基于PLC和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

李 康

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限公司寺河煤礦， 山西 沁水 048200）

引言

隨著帶式輸送機(jī)設(shè)備本體向大型化方向的發(fā)展，傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的諸多缺點逐步呈現(xiàn)出來，例如：安全保護(hù)系統(tǒng)相互獨立、信息不共享；故障檢測系統(tǒng)誤報率高，無法準(zhǔn)確顯示設(shè)備的運行狀況、變化趨勢；無管理級開放數(shù)據(jù)接口導(dǎo)致企業(yè)管理層無法實時了解掌握最新生產(chǎn)數(shù)據(jù)及進(jìn)度情況。因此，如何更好地擴(kuò)展帶式輸送機(jī)功能，更好地發(fā)揮帶式輸送機(jī)性能，使其向多元化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、無人化方向發(fā)展成為當(dāng)前一項迫切需要研究的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

寺河煤礦與山西晉城機(jī)械集團(tuán)股份有限公司將網(wǎng)絡(luò)信息融合技術(shù)與機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為寺河煤礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)建立了基于PLC和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的帶式輸送機(jī)智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用主要用于分散外圍設(shè)備與控制設(shè)備間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜ROFIBUS-DP作為PLC與現(xiàn)場分布式I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，采用光纖實現(xiàn)控制主站與控制從站之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)PLC與上位機(jī)及管理層數(shù)據(jù)通訊。

2 帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

寺河煤礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)由破碎機(jī)、給料機(jī)和三條帶式輸送機(jī)組成，帶式輸送機(jī)長度分別為120m、8300 m、260 m。其中，破碎機(jī)由l臺二象限變頻器驅(qū)動，8300 m帶式輸送機(jī)為下運，由3臺四象限變頻器驅(qū)動。此外，系統(tǒng)還包括了供配電開關(guān)、液壓張緊裝置、盤式制動裝置和現(xiàn)場保護(hù)傳感器等設(shè)備。

監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)和PLC組成兩級計算機(jī)控制系統(tǒng)：上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控、顯示、存儲運行數(shù)據(jù)及管理后臺數(shù)據(jù)庫。同時，通過無線網(wǎng)絡(luò)與管理級進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PLC由控制主站和控制分站組成。控制分站分別接收主站命令信號和現(xiàn)場設(shè)備反饋信號，并對現(xiàn)場信號進(jìn)行簡單處理后，將數(shù)據(jù)傳送給主站。同時，執(zhí)行主站下發(fā)的命令數(shù)據(jù)。控制主站接收控制分站反饋信號，并對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 系統(tǒng)工作模式

2.1.1 自動控制模式

自動控制模式主要通過PLC程序和組態(tài)軟件實現(xiàn)，操作人員可以在上位機(jī)上啟動、停止設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)人自動控制模式后先預(yù)警20 s，然后按照生產(chǎn)工藝流程順序啟動帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，并根據(jù)反饋信號自動實現(xiàn)報警和聯(lián)鎖功能。當(dāng)操作員按下停機(jī)按鈕時，系統(tǒng)按照逆序逐級停機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)中某臺設(shè)備出現(xiàn)故障或緊急停機(jī)時，故障帶式輸送機(jī)上級設(shè)備立即停機(jī)，下級設(shè)備繼續(xù)運行，直到物料排空。

2.1.2 手動操作模式

該模式下，操作員可以單獨操作設(shè)備的啟停狀態(tài)。解鎖狀態(tài)時，操作員可以不按照先后順序啟停設(shè)備。此時，保護(hù)傳感器等仍有保護(hù)作用，系統(tǒng)仍可進(jìn)行工況顯示。

2.1.3 檢修維護(hù)模式

在檢修維護(hù)模式下，輸送機(jī)脫離了計算機(jī)控制系統(tǒng)，僅能人工就地啟停設(shè)備，保障設(shè)備及人身安全。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)由2臺工控機(jī)組成，互為備用，當(dāng)其中任何l臺工控機(jī)出現(xiàn)故障時均可瞬間切換至另外l臺繼續(xù)運行，保證設(shè)備生產(chǎn)不受影響。主站為S7-400冗余系列PLC，分站S7-300系列PLC。主站、上位機(jī)、分站之間均通過交換機(jī)相連。PLC與現(xiàn)場級分布式I/O設(shè)備之間采用PROFIBUS-DP通信，控制主站與控制從站之間采用光纖傳輸通信，PLC與上位機(jī)及管理層數(shù)據(jù)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)。整個PLC系統(tǒng)模塊配置如圖2所示。

圖2 PLC系統(tǒng)模塊配置圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)共有三種工作模式：一是自動控制模式。使帶式輸送機(jī)根據(jù)生產(chǎn)工藝流程預(yù)先編制的程序來自動控制設(shè)備啟停，各種保護(hù)信號均投入；二是手動操作模式，手動按鈕控制設(shè)備啟停，保護(hù)信號均投入；三是檢修維護(hù)模式，手動按鈕控制設(shè)備啟停，保護(hù)信號選擇地投入如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作模式選擇流程圖

1）正常起車。開車前，智能控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場情況，首先進(jìn)行自檢，具體為采集各保護(hù)開關(guān)信號，診斷系統(tǒng)有無故障，是否滿足啟動條件。若均滿足，執(zhí)行啟動程序。

2）正常停車。運行中出現(xiàn)以下情況執(zhí)行正常停車程序包括人為按動停車按鈕；上下級聯(lián)鎖設(shè)備停車；液壓站油壓不足；出現(xiàn)保護(hù)開關(guān)信號動作；通訊中斷；自動開車條件失效。

2.4 系統(tǒng)功能及特點

1）現(xiàn)場傳感器信號的采集與處理。

2）不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息融合。安全保護(hù)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輸送帶檢測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息融合，集中管理，綜合監(jiān)控。

3）生產(chǎn)過程設(shè)備和工藝流程狀況監(jiān)測。對設(shè)備運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，提供設(shè)備運行變化趨勢及維修保養(yǎng)指導(dǎo)等。同時，實時監(jiān)控生產(chǎn)工藝流程中各個工藝環(huán)節(jié)的執(zhí)行情況，確保順利完成生產(chǎn)任務(wù)。

4）畫面顯示及后臺管理。畫面顯示整個生產(chǎn)系統(tǒng)中各設(shè)備的運行狀態(tài)，存儲相關(guān)工藝參數(shù)，記錄故障信息，提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和歷史數(shù)據(jù)曲線查詢，生成和打印各種報表。

5）完善的系統(tǒng)保護(hù)。可進(jìn)行短路、斷路、缺相、過載、過流、過壓、欠壓、超溫、超速、堵轉(zhuǎn)等綜合保護(hù)，同時，可監(jiān)控系統(tǒng)的打滑、堵料、皮帶撕裂等狀態(tài)。

6）節(jié)能降耗。根據(jù)上游料量情況，自動調(diào)整8300 m帶式輸送機(jī)速度。排料時料量大，提高帶式輸送機(jī)速度；料量少時，降低帶式輸送機(jī)速度，以實現(xiàn)節(jié)約能源，降低消耗。

7）提供管理層數(shù)據(jù)接口。企業(yè)授權(quán)的情況下，可為管理層開放數(shù)據(jù)接口。管理層可以實時查看現(xiàn)場運行情況，了解掌握最新生產(chǎn)數(shù)據(jù)及進(jìn)度情況。

8）自診斷功能?？刂茊卧茏詣釉\斷硬件故障信息，并將故障信息上送主控制級。

3 實踐應(yīng)用效益

該監(jiān)控系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)信息融合技術(shù)與傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，極大提升了傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的使用性和可靠性，對帶式輸送機(jī)行業(yè)的發(fā)展起到了良好地推動和促進(jìn)作用。順應(yīng)國家智能生產(chǎn)制造和傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展方向。該系統(tǒng)在同煤集團(tuán)寺河煤礦的實踐應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益，主要有：系統(tǒng)可提前預(yù)測及預(yù)判故障信息，降低了運行設(shè)備的故障率，降低了維修成本，提高了設(shè)備的使用壽命；系統(tǒng)保護(hù)功能完善齊全，可大大減少巡檢人員，降低企業(yè)人力成本，同時，提高效率，減輕工人勞動強(qiáng)度；四象限變頻器的應(yīng)用，能將回饋的電能進(jìn)行有效利用，從而節(jié)約電能，降低消耗。該系統(tǒng)在寺河煤礦經(jīng)過近半年試運行，實踐效果表明，該系統(tǒng)保護(hù)功能齊全、配置合理、通訊速率穩(wěn)定。每天可節(jié)約電能200 kW，共節(jié)約近36 MW，同時，巡檢維護(hù)人員減少了2/3。

4 結(jié)論

寺河煤礦與山西晉城機(jī)械集團(tuán)共同設(shè)計發(fā)了基于PLC和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單方便，運行良好，可靠性高，完全滿足寺河煤礦實際生產(chǎn)的需要。