基于PLC的選煤廠智能控制系統設計與研究

劉永光

(西山煤電股份有限公司 西銘礦 選煤廠，山西 太原 030053)

0 引言

受井下煤質及復雜地質結構的影響，煤礦開采的原煤中通常包含部分矸石、硫化物等雜質，不僅會降低煤炭產量，還會造成污染，需通過洗煤、選煤等工藝流程降低灰分及硫分含量，從而有效提高精煤的產量，并達到節能環保的目的。因此針對選煤廠控制系統進行升級改造，在提高其選煤效率及智能化程度的同時對于提高煤炭利用率、實現煤礦生產自動化至關重要。

本文以西山煤電西銘礦選煤廠為例，在對其現有的控制系統現狀進行分析后，提出了相應的系統升級及優化整合方案，以PLC為控制核心設計了基于雙機熱備及環網冗余技術的選煤廠智能控制系統。通過對主洗車間、新筒倉、淺槽車間的PLC主控器等主要硬件的升級及運行模式優化、通訊網絡的重新架構、上位機監控軟件的升級等，實現了系統主備PLC的實時切換及數據的實時高效傳輸，有效地提高了選煤廠原控制系統的數據傳輸性能及可靠性。

1 系統總體方案設計

1.1 控制系統改造方案

本文在西山煤電西銘礦選煤廠集中控制系統的基礎上對控制核心及通信網絡進行重新架構及硬件升級，從而實現該選煤廠的智能化控制，現有主洗車間控制系統結構如圖1所示。

在硬件方面，原控制系統主要采用GE(美國通用公司)控制產品，包括主洗車間、新筒倉(含準備車間IO，運銷車間IO)、淺槽車間共3套PAC7i及PAC3i系列主控PLC，通訊部分以Versamax IO系列產品為主，通過Genius總線實現通訊。軟件方面主要采用GE公司的Proficy IFIX系列數據采集控制平臺，具體情況如下：

(1) 主洗車間：PAC3i單機控制器通過本地擴展電纜方式連接本地IO，通過Genius百通電纜與廠外遠程的Versamax IO通訊。

(2) 淺槽車間：采用PAC3i控制器通過以太網與PAC3i ENIO通訊。

(3) 新筒倉：采用PAC7i冗余控制器通過Genius總線與9070 I/O通訊。

目前該選煤廠控制系統已投入運行10年之久，其主控器CPU、Genius總線控制器及Versamax IO產品已進入停產階段，無法滿足當前煤炭自動化及下一代工業互聯的發展需要。在網絡通訊方面，原系統所采用的Genius協議通訊速率慢、抗干擾能力較差、系統穩定性不強，頻繁發生IO掉線現象，無法滿足系統的通訊需求。

根據上述對選煤廠控制系統現狀的分析，本文提出了以下系統升級改造方案：在控制核心方面，本文對PLC主控器的CPU進行硬件升級，同時將單控制器升級為互為熱備冗余的冗余控制器，有效提高了系統的控制性能及可靠性；在通訊網絡方面，將Versamax IO分站升級為PAC3i Profinet遠程IO站，通訊接口由Genius更新為Profinet網絡接口模塊，通過Profinet環網冗余技術有效提高了系統的通訊能力；在軟件方面，本文采用美國GE公司的iFIX v5.9自動化監視與控制組態軟件，該軟件基于Windows操作系統及SCADA引擎，具有良好的開放性及可擴展性[1-3]。

1.2 系統架構

根據上述系統升級方案，本文采用PLC雙機熱備技術及Profinet環網結構對整個控制系統進行架構，主洗車間控制系統升級之后，其控制器采用雙機熱備冗余PLC，總線通訊模塊采用PAC Systems RX3i Profinet總線控制器模塊，網絡接口單元采用Profinet網絡接口模塊，控制器CPU采用具有內置USB和以太網的PAC Systems RX3i雙槽CPU。PLC主控器通過以太網與調度指揮中心上位機進行通訊，配電室等各IO分站通過Profinet環網與主控PLC實現數據通信，從而實現運行數據的采集上傳及控制指令下達、執行等控制功能。主控PLC互為熱備的冗余結構可保證任意一個控制器出現故障時無擾動實時同步切換到備用控制器繼續運行[4-6]。淺槽車間及新筒倉相應控制系統的升級方案與系統架構與主洗車間相同，系統整體結構如圖2所示。

圖1 現有主洗車間控制系統結構示意圖

圖2 選煤廠智能控制系統總體結構圖

2 硬件方案設計

本控制系統的硬件升級及設計部分主要包括PLC主控模塊、總線通訊模塊和網絡接口模塊的選型及設計，具體硬件方案設計如下：

采用雙機熱備冗余CPU控制器方案替代原單CPU控制器，控制器CPU型號選用IC695CPK330中央處理器模塊，其內部具備32位1 GHz雙核微處理器及64 MB的用戶內存，支持Profibus、DeviceNet、Genius等多種現場總線及工業以太網通訊(包括SRTP TCP/IP、EGD、Modbus TCP/IP)，同時內置兩個獨立的MAC千兆以太網口、USB2.0通訊接口及CF Card擴展存儲卡槽。CPU支持以太網遠程I/O站及高密度離散量I/O、通用模擬量(TC、RTD、應變儀、每個通道的電壓電流組態)I/O、隔離模擬量I/O、高密度模擬量I/O、高速計數器、運動控制模塊、通訊模塊和其他特殊應用模塊，最多支持16個中斷優先級，可滿足本系統實時多任務控制需求[7,8]。

PLC主控器通過工業交換機RJ45接口經前置通信處理機與控制系統實現通訊，其以太網通訊模塊選用型號為IC695ETM001，該模塊直接通過背板總線與CPU模塊通訊，同時該模塊提供了2個標準的10/100 mb/s自適應RJ45接口，直接支持國際標準的開放的Modbus TCP、SRTP、EGD等多種協議，無需二次開發編程或網關轉換，有效降低開發接口程序風險，從而保證PLC與控制系統間穩定、可靠通訊。

為了支持兩臺CPU的雙機熱備冗余通訊，選用IC695RMX128型冗余通訊模塊實現主備CPU間的快速光纖通訊，當主CPU模塊或系統發生故障時，通過RMX模塊可以完全同步切換至備用CPU模塊，保證控制系統不間斷工作。

選用IC695PNC001型Profinet控制器實現全系統的Profinet環網通訊，該模塊可支持10/100/1 000 Mb/s網絡，具備2個RJ45及2個SFP端口，最大I/O內存為128 kB，單模塊最大支持I/O站個數及Profinet槽個數分別為64及256，可完全滿足本系統的通訊需求。

系統控制核心的網絡接口模塊選用型號為IC695PNS001型Profinet網絡接口模塊，采用星、環型網絡拓撲結構，總線速度可達1 Gb/s，每次總線掃描輸入及輸出均可達1 440 B，最多可支持128個Profinet分站。

3 軟件方案設計

本系統上位機集控軟件選用GE公司的iFIX v5.9數據采集監控平臺，iFIX軟件分布式客戶/服務器結構包括了可靈活構建的服務器和客戶終端，每臺計算機操作站擁有獨立節點，PLC中的每個數據項都具備唯一節點名，iFIX網絡通過識別SCADA Server節點名、數據點名及數據域實現數據讀取，各客戶端可以訪問網絡中任意SCADA Server節點中的任意數據，并在iClient客戶端顯示實時動態工況畫面、動態參數值、趨勢實時曲線、歷史曲線顯示和報表等。本系統下位機軟件采用模塊化設計，將整個自動選煤流程分為系統初始化、末煤分選、末煤處理、塊煤分選和塊煤處理等部分，下位機主程序流程如圖3所示。

圖3 下位機主程序流程圖

4 結束語

本文對西山煤電西銘礦選煤廠控制系統進行了升級改造，采用雙機熱備冗余PLC控制模式及Profinet環網通訊結構替代原有單CPU及Genius通訊的控制系統，設計了一套網絡實時性高、控制性能良好、穩定性高的選煤廠智能控制系統，通過控制器冗余結構及Profinet通訊環網實現了主備控制器的實時同步切換及數據高速穩定傳輸。