鶴壁九礦帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喻振杰，劉 迪，曾尚琦，李 哲

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

井下帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)是煤礦開采工程中一項(xiàng)重要的系統(tǒng)[1-4]，其生產(chǎn)集成化水平直接影響煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。但是，井下帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)由于受到諸多因素的影響，例如建設(shè)規(guī)模大小、設(shè)備型號(hào)復(fù)雜、多級(jí)聯(lián)網(wǎng)困難、施工難度大、擴(kuò)容性差、檢修維護(hù)困難、重復(fù)投資等條件的制約[5-7]。鶴壁九礦帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在建立井下帶式輸送機(jī)集中控制及保護(hù)的智能化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下異構(gòu)條件下的無縫聯(lián)接和資源共享[8]，講究資源的統(tǒng)一管理，科學(xué)合理的調(diào)度，安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸[9]，從而極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

鶴壁九礦帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)包括9 部帶式輸送機(jī)集中運(yùn)輸巷輸送帶，5 個(gè)帶式給煤機(jī)。主要設(shè)備包括：①輸送帶：一水平主輸送帶、+15 一部輸送帶、+15 二部輸送帶、二水平主輸送帶、-250 輸送帶、-420 一部輸送帶、-420 二部輸送帶、-420 輸送帶暗斜井和-530 輸送帶；②煤倉(cāng)：+15 煤倉(cāng)、51 煤倉(cāng)、-250 煤倉(cāng)、-420 煤倉(cāng)和-530 煤倉(cāng)，每個(gè)煤倉(cāng)均配備1臺(tái)給煤機(jī)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、控制主站和控制分站構(gòu)成。上位機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互的功能[10]，因而分布在地面集控室。控制主站與控制分站之間通過工業(yè)總線通信，與上位機(jī)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通訊?？刂品终具x用礦用隔爆兼本安型PLC[11]作為主控設(shè)備，核心部分采用S7-300 和S7-200 SMART 可編程控制器，配以檢測(cè)保護(hù)裝置和控制設(shè)備。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機(jī)的集中控制并實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)工況參數(shù)。系統(tǒng)架構(gòu)是全開放的[12]，具有很強(qiáng)的拓展能力。帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)示意圖如圖1。

1.3 系統(tǒng)功能

針對(duì)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了5 個(gè)系統(tǒng)主要功能模塊,根據(jù)系統(tǒng)模塊進(jìn)行功能分析如下：

1）數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)可采集帶式輸送機(jī)輸送帶技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)信號(hào)等并顯示。例如電機(jī)電壓、電機(jī)電流、電機(jī)溫度、煤位和震動(dòng)等。操作人員可以方便快捷地設(shè)置或修改所有被測(cè)參數(shù)的報(bào)警值、限值。

圖1 帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)示意圖

2）智能控制。根據(jù)煤礦工作面的產(chǎn)量和煤倉(cāng)煤位，自動(dòng)均衡輸送帶的運(yùn)量。若檢測(cè)到某一參數(shù)指標(biāo)不在安全范圍內(nèi)，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出語音播報(bào)，提醒操作人員及時(shí)處理。

3）報(bào)表和趨勢(shì)分析。操作人員查閱存儲(chǔ)在SQL Server 中的數(shù)據(jù)只需選擇查詢條件，就能實(shí)現(xiàn)信息查詢顯示與打印功能。顯示與打印的功能包括：輸送帶運(yùn)行參數(shù)、輸送帶故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

4）視頻預(yù)覽。通過在井下安裝攝像儀，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控。操作人員可掌握井下運(yùn)輸環(huán)境以及輸送帶運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸送帶運(yùn)行出現(xiàn)的異常情況，并進(jìn)行快速處理，避免事故的發(fā)生。

5）安全保護(hù)。礦用隔爆兼本安型PLC 與被控設(shè)備之間采用中間繼電器柜隔離，以保證輸入/輸出信號(hào)的安全可靠。

1.4 控制原理

井下煤流控制模式分為就地和遠(yuǎn)程2 種。其中遠(yuǎn)程模式又分為閉鎖和檢修2 種。

1）就地模式。就地模式是指操作人員可通過在井下機(jī)旁就地操作箱實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶的控制。系統(tǒng)可設(shè)置每條輸送帶的閉鎖/解鎖模式。

2）閉鎖模式。所有設(shè)備在集控室上位機(jī)操作，設(shè)備按照煤流方向具有閉鎖關(guān)系。啟動(dòng)時(shí)按照逆煤流方向方可啟動(dòng)，停止時(shí)按照順煤流方向方可停止，否則操作無效。該控制模式具有“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩子操作方式，“自動(dòng)”操作要求能一鍵按照順序開/停煤流線上的設(shè)備，“手動(dòng)”操作要求只能按照順序啟停單臺(tái)設(shè)備，否則操作無效。

3）檢修模式。設(shè)備在集控室上位機(jī)上操作，設(shè)備之間無閉鎖關(guān)系，可以任意開停任何1 臺(tái)帶式輸送機(jī)。

2 基于iFIX的系統(tǒng)集控平臺(tái)

2.1 驅(qū)動(dòng)的配置

通過驅(qū)動(dòng)配置，iFIX 與下位機(jī)PLC 建立通信連接。驅(qū)動(dòng)從下位機(jī)PLC 中讀寫數(shù)據(jù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到iFIX 數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。綜合考慮鶴壁九礦工程現(xiàn)狀，在iFIX 組態(tài)軟件中使用S7A 和OPC 驅(qū)動(dòng)相結(jié)合。驅(qū)動(dòng)的配置分為通道、設(shè)備和數(shù)據(jù)塊3 部分。

1）通道設(shè)置。在Power Tool 中建立通信通道，通信方式選擇TCP/IP 協(xié)議。

2）設(shè)備設(shè)置。在Power Tool 中添加設(shè)備通道Channel。IP 地址設(shè)置要與PLC 中設(shè)置的IP 地址保持一致。機(jī)架號(hào)默認(rèn)的地址為0，槽號(hào)選擇2 號(hào)槽。

3）數(shù)據(jù)塊設(shè)置。在Power Tool 中添加數(shù)據(jù)塊，并設(shè)置內(nèi)部寄存器及起始地址。數(shù)據(jù)塊中的變量需與PLC 中數(shù)據(jù)塊地址保持一致。最后勾選Enable 框和選擇數(shù)據(jù)塊讀寫設(shè)置內(nèi)存器。

iFIX 驅(qū)動(dòng)配置后，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送成功且能夠正確地讀取數(shù)據(jù)。

2.2 畫面的組建

iFIX 通過驅(qū)動(dòng)采集到下位機(jī)PLC 數(shù)據(jù)之后，一旦數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭^程數(shù)據(jù)庫中，就可以通過組態(tài)畫面顯示帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)輸工藝流程圖。根據(jù)設(shè)計(jì)功能的不同，上位機(jī)組態(tài)畫面可分為過程監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)分析畫面2 大類。其中過程監(jiān)控畫面包括帶式輸送機(jī)輸送帶監(jiān)控主畫面和故障彈窗畫面，數(shù)據(jù)分析畫面包括查詢畫面和歷史曲線畫面。

1）帶式輸送機(jī)監(jiān)控主畫面由導(dǎo)航條和運(yùn)行界面2 部分組成。其中導(dǎo)航條具有切換畫面顯示的功能。操作人員可任意調(diào)出某幅畫面，例如當(dāng)操作人員需要查看指定帶式輸送機(jī)的參數(shù)變化趨勢(shì)時(shí)可調(diào)出歷史曲線畫面。根據(jù)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸過程工藝要求，帶式輸送機(jī)運(yùn)行畫面通過動(dòng)畫連接方式生成形象直觀、易于理解的畫面，同時(shí)也為操作人員提供了以命令和圖形交互方式進(jìn)行報(bào)警和過程控制的設(shè)置點(diǎn)。監(jiān)控主畫面顯示內(nèi)容包括帶式輸送機(jī)運(yùn)輸工藝圖、狀態(tài)指示燈、操作控制按鈕、傳感器參數(shù)等。帶式輸送機(jī)監(jiān)控主畫面如圖2。

2）故障彈窗畫面為操作人員提供可視化提示，是建立良好操作人員界面的關(guān)鍵。當(dāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸過程中發(fā)生故障時(shí)，iFIX 會(huì)自動(dòng)彈出故障窗口以提供視覺提示。故障彈窗畫面中顯示故障位置、故障類型發(fā)生視覺等信息，并根據(jù)故障發(fā)生時(shí)間、優(yōu)先級(jí)順序排序。當(dāng)某一參數(shù)指標(biāo)恢復(fù)正常，并且報(bào)警已經(jīng)確認(rèn)，則故障彈窗會(huì)自動(dòng)刪除該項(xiàng)報(bào)警。

圖2 帶式輸送機(jī)監(jiān)控主畫面

3）查詢畫面主要由故障記錄查詢、登錄查詢和開停記錄查詢3 部分構(gòu)成。利用圖表控件可以查看故障記錄、操作記錄、開停記錄，同時(shí)依據(jù)類型、時(shí)間、區(qū)域、級(jí)別等條件進(jìn)行分類篩選查詢；同時(shí)利用VisiconX 控件能快捷有效地與SQL Server 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)連接，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾查詢。查詢完成后可通過點(diǎn)擊“打印”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)生成Excel 報(bào)表并打印。

4）歷史曲線畫面可實(shí)時(shí)采集帶式輸送機(jī)監(jiān)控參數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的變化趨勢(shì)曲線。在歷史曲線圖表的設(shè)置界面，操作人員可添加所需的運(yùn)行參數(shù)、曲線顏色、圖表起始時(shí)間和時(shí)間跨度。添加完成后，畫面中將會(huì)實(shí)時(shí)顯示趨勢(shì)曲線。歷史曲線的設(shè)計(jì)能夠讓操作人員全面直觀地掌握整個(gè)集控系統(tǒng)的運(yùn)行工況，進(jìn)而分析帶式輸送機(jī)故障的原因。如若系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警信號(hào)，操作人員能通過調(diào)取視頻顯示及時(shí)高效地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。比如，當(dāng)某一帶式輸送機(jī)發(fā)生狀態(tài)變化或異常情況時(shí)，可及時(shí)將周圍視頻監(jiān)控界面自動(dòng)打開，以供操作人員及時(shí)判斷、處理。還可通過結(jié)合管理的方式實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，提醒操作人員該啟動(dòng)/停止煤流線系統(tǒng)。

2.3 權(quán)限的管理

iFIX 提供了一個(gè)完善可靠的安全配置，是對(duì)項(xiàng)目工程的一種安全保護(hù)措施。通過組賬戶、用戶賬戶、應(yīng)用特性以及安全區(qū)域來實(shí)現(xiàn)iFIX 權(quán)限的管理。它能給不同身份的用戶分配相應(yīng)的訪問和操作的權(quán)限，從而決定用戶是否具有打開及關(guān)閉系統(tǒng)、設(shè)置帶式輸送機(jī)參數(shù)、修改iFIX 后臺(tái)腳本等權(quán)限。

鶴壁九礦帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)的權(quán)限管理設(shè)計(jì)步驟如下：

1）定義具有操作權(quán)限的安全區(qū)域并設(shè)定過程數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)塊的安全區(qū)域。

2）創(chuàng)建組賬戶及用戶賬戶并指定應(yīng)用權(quán)限。組賬戶包含控制組和監(jiān)測(cè)組，用戶賬戶包含管理員、監(jiān)控員和監(jiān)測(cè)員。其中，管理員隸屬于控制組并擁有最高權(quán)限，可進(jìn)行iFIX 的任何可用操作。監(jiān)控員和監(jiān)測(cè)員隸屬于監(jiān)測(cè)組，其應(yīng)用特性為“工作臺(tái)運(yùn)行”。

3）設(shè)定自動(dòng)登錄的節(jié)點(diǎn)名為PDSERVER 以及用戶名為ADMIN。如若不設(shè)置自動(dòng)登錄，在iFIX 啟動(dòng)后無法啟動(dòng)工作臺(tái)。

4）保存安全設(shè)置，編輯登錄畫面并且設(shè)定登錄按鈕。

3 實(shí)施效果

系統(tǒng)運(yùn)行后，通過監(jiān)測(cè)電機(jī)電壓、電機(jī)電流、電機(jī)溫度、煤位等技術(shù)參數(shù)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，后臺(tái)執(zhí)行調(diào)度程序?qū)F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和監(jiān)控參數(shù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的信息送到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)這些信息顯示現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)和故障等信息，以便于操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過實(shí)施效果的分析可知，帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，控制程序能夠完成對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)木_控制，監(jiān)控畫面可以生動(dòng)美觀地顯示出帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)效果。此外，查詢運(yùn)行記錄和觀察監(jiān)控曲線跟蹤效果可以看出，此設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)，達(dá)到了控制精度的要求。

4 結(jié) 語

基于iFIX 帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了礦井帶式輸送機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和過程控制自動(dòng)化，生產(chǎn)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)化，決策指揮高效化，從而維護(hù)了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的安全暢通和調(diào)度指揮的運(yùn)行安全。鶴壁九礦帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)通過實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，人力成本降低，生產(chǎn)效率提高，報(bào)警處理及時(shí)，保護(hù)功能完備，調(diào)試維護(hù)方便，為礦井運(yùn)輸自動(dòng)化、信息化、科學(xué)化建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。