基于PLC的煤炭機械化取制樣系統(tǒng)研究*

胡志偉，郝偉

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測分院， 北京 100013；2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室， 北京 100013；3.國家能源神東質(zhì)量技術(shù)檢測檢驗中心， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

目前，我國對煤炭能源的需求量依舊日益增長，煤炭的質(zhì)量好壞及售價的高低是由煤的類別、水分、灰分等性質(zhì)所決定的。對煤質(zhì)的檢測過程中，煤的取樣是一個重要的環(huán)節(jié)，取樣環(huán)節(jié)的影響占整個煤質(zhì)檢測影響的80%[1]。機械化采樣較人工采樣精密度高，能保證足夠的子樣量，尤其對一些品質(zhì)波動較多，粒度不均勻的煤種，優(yōu)勢更為明顯。

隨著采樣機械設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，大部分的煤種都能通過機械化取樣獲得樣品。電控部分用于完成對各個設(shè)備的控制，保證其功能性、安全性、可靠性和準(zhǔn)確性。PLC作為整個電控部分的核心，用于檢測系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)，控制處理在各種情況下設(shè)備的運行方式。本文根據(jù)煤炭機械化取制樣的工藝流程及控制需求，基于羅克韋爾PLC設(shè)計了一套集取制樣邏輯控制、信息數(shù)據(jù)采集、處理與傳遞、運行監(jiān)控于一體的煤炭機械化取制樣自動控制系統(tǒng)。利用RSLogix5000編程軟件完成煤炭機械化取制樣控制梯形圖的設(shè)計，利用Factory Talk View SE組態(tài)軟件完成監(jiān)控報警界面的設(shè)置，構(gòu)建系統(tǒng)監(jiān)控平臺。

1 羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)

1.1 羅克韋爾ControLogix控制器

羅克韋爾研發(fā)的ControLogix控制器是一種綜合型的控制器，所能實現(xiàn)的控制供能幾乎覆蓋了工業(yè)控制系統(tǒng)的基本需求[3]。

1.2 羅克韋爾Factory Talk View SE組態(tài)軟件

Factory Talk View SE是高度集成的、基于組件的HMI人機界面監(jiān)控軟件，用于監(jiān)視和控制自動化設(shè)備和生產(chǎn)過程，安裝于控制室的自動化監(jiān)控設(shè)備，由操作人員通過監(jiān)控畫面，點擊鼠標(biāo)進(jìn)行啟停控制或者參數(shù)修改、指令下達(dá)等操作。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 控制要求

1) 滿足煤炭采制樣工藝流程并實現(xiàn)在控制室對采制樣系統(tǒng)集中控制和數(shù)據(jù)集中處理以及監(jiān)視、管理等所有控制要求[4]。

2) 系統(tǒng)設(shè)計在實用、可靠的基礎(chǔ)上，充分體現(xiàn)合理性和先進(jìn)性。

3) 系統(tǒng)向操作人員提供簡單、方便的操作方式和完整的故障顯示及檢查方法，并具有防誤操作功能。

4) 系統(tǒng)具有良好的抗干擾功能，以確保信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2 控制設(shè)備

煤炭機械化取樣系統(tǒng)中的設(shè)備主要包括初級采樣器、給料帶式輸送機、對輥破碎機，縮分帶式輸送機，切割器，錘式破碎機，旋轉(zhuǎn)縮分器，棄樣帶式輸送機，斗式提升機等設(shè)備[5]。由于煤炭機械化采樣系統(tǒng)的采樣周期較短一般在60～120 s，目前基本都是采用除初采機以外的設(shè)備按逆料流方向依次啟動完成后，等待采樣周期結(jié)束后的初采機動作，切割器動作隨初采機進(jìn)行動作，完成對煤炭樣品的一次縮分，作業(yè)完成后系統(tǒng)停止按順煤流方向依次停止。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

取樣控制系統(tǒng)一般分為兩層，一層為中央控制室內(nèi)的2臺監(jiān)控計算機，這2臺計算機互為備用的方式，中央控制室的相關(guān)人員通過計算機安裝的上位機界面完成煤炭機械化取制樣系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)啟停、單體設(shè)備操作等控制，另一層為電氣設(shè)備室內(nèi)的可編程控制器即PLC，其與各個現(xiàn)場設(shè)備的傳感器，相應(yīng)配電柜抽屜內(nèi)的控制元件及其它系統(tǒng)所需的信號相連。主要作用讀取各個傳感器的信號，配電柜內(nèi)空開，接觸器及熱繼信號，操作臺信號及港口或煤礦上初采機所在主輸送帶的相關(guān)信號，輸出控制系統(tǒng)中各個設(shè)備的運行狀態(tài)，并將一些必要的信號傳達(dá)給控制室的操作人員，現(xiàn)場的維護(hù)人員及港口或煤礦的中央控制室的相關(guān)人員。

該系統(tǒng)采用羅克韋爾公司的PLC控制器ControlLogix5000系列，選用1756-L71 CPU, 1756系列的I/O模塊， 數(shù)字量輸入模塊要用于主帶式輸送機運行狀態(tài)、配電柜空氣開關(guān)、熱繼電器、接觸器狀態(tài)、設(shè)備機旁操作箱旋鈕狀態(tài)、制樣塔設(shè)備監(jiān)測傳感器等數(shù)字信號的輸入，數(shù)字量輸出模塊主要用于系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的啟停、主帶式輸送機故障聯(lián)鎖、系統(tǒng)報警等控制信號輸入。通信模塊選用1756-ENBT/A,實現(xiàn)上位機和PLC之間的通信；機架A作為主機架,通過1756-CNB/E通信模塊實現(xiàn)與擴展機架(機架B)的ControlNet通信[6]；安裝機架 1756-A7 為模塊直接提供高速的通信通道，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，機架A如圖2所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 機架A

2.3 軟件應(yīng)用

羅克韋爾軟件均運行在Windows操作環(huán)境下，設(shè)計人性化，功能強大，易于使用。煤炭取制樣系統(tǒng)程序編輯采用RSLogix5000，編寫控制程序，使系統(tǒng)按照既定的運行規(guī)則進(jìn)行，保證系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，上位機組態(tài)軟件選用FactoryTalk View SE，用于顯示系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)和運行參數(shù)，報警信息等[6]。

3 控制程序

3.1 PLC I/O分配

外部輸入變量：設(shè)備速度信號、空開/熱繼電器/接觸器信號、堵塞信號、主輸煤帶式輸送機運行信號等I/O變量。

外部輸出變量：流程設(shè)備控制信號、聯(lián)鎖輸出、報警提示等,數(shù)字量輸入模塊一和數(shù)字量輸出模塊一I/O表如圖3所示。

圖3 數(shù)字量輸入模塊一、輸出模塊一I/O表

3.2 控制程序邏輯流程

控制程序使用梯形圖語言編程，程序根據(jù)功能要求劃分為主程序塊、驅(qū)動輸出程序塊、故障報警程序塊、切割器程序塊、收集器程序塊等。

系統(tǒng)總體邏輯流程如圖4所示，系統(tǒng)開始后，設(shè)備按照逆料流方向從斗提機依次起車，間隔時間應(yīng)大于該設(shè)備卸載物料所需要的時間。系統(tǒng)停止后，應(yīng)按順料流方向逐臺設(shè)備依次停車，間隔時間應(yīng)大于上一級設(shè)備卸載物料所需要的時間。系統(tǒng)運行中某一單體設(shè)備發(fā)生故障，該設(shè)備及其系統(tǒng)內(nèi)上游設(shè)備立即停止運行，系統(tǒng)內(nèi)下游設(shè)備按照順煤流方向依次停止運行。系統(tǒng)啟動后，采樣周期開始倒計時，在倒計時結(jié)束后，需要檢測主帶式輸送機的皮帶秤信號，保證初采機能取到一定質(zhì)量的煤樣。若主帶式輸送機上流量太小，取到的煤樣質(zhì)量小，無法滿足單個采樣量的要求；若主帶式輸送機上流量太大，取樣量會超過初采機所設(shè)計的最大容量，對初采機造成機械性損傷。在倒計時結(jié)束后，若主帶式輸送機流量不在設(shè)置的采樣范圍內(nèi)，需要一直等待，直到持續(xù)監(jiān)測到流量恢復(fù)正常范圍3 s，才能觸發(fā)初采機的動作。

圖4 系統(tǒng)控制邏輯流程

切割器第一次動作應(yīng)取到物料的頭部。最后一次能取到在最大流量的情況初采機取到的物料尾部。樣品收集器有6個桶位，在完成設(shè)定的每桶樣量后，能自動轉(zhuǎn)到下一桶位。

3.3 關(guān)鍵設(shè)備的控制

初采機作為煤炭機械化取制樣系統(tǒng)中作為關(guān)鍵的設(shè)備，主要用于完成初級子樣的截取,初采機控制邏輯流程如圖5所示。在機械結(jié)構(gòu)調(diào)整到合理的狀態(tài)下，其每次采樣的動作時間、長時間運行的動作穩(wěn)定性、在出現(xiàn)緊急情況下的安全性，是該控制系統(tǒng)必須要考慮的。動作時間要嚴(yán)格按照計算所得的采樣周期運行；編程語言的邏輯性，所用PLC的CPU高性能，保證了系統(tǒng)長時間運行的穩(wěn)定性；編程過程的思維縝密，確保了初采機運行的安全性。

圖5 初采機控制邏輯流程

4 上位機界面

上位機界面如圖6所示包含顯示、操作和報表打印等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)采制樣系統(tǒng)流程選擇、單體設(shè)備啟停、采樣信息設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備狀態(tài)查詢、報警信息顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢。

圖6 Factory Talk View SE組態(tài)界面

5 結(jié)論

RockwelPLC采用的是一種先進(jìn)的模塊化系統(tǒng)，可以更高效地進(jìn)行程序設(shè)計和系統(tǒng)構(gòu)建，從而節(jié)省了項目實施成本。該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計，確保在調(diào)試和維護(hù)過程的方便，能夠有效地降低系統(tǒng)在后期維護(hù)方面的成本。該控制系統(tǒng)在建成后，通過了系統(tǒng)的偏移及精密度試驗，能夠滿足煤炭機械化采樣的要求，且已投用于國投京唐港、神東礦區(qū)等共20余套煤炭機械采樣項目中，系統(tǒng)能長期安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地運行，創(chuàng)造了較好的收益，獲得了良好的口碑。