基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的煤礦篩選系統(tǒng)集控設(shè)計與研究

馬文超

河南理工大學，河南焦作 454000

河南省新鄭煤電有限責任公司，河南新鄭 451100

基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的煤礦篩選系統(tǒng)集控設(shè)計與研究

馬文超

河南理工大學，河南焦作 454000

河南省新鄭煤電有限責任公司，河南新鄭 451100

本文分析了趙家寨煤礦篩選系統(tǒng)集中控制的設(shè)計原理及實施過程，對集中控制系統(tǒng)的軟件及硬件配置進行了技術(shù)探討和實踐應用，具有良好的推廣價值。

現(xiàn)場總線；煤礦；篩選系統(tǒng)；集中控制

1 趙家寨煤礦及篩選系統(tǒng)簡介

河南趙家寨煤礦年產(chǎn)原煤300萬噸，井田面積48.96km2，可采儲量2.23億噸。該礦篩分系統(tǒng)流程如下：原煤由箕斗提升至井口卸載位置，卸入受煤倉，通過倉下給煤機運入原煤膠帶運輸機至準備車間。原煤經(jīng)過除鐵后，進入兩臺50mm三段螺旋篩進行分級，50mm篩上品進入兩條手選膠帶運輸機，手選揀煤，矸石進入四部排矸皮帶進行轉(zhuǎn)運。揀出的大塊煤由大塊煤上倉膠帶運輸機運至大塊煤汽車倉地銷，倉容400t。兩臺螺旋篩篩下品分別進入兩臺二級螺旋篩進行分級，二級螺旋篩篩下末煤直接經(jīng)混煤上倉膠帶運輸機進入裝車倉，13～50mm小塊煤由小塊煤轉(zhuǎn)載膠帶運輸機運至小塊煤裝車倉，倉下設(shè)液動扇形閘門，裝汽車地銷。

2 設(shè)計原理

2.1硬件設(shè)計部分

根據(jù)現(xiàn)場實際情況可將地面篩選系統(tǒng)設(shè)計為三部分：原煤篩選系統(tǒng)、排矸控制系統(tǒng)和返煤裝車控制系統(tǒng)。三個子系統(tǒng)通過地面生產(chǎn)集控系統(tǒng)并接入綜合自動化監(jiān)控平臺，實現(xiàn)就地和綜合集控中心遠方監(jiān)測監(jiān)控。電控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

在篩選系統(tǒng)設(shè)備室建立系統(tǒng)集控室，在篩選系統(tǒng)集控室設(shè)置操作臺，并配有上位機集控系統(tǒng)。在篩選集控車間安裝集控操作臺、1臺工控機、工業(yè)液晶顯示器1臺、生產(chǎn)環(huán)節(jié)視頻監(jiān)控1套、語音網(wǎng)關(guān)，通過視頻、語音和控制三位一體，實現(xiàn)新篩分系統(tǒng)自動控制，并通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳礦綜合集控中心實現(xiàn)地面篩分系統(tǒng)遠程監(jiān)控。

該系統(tǒng)采用多臺PLC組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過中央集控室上位機控制和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，完成系統(tǒng)對整個篩分過程的遙控、遙測，遙信、遙調(diào)，遙視，最終構(gòu)成一個完善的篩選系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)組成的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2軟件設(shè)計部分

PLC的軟件設(shè)計主要完成皮帶運輸機運行狀態(tài)的控制和相應的故障處理、應急處理，同時響應人機交互指令，為上位機提供皮帶運行中實時的狀態(tài)信號參數(shù)。PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主程序的設(shè)計、各功能塊程序的設(shè)計、故障程序和通信程序的設(shè)計、PLC的I/O地址分配、模擬量的輸入輸出分配等部分。主程序和各個功能塊程序的設(shè)計應該能夠?qū)崿F(xiàn)所有被控設(shè)備的順序啟停，單部設(shè)備的啟動停止，遠程/就地切換等功能。故障檢測保護程序主要實現(xiàn)對皮帶運輸機的運行狀態(tài)監(jiān)控，通過讀取各個傳感器狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)對皮帶運輸機故障的發(fā)現(xiàn)及采取必要的措施。通信程序包括從站和主站之間的PROFIBUS現(xiàn)場總線通信程序和主站與上位機之間的以太網(wǎng)通信程序。在PLC設(shè)計之初，應該對所需的輸入、輸出點有一個大概的了解，同時保證選用的PLC型號要留有一定的富余量。

根據(jù)篩選廠篩分系統(tǒng)的工藝流程，設(shè)計程序設(shè)計了主程序和各個功能模塊的功能。主站S7-300PLC負責接收分站ET-200上傳的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)系統(tǒng)的分散控制集中管理。

3 項目實施的運行情況及改造效益

3.1項目的運行情況

項目實施周期8個月。項目投入運行以來，效果良好，完全實現(xiàn)了對整個原煤篩選系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控，實現(xiàn)原煤篩選系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制。在運行的過程中，根據(jù)運行的實際情況和工人的操作習慣，后期也做了部分的改動?？傮w而言，雖然項目后期還有大量工作需要做，但是項目的運行基本達到預期效果。

3.2項目改造效益

3.2.1社會效益

1）提高礦井安全生產(chǎn)管理水平，實現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)狀態(tài)的遙感、遙調(diào)、遙信、遙測和遠程診斷，進一步優(yōu)化調(diào)度協(xié)調(diào)工作。

2）礦井安全保障。提高了自動化水平和安全生產(chǎn)水平，可向礦井管理系統(tǒng)提供準確實時的各種安全、生產(chǎn)信息，發(fā)揮綜合監(jiān)控和協(xié)調(diào)作用，正常情況下確保礦井的安全生產(chǎn)，事故情況下，可以為搶險工作提供必要的指導。

3）實現(xiàn)生產(chǎn)安全信息集中監(jiān)測；實現(xiàn)無人值守或少人值守，達到減人增效的目的。

4）提高企業(yè)自動化管理水平，提升了企業(yè)綜合形象。

3.2.2經(jīng)濟效益

1）實現(xiàn)了自動化減人。原煤篩選系統(tǒng)集控，降低了工人的勞動強度，實現(xiàn)崗位無人值守和減崗減員的目的，每班可減少出勤人員10人，按照月4200元工資算，每年節(jié)省成本151.2萬元。改造前原煤篩選系統(tǒng)每班需出勤22人，改造完成后12人就能滿足正常生產(chǎn)。

2）實現(xiàn)了自動化增效。原煤篩選系統(tǒng)集控中心投入運行后，設(shè)備實現(xiàn)自動控制，故障自動報警，發(fā)現(xiàn)、處理故障時間比以往大大縮短，平均每班影響時間僅為10min，而且切換生產(chǎn)路徑、配倉時間只需30秒，并實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)流量、煤位測量。按照每班減少故障影響10min計算，每年累計減少事故影響時間約180小時，增加經(jīng)濟效益230萬元。

2）機械手運動過程反解。

已知機器人的平動盤中心點坐標位置，反過來推算每根軸的旋轉(zhuǎn)角度機械結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)已知Lt、Lb、L1、L2、（X，Y），我們通過列舉方程式求解得出θ1、θ2。最后在程序里建立相應的變量，編寫相應梯形圖或者ST語言程序?qū)崿F(xiàn)這個反解算式。這樣，對相應變量輸入預計坐標后，就能實時得到電機應該旋轉(zhuǎn)的角度了。反解算法功能塊如圖5所示。

反解功能塊采用分步計算的原理，整合各功能在一個功能塊中，包括：（1）根據(jù)兩點坐標算出兩點距離；（2）通過構(gòu)建三角形的數(shù)學方法在多個三角形中依次解出角度θ1、θ2。

正反解算法靈活運用Sysmac Studio環(huán)境中的ST語言和LD語言編寫，分步式的編程思路邏輯性強，能夠為后期程序調(diào)試以及修改提供極大便利。

4 結(jié)論

本文以歐姆龍NJ501-1500PLC為控制器核心，深入研究了在Sysmac Studio環(huán)境中實現(xiàn)Delta并聯(lián)機械手運動控制的算法以及編程、調(diào)試，并使用NS系列觸摸式可編程終端進行上位機監(jiān)控。

［1］劉彥伯.一種Delta型并聯(lián)機器人的機構(gòu)設(shè)計與分析［J］.科技信息，2011（21）.

［2］王月芹.基于歐姆龍NJ控制器機械手控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013（3）.

［3］徐世許.機器自動化控制器原理與應用［Z］.機械工業(yè)出版社，2013.

TP3

A

1674-6708（2015）147-0158-02