全集成自動(dòng)化軟、硬件在礦山企業(yè)的應(yīng)用和思考

邱永紅

（白銀有色集團(tuán)股份有限公司深部礦業(yè)公司，甘肅 白銀730900）

雖然智能化、自動(dòng)化在現(xiàn)代礦業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用已不是新生事物，但在我國(guó)絕大多數(shù)礦山，尤其是已經(jīng)開(kāi)發(fā)十幾年以上的老礦山，要實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)還是任重道遠(yuǎn)，這些企業(yè)面臨的困難無(wú)非是基礎(chǔ)設(shè)施距離實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化差距大，系統(tǒng)改造需要較長(zhǎng)時(shí)間和大量經(jīng)費(fèi)。對(duì)于這些老礦山而言，只能選取單個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，然后以點(diǎn)帶面，再逐個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，然后全網(wǎng)合并，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化、自動(dòng)化。本文以礦山高位水池上水的遠(yuǎn)程集控自動(dòng)化為實(shí)例，闡明如何利用全集成自動(dòng)化軟、硬件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的目的。

1 布局和組網(wǎng)

圖1 高位水池上水控制系統(tǒng)硬件連接圖

在監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，上位機(jī)是指可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC/主機(jī)，其屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是指直接控制設(shè)備、獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)，它連續(xù)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。本實(shí)例是一個(gè)高位水池上水的控制系統(tǒng)，涉及高位水池、加壓泵房、大樓泵房三地，相距較遠(yuǎn)，且高位水池位于山頂，故除在三地均架設(shè)無(wú)線網(wǎng)橋外，于半山腰尚增設(shè)一處無(wú)線網(wǎng)橋作為中繼。同時(shí)為避免長(zhǎng)距離敷設(shè)電源，采用太陽(yáng)能電池板為半山腰無(wú)線網(wǎng)橋供電。其余控制設(shè)備、采集設(shè)備就近連接，見(jiàn)圖1。

2 開(kāi)發(fā)流程

博途是西門(mén)子公司發(fā)布的一款全新的全集成自動(dòng)化軟件。它是業(yè)內(nèi)首個(gè)采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化軟件，幾乎適用于所有自動(dòng)化任務(wù)。借助該全新的工程技術(shù)軟件平臺(tái)，用戶能夠快速、直觀地開(kāi)發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)。

打開(kāi)軟件后，在博途視圖中，其開(kāi)發(fā)流程大致分為五步：

（1）設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)：組態(tài)設(shè)備。

（2）PLC編程：創(chuàng)建PLC程序。

（3）運(yùn)動(dòng)控制&技術(shù)：組態(tài)工藝對(duì)象。

（4）可視化：組態(tài)HMI畫(huà)面。

（5）在線與診斷。

2.1 組態(tài)設(shè)備

設(shè)置自動(dòng)化系統(tǒng)需要對(duì)各硬件組件進(jìn)行組態(tài)、分配參數(shù)和互連?？稍谠O(shè)備和網(wǎng)絡(luò)視圖中執(zhí)行這些操作。自動(dòng)化系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU會(huì)比較軟件的預(yù)設(shè)組態(tài)與系統(tǒng)的實(shí)際組態(tài)。如此將檢測(cè)可能的錯(cuò)誤并直接進(jìn)行報(bào)告。

2.1.1 添加S7-1200 CPU，用于創(chuàng)建PLC程序

在項(xiàng)目樹(shù)中，雙擊“添加新設(shè)備”，單擊“控制器”，雙擊“SIMATIC S7-1200”將其展開(kāi)，雙擊“CPU”將其展開(kāi)，雙擊“CPU 1212C DC/DC/Rly”將其展開(kāi)，單擊“6ES7 212-1HE40-0XB0”，版本依實(shí)際選擇為V4.2，確定。雙擊其以太網(wǎng)接口，在IP協(xié)議中，更改IP地址為PLC實(shí)際的IP地址。

2.1.2 添加PC工作站，用于組態(tài)HMI畫(huà)面

在項(xiàng)目樹(shù)中，雙擊“添加新設(shè)備”，單擊“PC系統(tǒng)”，雙擊“SIMATIC HMI應(yīng)用軟件”將其展開(kāi)，單擊“WinCC RT Advanced”，版本依實(shí)際選擇為15.0.0.0，確定。在硬件目錄中，雙擊“通訊模塊”將其展開(kāi)，雙擊“PROFINE T/E thernet”將其展開(kāi)，單擊“常規(guī)IE”，將其拖曳到右側(cè)的藍(lán)色方框中。雙擊其以太網(wǎng)接口，在IP協(xié)議中，更改IP地址為主機(jī)實(shí)際的IP地址。

獲取主機(jī)實(shí)際的IP地址的方法如下：

在任務(wù)欄單擊網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)，單擊“打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)和共享中心”，單擊“本地連接，單擊“詳細(xì)信息”，在IPv4地址一欄中，可看到主機(jī)實(shí)際的IP地址。

2.1.3 連接S7-1200 CPU和PC工作站

在項(xiàng)目樹(shù)中，雙擊“設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)”，拖曳連接兩者的以太網(wǎng)接口。

2.2 創(chuàng)建PLC程序

在項(xiàng)目樹(shù)中，雙擊“PLC_1[CPU 1212C DC/DC/Rly]”將其展開(kāi)，雙擊“程序塊”將其展開(kāi)，雙擊“Main[OB1]”，利用指令編輯高位水池上水控制的梯形圖。

其中基本指令包括：位邏輯運(yùn)算、定時(shí)器操作、比較操作、數(shù)學(xué)函數(shù)、移動(dòng)操作、轉(zhuǎn)換操作等11類(lèi)。僅以“延時(shí)接通”指令為例進(jìn)行介紹，見(jiàn)圖2。

當(dāng)輸入IN的邏輯運(yùn)算結(jié)果(RLO)從“0”變?yōu)椤?”（信號(hào)上升沿）時(shí)，啟動(dòng)該指令。指令啟動(dòng)時(shí)，預(yù)設(shè)的時(shí)間PT即開(kāi)始計(jì)時(shí)。超出時(shí)間PT之后，輸出Q的信號(hào)狀態(tài)將變?yōu)椤?”。只要啟動(dòng)輸入仍為“1”，輸出Q就保持置位。啟動(dòng)輸入的信號(hào)狀態(tài)從“1”變?yōu)椤?”時(shí)，將復(fù)位輸出Q。在啟動(dòng)輸入檢測(cè)到新的信號(hào)上升沿時(shí)，該定時(shí)器功能將再次啟動(dòng)。可以在ET輸出查詢當(dāng)前的時(shí)間值。該定時(shí)器值從T#0s開(kāi)始，在達(dá)到持續(xù)時(shí)間值PT后結(jié)束。只要輸入IN的信號(hào)狀態(tài)變?yōu)椤?”，輸出ET就復(fù)位。每次調(diào)用“延時(shí)接通”指令，必須將其分配給存儲(chǔ)指令數(shù)據(jù)的IEC定時(shí)器。

圖2 延時(shí)接通指令的工作原理

下面，以程序段7為例進(jìn)行說(shuō)明，見(jiàn)圖3。

支路1～3是與出水壓力有關(guān)的工況。在電機(jī)運(yùn)行和聯(lián)鎖投用的狀態(tài)時(shí)，支路1表示，當(dāng)出水壓力值在0.45Mpa～0.5Mpa之間波動(dòng)時(shí)，等待40秒，若其仍不能恢復(fù)正常則停機(jī)；支路2表示，當(dāng)出水壓力值小于0.5Mpa或者大于1.1Mpa時(shí)，等待40秒，若其仍不能恢復(fù)正常則停機(jī)；支路3表示，當(dāng)出水壓力值小于0.4Mpa時(shí)，僅等待1秒，然后停機(jī)。

支路4是與電機(jī)電流有關(guān)的工況。在電機(jī)運(yùn)行和聯(lián)鎖投用的狀態(tài)時(shí)，若電機(jī)電流值小于40A或大于99A，僅等待1秒，然后停機(jī)。

支路5、6是與電機(jī)軸承溫度有關(guān)的工況。在電機(jī)運(yùn)行和聯(lián)鎖投用的狀態(tài)時(shí)，若前軸承溫度值大于80℃或者后軸承溫度值大于75℃，立即停機(jī)。

另外，雖然采集了電機(jī)振動(dòng)值、液位值和流量值，但僅在人機(jī)畫(huà)面中做顯示之用，未參與聯(lián)鎖跳停控制，后期可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，隨時(shí)加入。

圖3 聯(lián)鎖跳?？刂?/p>

2.3 組態(tài)工藝對(duì)象

這是博途的運(yùn)動(dòng)控制功能，可幫助用戶控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。由于本實(shí)例不涉及，僅此提出，讀者可自行研究。

2.4 組態(tài)HMI畫(huà)面

在WinCC中，可以創(chuàng)建操作員用來(lái)控制和監(jiān)視機(jī)器設(shè)備和工廠的畫(huà)面。創(chuàng)建畫(huà)面時(shí)，為用戶在顯示過(guò)程、創(chuàng)建設(shè)備圖像和定義過(guò)程值方面提供支持。

在項(xiàng)目樹(shù)中，雙擊“HMI_RT_1[WinCC RT Advanced]”將其展開(kāi)，雙擊“運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)置”，將屏幕分辨率設(shè)置為1920×1080，雙擊“畫(huà)面”將其展開(kāi)，雙擊“添加新畫(huà)面”，利用工具箱中的基本對(duì)象、元素和控件等編輯運(yùn)行系統(tǒng)人機(jī)界面。見(jiàn)圖4。

圖4 運(yùn)行系統(tǒng)人機(jī)界面

2.5 在線與診斷

2.5.1 配置PG/PC接口

如果通過(guò)不同子網(wǎng)連接項(xiàng)目的設(shè)備，則會(huì)將合適的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)分配到每個(gè)PG/PC接口，以建立到目標(biāo)系統(tǒng)的在線連接。

單擊“開(kāi)始”，單擊“控制面板”，查看方式為圖標(biāo)時(shí)，單擊“設(shè)置PG/PC接口（32位）”，在“為使用的接口分配參數(shù)（P）”中，選擇“主機(jī)網(wǎng)卡型號(hào).TCPIP.1”，確定。

2.5.2 使用S7-PLCSIM進(jìn)行設(shè)備仿真

可使用博途軟件，在仿真環(huán)境下運(yùn)行和測(cè)試項(xiàng)目的硬件和軟件，而無(wú)需附加硬件。用戶可以在一個(gè)圖形用戶界面來(lái)監(jiān)視和更改組態(tài)。

在項(xiàng)目樹(shù)中，單擊“PLC_1[CPU 1212C DC/DC/Rly]”，單擊工具欄的“開(kāi)始仿真”按鈕，單擊“確定”，單擊“下載”，單擊“裝載”，單擊“無(wú)動(dòng)作”，選擇“啟動(dòng)模塊”，單擊“完成”。

在項(xiàng)目樹(shù)中，單擊“HMI_RT_1[WinCC RT Advanced]”，單擊工具欄的“開(kāi)始仿真”按鈕，后續(xù)操作同上。

此時(shí)，彈出仿真的運(yùn)行系統(tǒng)人機(jī)界面，見(jiàn)圖4。用戶可在其中進(jìn)行模擬操作，以驗(yàn)證和測(cè)試項(xiàng)目的功能。

3 應(yīng)用思考

3.1 視頻監(jiān)控的問(wèn)題

本實(shí)例中，因現(xiàn)場(chǎng)不需要視頻監(jiān)控，沒(méi)有采購(gòu)攝像頭。但組態(tài)畫(huà)面時(shí)，仍利用控件中的攝像頭視圖預(yù)留了位置，可在以后擴(kuò)展；并預(yù)留了視頻監(jiān)控的切換按鈕，以節(jié)省主機(jī)資源。

另外，若因許可證等不可預(yù)知的原因，不能使用攝像頭視圖時(shí)，可以采購(gòu)支持瀏覽器訪問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，在WINCC畫(huà)面里調(diào)用HTML瀏覽器，不失為一種可行的方法。

3.2 遠(yuǎn)控設(shè)備參與集成的問(wèn)題

隨著遠(yuǎn)程控制設(shè)備的普及，利用互聯(lián)網(wǎng)、APP和手機(jī)，即可進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的遠(yuǎn)程操作，對(duì)于一些簡(jiǎn)單設(shè)備的操作，甚至自動(dòng)化控制，省去了組網(wǎng)的麻煩和費(fèi)用。

3.3 多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)的問(wèn)題

在已組網(wǎng)的范圍內(nèi)，應(yīng)積極考慮用一臺(tái)主機(jī)對(duì)多臺(tái)小型設(shè)備集中控制，以充分利用軟、硬件資源。

4 結(jié)語(yǔ)

本次高位水池遠(yuǎn)程集控自動(dòng)化上水系統(tǒng)投用以來(lái)，運(yùn)行效果良好，在減少人員、降低維護(hù)量和提高勞動(dòng)效率方面有較大意義。特別是礦山井下供風(fēng)、排水、通風(fēng)等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)較多，且分布分散，若按崗設(shè)員，勢(shì)必有很大的人力成本。采用遠(yuǎn)程集控自動(dòng)化系統(tǒng)后，可以集中監(jiān)視和控制，配以點(diǎn)檢定修，在自動(dòng)化率、設(shè)備完好率上會(huì)有很大提升。在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代，全集成自動(dòng)化軟、硬件的應(yīng)用已遍地開(kāi)花。相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人員，有必要掌握和應(yīng)用好這一技術(shù)。受專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)所限，本文涉及的內(nèi)容尚屬淺顯，拋磚引玉，掛一漏萬(wàn)，希望能起到打開(kāi)思路、找到途徑的作用。