黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備PLC集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馬尚禎 王海勇

（河南能源集團(tuán)鶴煤公司黨家河煤礦，陜西延安727502）

1 PLC集控系統(tǒng)的需求分析

黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備集控系統(tǒng)的控制范圍為至篩膠帶輸送機(jī)起至原煤倉(cāng)中間的全部生產(chǎn)及生產(chǎn)輔助系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)備臺(tái)數(shù)多，生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)多，設(shè)備運(yùn)行順序性強(qiáng)且運(yùn)行時(shí)間相對(duì)集中，任何一部設(shè)備啟停不當(dāng)都有可能造成運(yùn)輸事故，損壞設(shè)備。故此，實(shí)現(xiàn)地面原煤運(yùn)輸設(shè)備的集中控制，可以大大減少因設(shè)備啟停引起的事故，減少設(shè)備操作人員和維護(hù)人員，縮短設(shè)備啟停時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，為生產(chǎn)和調(diào)度管理提供極大的方便。

2 PLC集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備集控系統(tǒng)是以PLC為控制基礎(chǔ)的KJ58集中控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、PLC控制層和監(jiān)控信息層。集控系統(tǒng)的控制核心是位于中間層的PLC，負(fù)責(zé)下層設(shè)備控制及與上層通信聯(lián)系；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層通過(guò)開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)和部分標(biāo)準(zhǔn)的總線通信協(xié)議與PLC相連通；最上層是具備HMI功能的監(jiān)控設(shè)備與集中控制平臺(tái)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與PLC相連接，并對(duì)外提供開放的數(shù)據(jù)發(fā)布接口，加上上位機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，完成主控PLC、人機(jī)接口系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)原煤運(yùn)輸設(shè)備的集中控制。

集中控制室負(fù)責(zé)設(shè)備的啟停和安全運(yùn)行任務(wù)，采用PLC主站+分站的控制方式，分別完成各個(gè)關(guān)聯(lián)的設(shè)備啟停、保護(hù)實(shí)現(xiàn)、設(shè)備聯(lián)鎖、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)。信息層在控制室組成100M局域網(wǎng)，監(jiān)控主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)卡與PLC主機(jī)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?？刂茖覲LC主站與分站之間通過(guò)ControlNet總線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)集中控制室對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備的集中監(jiān)測(cè)控制；設(shè)備層各參控設(shè)備通過(guò)控制電纜與本地I/O模塊連接，實(shí)現(xiàn)各離散信號(hào)及模擬信號(hào)的監(jiān)控，或通過(guò)DH+網(wǎng)絡(luò)、DeviceNet網(wǎng)絡(luò)、Modbus網(wǎng)絡(luò)等采集數(shù)據(jù)。

3 PLC集控系統(tǒng)具體實(shí)施方案

黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備集中控制室共設(shè)有兩個(gè)分站，每個(gè)站均配置有高性能控制柜，PLC模塊放置在柜內(nèi)?？刂破鞑捎玫氖橇_克韋爾公司Controllogix系列PLC，整個(gè)控制系統(tǒng)主站和分站之間通過(guò)ControlNet總線網(wǎng)絡(luò)相連。在控制主站上配置有10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)模塊，與上位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)高速采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并發(fā)出相應(yīng)的控制指令。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸長(zhǎng)度，膠帶輸送機(jī)沿線每50 m設(shè)置有拉繩和跑偏保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)的事故保護(hù)功能。筒倉(cāng)內(nèi)配置有連續(xù)測(cè)量物位儀，實(shí)時(shí)監(jiān)視物位，監(jiān)控信號(hào)就近接入PLC控制分站中。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)為受控設(shè)備配置有就地按鈕盒實(shí)現(xiàn)就地控制。此外，還設(shè)置有兩臺(tái)集成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)操作員站，并兼有工程師站功能。在上位機(jī)上安裝有IFIX組態(tài)軟件，組態(tài)人機(jī)界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視，且組態(tài)軟件具備OPC功能，可對(duì)外通信。

3.1 上位機(jī)部分

上位機(jī)組態(tài)軟件選用的是美國(guó)通用公司的IFIX組態(tài)軟件，工作于Window XP SP2以上系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)圖形監(jiān)控、動(dòng)態(tài)圖形顯示、運(yùn)行數(shù)據(jù)采集管理、狀態(tài)趨勢(shì)圖、自診斷、報(bào)警等諸多功能，并提供多種數(shù)據(jù)接口（ODBC、OPC、DDE）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與傳播。

操作員站配置有兩臺(tái)戴爾計(jì)算機(jī)，兼工程師站，互為熱備，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境要求，其主要配置如下：

計(jì)算機(jī)不低于Dell Precision T5500/24"LCD，WinXP Pro.，共兩套。

集控室計(jì)算機(jī)設(shè)備采用25 kVA/2 h的UPS電源供電，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

上位機(jī)與控制系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接通信，系統(tǒng)的安全性和通信速率提高，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

3.2 PLC部分

控制主機(jī)采用的是羅克韋爾AB高端的1756-L71 CPU，具有大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有很高的處理能力，非常適用于大規(guī)模的I/O配置。

以太網(wǎng)模塊采用1756-ENBT，10/100 Mb/s自適應(yīng)，全/半雙工傳輸，可對(duì)傳輸協(xié)議TCP與UDP實(shí)現(xiàn)多協(xié)議運(yùn)行，RJ45連接將PLC連接到以太網(wǎng)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程與調(diào)試。

PLC控制柜采用主從分站的分布模式，采用ControlNet現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線，實(shí)現(xiàn)了主從分站之間數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定的實(shí)時(shí)交換，通信介質(zhì)為同軸電纜，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性，同時(shí)PLC主站控制柜預(yù)留冗余CPU的位置，以便將來(lái)擴(kuò)展冗余控制系統(tǒng)。

PLC電源模塊選用的是交流凈化穩(wěn)壓電源，保證了控制系統(tǒng)供電的穩(wěn)定可靠；PLC控制柜內(nèi)安裝有PLC控制模塊、I/O分站模塊、24 V DC穩(wěn)壓電源，保證了控制系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)部分

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)配置有防爆按鈕盒，主要作用是提供靈活的控制功能，當(dāng)設(shè)備控制方式在“集控”狀態(tài)時(shí)，該設(shè)備由集控系統(tǒng)控制操作，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法開車；當(dāng)控制方式在“就地”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備由崗位操作人員就地控制操作；當(dāng)控制方式在“檢修”狀態(tài)時(shí)，就地和集控均無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備的控制，保證了現(xiàn)場(chǎng)的人員和設(shè)備安全。

3.4 與其他系統(tǒng)的接口方案

黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備集控系統(tǒng)是一套獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，預(yù)留多種接口與其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。

（1）硬件接口：控制系統(tǒng)在控制柜內(nèi)預(yù)留以太網(wǎng)通信接口、RS485接口、DH+接口和DNB接口，為系統(tǒng)的擴(kuò)展及子系統(tǒng)接入提供便利。

（2）軟件接口：控制系統(tǒng)可為其他系統(tǒng)提供4種不同的軟件接口：基于DH+通信協(xié)議的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；基于Modbus RTU通信協(xié)議的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；基于DeviceNet總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；基于TCP/IP協(xié)議的PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

4 PLC集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備集控系統(tǒng)有兩種控制操作方式，即控制室集中控制操作和現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)就地操作方式。控制室集中控制是主要操作方式，現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)就地操作方式主要用于設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)。

（1）集中控制操作方式：即通過(guò)工控機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)，結(jié)合工控機(jī)大彩顯示屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備的啟?？刂啤Ｔ诖朔N方式下，設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系可以方便地設(shè)定或解除。該方式是原煤運(yùn)輸?shù)闹鞑僮鞣绞剑撓到y(tǒng)故障時(shí)，可以選用現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)操作方式。

（2）現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)就地操作方式：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近均配置就地操作控制按鈕，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備的啟停控制，該操作方式主要用于單機(jī)調(diào)試、檢修維護(hù)。在此工作方式下，設(shè)備的操作獨(dú)立于PLC控制，確保在集控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響正常生產(chǎn)。

（3）故障自動(dòng)停機(jī)功能：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)自檢故障、保護(hù)裝置動(dòng)作以后，故障設(shè)備以及煤流上游設(shè)備立即停止運(yùn)行（工藝設(shè)備要求必須延時(shí)停車的除外），下游設(shè)備繼續(xù)保持運(yùn)行，待下游設(shè)備原煤拉空后，可以根據(jù)故障情況人為依次將下游設(shè)備停機(jī)。

（4）緊急停車功能：出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下工控機(jī)大彩顯示屏監(jiān)控畫面上的模擬緊急停機(jī)按鈕，系統(tǒng)內(nèi)全部設(shè)備立即自動(dòng)停機(jī)。

（5）保護(hù)動(dòng)作或系統(tǒng)自檢故障自動(dòng)停機(jī)功能：1）當(dāng)設(shè)備自身存在故障時(shí)，設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)，監(jiān)控畫面上會(huì)發(fā)出相應(yīng)故障的文字報(bào)警信息。2）當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)故障或保護(hù)動(dòng)作時(shí)，監(jiān)控畫面上會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息，集控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)報(bào)警信息作出相應(yīng)的停機(jī)處理，有效避免故障的發(fā)生和擴(kuò)大。3）系統(tǒng)能自動(dòng)顯示、記錄設(shè)備故障性質(zhì)、故障地點(diǎn)及發(fā)生故障的時(shí)間。

（6）安全管理功能：為確保安全生產(chǎn)，集控軟件設(shè)置有用戶登陸界面，對(duì)不同登陸人員設(shè)置不同的權(quán)限，并對(duì)登陸人員作操作記錄。1）管理員用戶能監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作設(shè)備運(yùn)行、修改工藝。2）操作員用戶能監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作設(shè)備運(yùn)行。3）普通用戶能監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。4）非法用戶不能登陸。

5 PLC集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

KJ58集控系統(tǒng)充分考慮到黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備的選型和運(yùn)行特性，又結(jié)合原煤運(yùn)輸設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，該集控系統(tǒng)具有水平先進(jìn)、可靠性強(qiáng)、易擴(kuò)展、易操作等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備可操作性和安全性。

5.1 水平先進(jìn)

在集控系統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)選型時(shí)，充分考慮了集控系統(tǒng)的先進(jìn)性，保證此套集控系統(tǒng)在投運(yùn)后仍然具有很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性和升級(jí)功能。先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的選用，確保了集控系統(tǒng)功能、性能的優(yōu)質(zhì)性、可靠性、穩(wěn)定性，無(wú)論技術(shù)水平還是管理水平都居國(guó)內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)行列。

5.2 可靠性強(qiáng)

可靠性是集控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，此套系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、加工制造工藝、調(diào)試投運(yùn)等每一步都把可靠性放在第一位，在集控系統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)設(shè)計(jì)選型上也嚴(yán)格遵循這一標(biāo)準(zhǔn)。

（1）系統(tǒng)中所選用的設(shè)備均是有國(guó)內(nèi)外知名廠家生產(chǎn)，均有良好的產(chǎn)品質(zhì)量和完善的售后服務(wù)保證，系統(tǒng)所用端子排、電纜走線槽、電裝線及走線槽均具有良好的耐熱性和阻燃性，極大地提高了集控系統(tǒng)的可靠性，有效保證了集控系統(tǒng)長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）集控系統(tǒng)電源采用雙回路供電，確保供電安全，大大減少了因系統(tǒng)電源故障引起的事故，有效保證了集控系統(tǒng)長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）系統(tǒng)設(shè)備加設(shè)有各級(jí)保護(hù)功能，所有控制命令均采用兩級(jí)確認(rèn)菜單，有效防止了因操作人員誤操作而引起的事故。

（4）系統(tǒng)設(shè)置有故障檢測(cè)報(bào)警和應(yīng)急處理功能。系統(tǒng)能夠自診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的安全隱患，并根據(jù)隱患內(nèi)容做出相應(yīng)的應(yīng)急處理，防患于未然，有效避免了小故障釀成的大事故。

5.3 易擴(kuò)展

系統(tǒng)軟件和硬件配置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均具有很強(qiáng)的易擴(kuò)展性。一方面，系統(tǒng)所選用的硬件為系統(tǒng)今后的升級(jí)、完善均留有充裕的擴(kuò)展容量；另一方面，系統(tǒng)具有靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將來(lái)需擴(kuò)展系統(tǒng)在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加部分設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需更換現(xiàn)有系統(tǒng)的軟件、硬件，更不會(huì)影響現(xiàn)有系統(tǒng)的運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

以PLC為控制核心的KJ58集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了黨家河煤礦原煤運(yùn)輸設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停控制、順序控制、聯(lián)鎖控制、保護(hù)控制等功能，并對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大提高了設(shè)備的可控制性和安全性，降低了設(shè)備的損壞率和操作強(qiáng)度，方便了設(shè)備的檢修和維護(hù)，確保了原煤運(yùn)輸設(shè)備的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)，使黨家河煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益都有了很大提高。