示及檢查方法，并具有防誤操作功能。

4) 系統(tǒng)具有良好的抗干擾功能，以確保信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2 控制設(shè)備

煤炭機(jī)械化取樣系統(tǒng)中的設(shè)備主要包括初級(jí)采樣器、給料帶式輸送機(jī)、對(duì)輥破碎機(jī)，縮分帶式輸送機(jī)，切割器，錘式破碎機(jī)，旋轉(zhuǎn)縮分器，棄樣帶式輸送機(jī)，斗式提升機(jī)等設(shè)備[5]。由于煤炭機(jī)械化采樣系統(tǒng)的采樣周期較短一般在60～120 s，目前基本都是采用除初采機(jī)以外的設(shè)備按逆料流方向依次啟動(dòng)完成后，等待采樣周期結(jié)束后的初采機(jī)動(dòng)作，切割器動(dòng)作隨初采機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，完成對(duì)煤炭樣品的一次縮分，作業(yè)完成后系統(tǒng)停止按順煤流方向依次停止。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

取樣控制系統(tǒng)一般分為兩層，一層為中央控制室內(nèi)的2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，這2臺(tái)計(jì)算機(jī)互為備用的方式，中央控制室的相關(guān)人員通過(guò)計(jì)算機(jī)安裝的上位機(jī)界面完成煤炭機(jī)械化取制樣系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)啟停、單體設(shè)備操作等控制，另一層為電氣設(shè)備室內(nèi)的可編程控制器即PLC，其與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的傳感器，相應(yīng)配電柜抽屜內(nèi)的控制元件及其它系統(tǒng)所需的信號(hào)相連。主要作用讀取各個(gè)傳感器的信號(hào)，配電柜內(nèi)空開(kāi)，接觸器及熱繼信號(hào)，操作臺(tái)信號(hào)及港口或煤礦上初采機(jī)所在主輸送帶的相關(guān)信號(hào)，輸出控制系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并將一些必要的信號(hào)傳達(dá)給控制室的操作人員，現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)人員及港口或煤礦的中央控制室的相關(guān)人員。

該系統(tǒng)采用羅克韋爾公司的PLC控制器ControlLogix5000系列，選用1756-L71 CPU, 1756系列的I/O模塊， 數(shù)字量輸入模塊要用于主帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、配電柜空氣開(kāi)關(guān)、熱繼電器、接觸器狀態(tài)、設(shè)備機(jī)旁操作箱旋鈕狀態(tài)、制樣塔設(shè)備監(jiān)測(cè)傳感器等數(shù)字信號(hào)的輸入，數(shù)字量輸出模塊主要用于系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的啟停、主帶式輸送機(jī)故障聯(lián)鎖、系統(tǒng)報(bào)警等控制信號(hào)輸入。通信模塊選用1756-ENBT/A,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC之間的通信；機(jī)架A作為主機(jī)架,通過(guò)1756-CNB/E通信模塊實(shí)現(xiàn)與擴(kuò)展機(jī)架(機(jī)架B)的ControlNet通信[6]；安裝機(jī)架 1756-A7 為模塊直接提供高速的通信通道，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)架A如圖2所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)架A

2.3 軟件應(yīng)用

羅克韋爾軟件均運(yùn)行在Windows操作環(huán)境下，設(shè)計(jì)人性化，功能強(qiáng)大，易于使用。煤炭取制樣系統(tǒng)程序編輯采用RSLogix5000，編寫(xiě)控制程序，使系統(tǒng)按照既定的運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，上位機(jī)組態(tài)軟件選用FactoryTalk View SE，用于顯示系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，報(bào)警信息等[6]。

3 控制程序

3.1 PLC I/O分配

外部輸入變量：設(shè)備速度信號(hào)、空開(kāi)/熱繼電器/接觸器信號(hào)、堵塞信號(hào)、主輸煤帶式輸送機(jī)運(yùn)行信號(hào)等I/O變量。

外部輸出變量：流程設(shè)備控制信號(hào)、聯(lián)鎖輸出、報(bào)警提示等,數(shù)字量輸入模塊一和數(shù)字量輸出模塊一I/O表如圖3所示。

圖3 數(shù)字量輸入模塊一、輸出模塊一I/O表

3.2 控制程序邏輯流程

控制程序使用梯形圖語(yǔ)言編程，程序根據(jù)功能要求劃分為主程序塊、驅(qū)動(dòng)輸出程序塊、故障報(bào)警程序塊、切割器程序塊、收集器程序塊等。

系統(tǒng)總體邏輯流程如圖4所示，系統(tǒng)開(kāi)始后，設(shè)備按照逆料流方向從斗提機(jī)依次起車，間隔時(shí)間應(yīng)大于該設(shè)備卸載物料所需要的時(shí)間。系統(tǒng)停止后，應(yīng)按順料流方向逐臺(tái)設(shè)備依次停車，間隔時(shí)間應(yīng)大于上一級(jí)設(shè)備卸載物料所需要的時(shí)間。系統(tǒng)運(yùn)行中某一單體設(shè)備發(fā)生故障，該設(shè)備及其系統(tǒng)內(nèi)上游設(shè)備立即停止運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)下游設(shè)備按照順煤流方向依次停止運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)后，采樣周期開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，在倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，需要檢測(cè)主帶式輸送機(jī)的皮帶秤信號(hào)，保證初采機(jī)能取到一定質(zhì)量的煤樣。若主帶式輸送機(jī)上流量太小，取到的煤樣質(zhì)量小，無(wú)法滿足單個(gè)采樣量的要求；若主帶式輸送機(jī)上流量太大，取樣量會(huì)超過(guò)初采機(jī)所設(shè)計(jì)的最大容量，對(duì)初采機(jī)造成機(jī)械性損傷。在倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，若主帶式輸送機(jī)流量不在設(shè)置的采樣范圍內(nèi)，需要一直等待，直到持續(xù)監(jiān)測(cè)到流量恢復(fù)正常范圍3 s，才能觸發(fā)初采機(jī)的動(dòng)作。

圖4 系統(tǒng)控制邏輯流程

切割器第一次動(dòng)作應(yīng)取到物料的頭部。最后一次能取到在最大流量的情況初采機(jī)取到的物料尾部。樣品收集器有6個(gè)桶位，在完成設(shè)定的每桶樣量后，能自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一桶位。

3.3 關(guān)鍵設(shè)備的控制

初采機(jī)作為煤炭機(jī)械化取制樣系統(tǒng)中作為關(guān)鍵的設(shè)備，主要用于完成初級(jí)子樣的截取,初采機(jī)控制邏輯流程如圖5所示。在機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整到合理的狀態(tài)下，其每次采樣的動(dòng)作時(shí)間、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的動(dòng)作穩(wěn)定性、在出現(xiàn)緊急情況下的安全性，是該控制系統(tǒng)必須要考慮的。動(dòng)作時(shí)間要嚴(yán)格按照計(jì)算所得的采樣周期運(yùn)行；編程語(yǔ)言的邏輯性，所用PLC的CPU高性能，保證了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性；編程過(guò)程的思維縝密，確保了初采機(jī)運(yùn)行的安全性。

圖5 初采機(jī)控制邏輯流程

4 上位機(jī)界面

上位機(jī)界面如圖6所示包含顯示、操作和報(bào)表打印等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)采制樣系統(tǒng)流程選擇、單體設(shè)備啟停、采樣信息設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備狀態(tài)查詢、報(bào)警信息顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢。

圖6 Factory Talk View SE組態(tài)界面

5 結(jié)論

RockwelPLC采用的是一種先進(jìn)的模塊化系統(tǒng)，可以更高效地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)建，從而節(jié)省了項(xiàng)目實(shí)施成本。該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)，確保在調(diào)試和維護(hù)過(guò)程的方便，能夠有效地降低系統(tǒng)在后期維護(hù)方面的成本。該控制系統(tǒng)在建成后，通過(guò)了系統(tǒng)的偏移及精密度試驗(yàn)，能夠滿足煤炭機(jī)械化采樣的要求，且已投用于國(guó)投京唐港、神東礦區(qū)等共20余套煤炭機(jī)械采樣項(xiàng)目中，系統(tǒng)能長(zhǎng)期安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地運(yùn)行，創(chuàng)造了較好的收益，獲得了良好的口碑。