基于PLC煤礦井上膠帶機集控系統的設計與實現

　　隨著計算機和控制技術的飛速發展，廠礦采用上位機和PLC集中監控已越來越普遍，技術也越來越先進。本文以河北單侯煤礦井上膠帶機集控系統為例，研究開發了一種基于PLC的煤礦井上膠帶機監控系統，適合于當前工業企業對自動化的需要，目前實際投入運行，取得了很好的效果。

　　2 系統設計

　　2.1系統概況

　　單候礦井隸屬于河北開灤礦業集團，位于河北省張家口市蔚縣涌泉莊鄉境內北方城村附近，是張市礦區中心地帶，礦井地質儲量313.74Mt，礦井可采儲量177.08Mt，設計能力150萬噸/年，礦井服務年限81.4，于2006年10月正式投產。

　　單候煤礦井上膠帶機集控系統（見圖1）可分為兩部分：1，篩分車間系統;2，儲煤及裝車系統。

　　其中，篩分車間系統包括圖示的主井至篩分車間膠帶輸送機、矸石轉載膠帶輸送機、矸石輸送膠帶機以及篩分車間內部所包含的六條揀矸膠帶輸送機、三條刮板機等設備;其余膠帶輸送機均屬于儲煤及裝車系統。

　　在設計上，要求該系統能夠實現就地控制與集中控制兩種控制模式，集中控制可以分為聯鎖控制和單機控制等多種控制模式，可以供操作者根據現場實際情況靈活選用，確保在系統正常運行時操作靈活、易于維護，在系統出現故障或通訊中斷時本地可以就地控制確保皮帶設備的正常運行，提高了系統的穩定性。

　　2.2系統硬件部分

　　整個系統從上往下可以分為兩層：集中控制管理層和就地控制管理層。集中控制管理層由兩臺上位機和一臺交換機組成。在系統運行中，兩臺上位機互為冗余，并通過交換機直接與現場設備互聯，從而實現對現場設備的監控。

　　就地控制管理層由PLC，交換機和膠帶保護裝置組成。PLC是整個控制系統的核心，在本系統中，采用了西門子公司的S7-300。由于在實際中，儲煤子系統和篩分子系統有相互的閉鎖關系，因此，可將篩分子系統和儲煤子系統構建一個DP網絡（系統的通信原理圖見圖2）。所以，本系統PLC均采用 CPU315-2DP，在組網時，篩分子系統作為master站，儲煤子系統作為slave站，并在篩分子系統PLC柜中增加以太網模塊CP341，使得上位機通過交換機可以與現場級設備互連，從而實現集中控制。此外，膠帶運輸機沿線安裝了跑偏、堆煤、拉線開關等多種保護裝置，以便膠帶運輸機運行出現故障時，系統可以快速地作出反應。

　　圖2 系統通信原理圖

　　2.3系統軟件部分

　　本系統的軟件部分主要由兩部分組成：上位機的組態監控軟件和現場PLC的編程軟件。

　　上位機的編程軟件選用了Intellution的IFIX3.5，它具有以下特點。

　　a.實時庫顯示：實時顯示系統內所有實時點;

　　b.實時遙控：選中畫面上的控制開關，實時下發遙控命令;

　　c.實時和歷史曲線：可設定顯示系統內所有記錄的遙測點;

　　d.實時和歷史報警：報警分為重報警，中報警，輕報警;

　　e.事件和報警記錄查詢：可按天查詢事件和報警日志;

　　f.事件和報警實時打印：有報警事件發生時，事件打印機實時打印。

　　上位機監控軟件采用OPC方式與現場的PLC進行通信，可以方便靈活地獲取現場機電設備及其保護設備的遙測遙信信息，實現遠程控制。上位機的組態軟件界面見圖3。

　　現場PLC的編程軟件采用西門子公司的Step7，當PLC處于“RUN”工作模式下時，除上電初始化外，其它程序都采取周而復始的循環掃描方式，稱之為“PLC的掃描工作方式”，其執行流程如圖4所示。

　　3 系統關鍵技術

　　3.1系統有關通信程序的設計

　　本系統主PLC控制柜（篩分子系統PLC控制柜）安裝在現場的低壓配電室內，由于與調度中心相距較遠，而現場電磁干擾又比較嚴重，為此，特采用以太網與光纖傳輸技術實現SIMATIC s7—300 PLC與上位機人機界面的通信。在主PLC柜中配備了以太網模塊CP341以及以太網轉光纖的交換機。

　　為了正確地傳送和接收信息，必須有一套關于信息傳輸順序、信息格式和信息內容等的約定，這一套約定稱為規約或協議。本系統在進行通信程序設計時，采用模塊化編程的設計思想，把程序分成若干程序塊，各程序塊分別含有一些設備和任務的程序指令，每個功能區被分成不同的塊進行編程，有利于多人同時編程，也有利于程序調試和故障的查找。系統中PLC需處理多種通信協議，單獨編制每種協議的處理程序，分別放在不同的功能模塊（FC）中。在PLC的主程序塊OB1 中，通過調用語句，可依次執行這些協議的處理程序，實現與這些綜保裝置或智能儀表進行通信的目的。

　　3.2 DP網絡的配置

　　基于篩分子系統和儲煤子系統之間存在著閉鎖關系，因此可將篩分子系統和儲煤子系統組態成為一個DP網絡。這樣使得系統的邏輯關系更加清晰，同時系統具有了很好的擴展性，也在經濟上節約了成本。

　　關于DP網絡的配置，可參考西門子公司的有關手冊。尤其應該注意以下幾點。

　　a.進行主從站配置時，應該首先配置從站，然后再配置主站;

　　b.在組態Hardware時，主站和從站的Consistency均需要設置為All;

　　c.編程時，主站的OB1中必須有OB1、OB82、OB86、OB100、OB121;

　　d.由于在系統運行時，上位機會對PLC進行讀和寫操作，因此在主站和從站的程序塊中還都要添加SFC14和SFC15功能塊。

　　3.3現場設備的閉鎖控制

　　為了彌補現場設備防誤功能的缺陷，保障安全生產，應該對現場所有設備進行閉鎖控制。

　　本系統既有機械閉鎖，又有邏輯閉鎖，達到了“逆煤流依次啟動設備，順煤流依次停止設備”的要求。具體做法：機械閉鎖：將邏輯上先啟動設備的運行返回信號的常閉點串入后啟動設備的二次控制回路中;邏輯閉鎖：如流程圖所示，將設備的運行返回信號作為執行下一條程序的先決條件。

　　4 結語

　　（1）通過利用大中型PLC（如西門子S7-300）可以與多種智能電子設備進行通信，方便地實現了現場設備的監控。

　　（2）該系統自2006年10月運行以來，維護量大大降低，大部分故障能夠在電腦顯示器上直接顯示，減少了故障查找環節。系統操作簡單，維護方便，提高系統安全性，降低運行費用，大大減少故障時間，提高經濟效益。

　　本文作者創新點：

　　1. 本文系統地闡述了以PLC為控制核心，構建一個集控系統的方法，基于該方案的控制系統與原系統相比在性能和自動化程度上都得到大幅度提升，對相近系統有重要的參考價值。

　　2. 對于集控系統中子系統的處理，通常做法是給各個子系統均配置以太網通信模塊，然后將每個子系統作為節點，組成環形網絡。在本系統中，將邏輯上有閉鎖關系的多個子系統視作網絡中的一個節點，減少了以太網通信模塊，節約了成本。對于同一節點下的多個子系統則采用級聯的方式配置成DP網絡，大大減輕了網絡的負擔。

　　3. 本文給出了配置DP網絡的詳細方法和注意事項。在PLC程序設計中，本系統采用功能塊化的方法，有利于系統的維護和升級。