基于PLC的選煤廠智能控制系統(tǒng)設計與研究

劉永光

(西山煤電股份有限公司 西銘礦 選煤廠，山西 太原 030053)

0 引言

受井下煤質(zhì)及復雜地質(zhì)結構的影響，煤礦開采的原煤中通常包含部分矸石、硫化物等雜質(zhì)，不僅會降低煤炭產(chǎn)量，還會造成污染，需通過洗煤、選煤等工藝流程降低灰分及硫分含量，從而有效提高精煤的產(chǎn)量，并達到節(jié)能環(huán)保的目的。因此針對選煤廠控制系統(tǒng)進行升級改造，在提高其選煤效率及智能化程度的同時對于提高煤炭利用率、實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)自動化至關重要。

本文以西山煤電西銘礦選煤廠為例，在對其現(xiàn)有的控制系統(tǒng)現(xiàn)狀進行分析后，提出了相應的系統(tǒng)升級及優(yōu)化整合方案，以PLC為控制核心設計了基于雙機熱備及環(huán)網(wǎng)冗余技術的選煤廠智能控制系統(tǒng)。通過對主洗車間、新筒倉、淺槽車間的PLC主控器等主要硬件的升級及運行模式優(yōu)化、通訊網(wǎng)絡的重新架構、上位機監(jiān)控軟件的升級等，實現(xiàn)了系統(tǒng)主備PLC的實時切換及數(shù)據(jù)的實時高效傳輸，有效地提高了選煤廠原控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能及可靠性。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 控制系統(tǒng)改造方案

本文在西山煤電西銘礦選煤廠集中控制系統(tǒng)的基礎上對控制核心及通信網(wǎng)絡進行重新架構及硬件升級，從而實現(xiàn)該選煤廠的智能化控制，現(xiàn)有主洗車間控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

在硬件方面，原控制系統(tǒng)主要采用GE(美國通用公司)控制產(chǎn)品，包括主洗車間、新筒倉(含準備車間IO，運銷車間IO)、淺槽車間共3套PAC7i及PAC3i系列主控PLC，通訊部分以Versamax IO系列產(chǎn)品為主，通過Genius總線實現(xiàn)通訊。軟件方面主要采用GE公司的Proficy IFIX系列數(shù)據(jù)采集控制平臺，具體情況如下：

(1) 主洗車間：PAC3i單機控制器通過本地擴展電纜方式連接本地IO，通過Genius百通電纜與廠外遠程的Versamax IO通訊。

(2) 淺槽車間：采用PAC3i控制器通過以太網(wǎng)與PAC3i ENIO通訊。

(3) 新筒倉：采用PAC7i冗余控制器通過Genius總線與9070 I/O通訊。

目前該選煤廠控制系統(tǒng)已投入運行10年之久，其主控器CPU、Genius總線控制器及Versamax IO產(chǎn)品已進入停產(chǎn)階段，無法滿足當前煤炭自動化及下一代工業(yè)互聯(lián)的發(fā)展需要。在網(wǎng)絡通訊方面，原系統(tǒng)所采用的Genius協(xié)議通訊速率慢、抗干擾能力較差、系統(tǒng)穩(wěn)定性不強，頻繁發(fā)生IO掉線現(xiàn)象，無法滿足系統(tǒng)的通訊需求。

根據(jù)上述對選煤廠控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的分析，本文提出了以下系統(tǒng)升級改造方案：在控制核心方面，本文對PLC主控器的CPU進行硬件升級，同時將單控制器升級為互為熱備冗余的冗余控制器，有效提高了系統(tǒng)的控制性能及可靠性；在通訊網(wǎng)絡方面，將Versamax IO分站升級為PAC3i Profinet遠程IO站，通訊接口由Genius更新為Profinet網(wǎng)絡接口模塊，通過Profinet環(huán)網(wǎng)冗余技術有效提高了系統(tǒng)的通訊能力；在軟件方面，本文采用美國GE公司的iFIX v5.9自動化監(jiān)視與控制組態(tài)軟件，該軟件基于Windows操作系統(tǒng)及SCADA引擎，具有良好的開放性及可擴展性[1-3]。

1.2 系統(tǒng)架構

根據(jù)上述系統(tǒng)升級方案，本文采用PLC雙機熱備技術及Profinet環(huán)網(wǎng)結構對整個控制系統(tǒng)進行架構，主洗車間控制系統(tǒng)升級之后，其控制器采用雙機熱備冗余PLC，總線通訊模塊采用PAC Systems RX3i Profinet總線控制器模塊，網(wǎng)絡接口單元采用Profinet網(wǎng)絡接口模塊，控制器CPU采用具有內(nèi)置USB和以太網(wǎng)的PAC Systems RX3i雙槽CPU。PLC主控器通過以太網(wǎng)與調(diào)度指揮中心上位機進行通訊，配電室等各IO分站通過Profinet環(huán)網(wǎng)與主控PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的采集上傳及控制指令下達、執(zhí)行等控制功能。主控PLC互為熱備的冗余結構可保證任意一個控制器出現(xiàn)故障時無擾動實時同步切換到備用控制器繼續(xù)運行[4-6]。淺槽車間及新筒倉相應控制系統(tǒng)的升級方案與系統(tǒng)架構與主洗車間相同，系統(tǒng)整體結構如圖2所示。

圖1 現(xiàn)有主洗車間控制系統(tǒng)結構示意圖

圖2 選煤廠智能控制系統(tǒng)總體結構圖

2 硬件方案設計

本控制系統(tǒng)的硬件升級及設計部分主要包括PLC主控模塊、總線通訊模塊和網(wǎng)絡接口模塊的選型及設計，具體硬件方案設計如下：

采用雙機熱備冗余CPU控制器方案替代原單CPU控制器，控制器CPU型號選用IC695CPK330中央處理器模塊，其內(nèi)部具備32位1 GHz雙核微處理器及64 MB的用戶內(nèi)存，支持Profibus、DeviceNet、Genius等多種現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)通訊(包括SRTP TCP/IP、EGD、Modbus TCP/IP)，同時內(nèi)置兩個獨立的MAC千兆以太網(wǎng)口、USB2.0通訊接口及CF Card擴展存儲卡槽。CPU支持以太網(wǎng)遠程I/O站及高密度離散量I/O、通用模擬量(TC、RTD、應變儀、每個通道的電壓電流組態(tài))I/O、隔離模擬量I/O、高密度模擬量I/O、高速計數(shù)器、運動控制模塊、通訊模塊和其他特殊應用模塊，最多支持16個中斷優(yōu)先級，可滿足本系統(tǒng)實時多任務控制需求[7,8]。

PLC主控器通過工業(yè)交換機RJ45接口經(jīng)前置通信處理機與控制系統(tǒng)實現(xiàn)通訊，其以太網(wǎng)通訊模塊選用型號為IC695ETM001，該模塊直接通過背板總線與CPU模塊通訊，同時該模塊提供了2個標準的10/100 mb/s自適應RJ45接口，直接支持國際標準的開放的Modbus TCP、SRTP、EGD等多種協(xié)議，無需二次開發(fā)編程或網(wǎng)關轉換，有效降低開發(fā)接口程序風險，從而保證PLC與控制系統(tǒng)間穩(wěn)定、可靠通訊。

為了支持兩臺CPU的雙機熱備冗余通訊，選用IC695RMX128型冗余通訊模塊實現(xiàn)主備CPU間的快速光纖通訊，當主CPU模塊或系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過RMX模塊可以完全同步切換至備用CPU模塊，保證控制系統(tǒng)不間斷工作。

選用IC695PNC001型Profinet控制器實現(xiàn)全系統(tǒng)的Profinet環(huán)網(wǎng)通訊，該模塊可支持10/100/1 000 Mb/s網(wǎng)絡，具備2個RJ45及2個SFP端口，最大I/O內(nèi)存為128 kB，單模塊最大支持I/O站個數(shù)及Profinet槽個數(shù)分別為64及256，可完全滿足本系統(tǒng)的通訊需求。

系統(tǒng)控制核心的網(wǎng)絡接口模塊選用型號為IC695PNS001型Profinet網(wǎng)絡接口模塊，采用星、環(huán)型網(wǎng)絡拓撲結構，總線速度可達1 Gb/s，每次總線掃描輸入及輸出均可達1 440 B，最多可支持128個Profinet分站。

3 軟件方案設計

本系統(tǒng)上位機集控軟件選用GE公司的iFIX v5.9數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺，iFIX軟件分布式客戶/服務器結構包括了可靈活構建的服務器和客戶終端，每臺計算機操作站擁有獨立節(jié)點，PLC中的每個數(shù)據(jù)項都具備唯一節(jié)點名，iFIX網(wǎng)絡通過識別SCADA Server節(jié)點名、數(shù)據(jù)點名及數(shù)據(jù)域實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，各客戶端可以訪問網(wǎng)絡中任意SCADA Server節(jié)點中的任意數(shù)據(jù)，并在iClient客戶端顯示實時動態(tài)工況畫面、動態(tài)參數(shù)值、趨勢實時曲線、歷史曲線顯示和報表等。本系統(tǒng)下位機軟件采用模塊化設計，將整個自動選煤流程分為系統(tǒng)初始化、末煤分選、末煤處理、塊煤分選和塊煤處理等部分，下位機主程序流程如圖3所示。

圖3 下位機主程序流程圖

4 結束語

本文對西山煤電西銘礦選煤廠控制系統(tǒng)進行了升級改造，采用雙機熱備冗余PLC控制模式及Profinet環(huán)網(wǎng)通訊結構替代原有單CPU及Genius通訊的控制系統(tǒng)，設計了一套網(wǎng)絡實時性高、控制性能良好、穩(wěn)定性高的選煤廠智能控制系統(tǒng)，通過控制器冗余結構及Profinet通訊環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)了主備控制器的實時同步切換及數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定傳輸。