三菱PLC在煤礦膠帶運輸機集控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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1 前言
煤礦膠帶機集控系統(tǒng)運行安全可靠與否直接影響礦井的經(jīng)濟效益。為提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，實施集中監(jiān)控，實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合保護和集中監(jiān)控，是十分必要的。
唐山開誠電器有限責任公司生產(chǎn)的智能皮帶機集中控制與監(jiān)測系統(tǒng)是應(yīng)用于礦山皮帶運輸自動化的高科技產(chǎn)品，本系統(tǒng)是以《煤礦安全規(guī)程》為依據(jù)，總結(jié)礦山運輸過程中所出現(xiàn)的事故，本著安全性高、實用性強、具有先進性的特點而研制開發(fā)的新一代綜合控制系統(tǒng)。
集控系統(tǒng)與調(diào)度電話系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)一起，構(gòu)成一個完整的操作、調(diào)度、監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控。該系統(tǒng)可實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、降低事故率，減少故障處理時間、減少現(xiàn)場操作人員、提高經(jīng)濟效益。
2 集控系統(tǒng)的描述
目前，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了非常可靠的控制應(yīng)用。其主要原因，在于它能夠為自動化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。
在全球工業(yè)計算機控制領(lǐng)域，圍繞開放式過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放式數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革。隨著PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進一步完善和發(fā)展，安裝有SoftPLC組態(tài)軟件和基于工業(yè)PC過程控制系統(tǒng)正在逐步得到發(fā)展。對于控制軟件來講，是PLC控制器的核心，向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件。此外，開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了突破，其結(jié)果是將PLC融入更加開放的工業(yè)自動化控制。
本系統(tǒng)采用全分布式控制結(jié)構(gòu)。由井下控制站和綜合操作臺構(gòu)成。綜合操作中心位于地面中央控制室。系統(tǒng)采用日本菱電公司的 AnS和FX系列PLC，控制主站與控制分站之間采用菱電開放的網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)CC-Link,控制分站與傳感器之間采用距陣結(jié)構(gòu)聯(lián)接，控制主站與綜合操作臺的監(jiān)控上位機之間通過CC-Link總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。控制分站負責現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，通過監(jiān)控，可對整個系統(tǒng)的設(shè)備進行監(jiān)視和集中控制。
本系統(tǒng)是以菱電AnS和FX系列PLC作為主控元件，具有防潮、抗干擾能力強，現(xiàn)場易編程、易擴展，基本免維護，并能夠?qū)崿F(xiàn)軟件控制化，自動檢測系統(tǒng)故障等功能。系統(tǒng)采用多臺PLC組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，達到不同的規(guī)模控制。完成一個系統(tǒng)內(nèi)多條皮帶全過程的監(jiān)控、監(jiān)測、連同地面指揮管理中心站，構(gòu)成一個完善的監(jiān)控系統(tǒng)。
3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
考慮到煤礦的現(xiàn)場情況和控制距離,在地面控制中心設(shè)置控制主站,采用三菱的大中型PLC-AnS系列,網(wǎng)絡(luò)選用開放的CC-Link總線,在控制距離大于1200米的兩個控制站間要加中繼器,在皮帶機頭設(shè)置控制設(shè)備分站。控制設(shè)備分站負責現(xiàn)場的信號采集與現(xiàn)場的實時控制。
系統(tǒng)為實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具備有完善的生產(chǎn)監(jiān)控管理功能，對皮帶運輸主要環(huán)節(jié)及相關(guān)的輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程進行實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、記錄打印，對井下運輸皮帶系統(tǒng)進行遠程集中監(jiān)控，同時配合工業(yè)電視系統(tǒng)進行安全圖像監(jiān)視，以確保人員及設(shè)備的安全。
監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實施后，操作員可在中控室終端上監(jiān)視控制運輸皮帶生產(chǎn)過程，完成對運輸皮帶生產(chǎn)及相關(guān)環(huán)節(jié)的“遙測、遙信和遙控”，實現(xiàn)礦井運輸皮帶生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合自動化。
1. 實時運行參數(shù)監(jiān)測。各監(jiān)控系統(tǒng)實時采集生產(chǎn)工況參數(shù)，可以采用圖形、報表的形式顯示系統(tǒng)的實時工況及目前產(chǎn)量、倉儲等。
2. 實時過程控制。分析采集的參數(shù)，各系統(tǒng)自動完成過程控制，或由操作員操作控制。
3. 歷史數(shù)據(jù)查詢。以上生產(chǎn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)均可存貯于生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫中，可實現(xiàn)歷史回顯、歷史趨勢分析，及直方圖、餅圖等進行綜合分析。
4. 設(shè)備故障及模擬量超限報警。當設(shè)備故障或模擬量超限時，生產(chǎn)監(jiān)測及管理網(wǎng)絡(luò)同步顯示故障設(shè)備名稱，并可實現(xiàn)語音報警、實時打印故障功能。服務(wù)器將該故障信息存入故障信息數(shù)據(jù)庫，供以后統(tǒng)計分析。
5. 優(yōu)化生產(chǎn)計劃。在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中建立了綜合歷史數(shù)據(jù)庫，定時將生產(chǎn)、經(jīng)營等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，制作計劃、生產(chǎn)完成情況的趨勢分析圖表，為今后的生產(chǎn)計劃提供參考；根據(jù)外運下達計劃和設(shè)備實際狀態(tài)、倉儲煤量，合理安排生產(chǎn)計劃、設(shè)備維修計劃，以最大限度地減少對生產(chǎn)的影響。
4 操作員工作站
根據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)功能，在監(jiān)控中心設(shè)置工作站,運輸系統(tǒng)監(jiān)控工作站它們的功能有：
1. 根據(jù)操作人員不同，設(shè)定不同的使用權(quán)限，各司其職；
2. 提供交互式全中文界面的操作平臺，各子系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)直觀動態(tài)顯示；
3. 根據(jù)工藝流程及聯(lián)鎖關(guān)系實現(xiàn)各子系統(tǒng)的自動/手動/就地控制；
4. 實時設(shè)定各種運行、生產(chǎn)工藝參數(shù)；
5. 實時監(jiān)視各子系統(tǒng)設(shè)備的運行參數(shù)及狀態(tài)，同時將各參數(shù)數(shù)據(jù)貯存在硬盤上，將必要的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器；
6. 實時監(jiān)視各子系統(tǒng)傳感器的當前狀態(tài)及參數(shù)；
7. 對各個設(shè)備及必要傳感器的故障狀態(tài)實時報警，報警方式為聲光報警。并且打印實時報警，同時將報警數(shù)據(jù)貯存入數(shù)據(jù)服務(wù)器，便于統(tǒng)一管理，以便對報警信息進行事故分析；
8. 隨時查詢、打印實時趨勢以及任意時間段的歷史趨勢；
9. 隨時查詢、打印任意時段歷史數(shù)據(jù)報表。
5 工程師站
工程師站除具有操作員工作站的一切功能外，還具有如下功能。
1. 根據(jù)工藝的調(diào)整在線修改控制器程序，以適 應(yīng)新工藝的需要；
2. 將監(jiān)控系統(tǒng)中有關(guān)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，進入全礦的信息管理系統(tǒng)中；
3. 設(shè)置彩色打印機，打印實時的彩色畫面及彩色的趨勢圖；
4. 當某個子系統(tǒng)的操作員工作站發(fā)生故障時，可以馬上通過設(shè)定操作人員權(quán)限，將工程師站轉(zhuǎn)換成為該子系統(tǒng)的操作員工作站。
6 皮帶運輸監(jiān)控系統(tǒng)
本系統(tǒng)由運輸皮帶機、給煤機等基本設(shè)備組成，利用控制設(shè)備、通訊模塊、打滑、堆料、超溫、煙霧、縱撕、滅塵、速度、跑偏、煤位等保護,達到皮帶機集中控制與監(jiān)測系統(tǒng)的要求。
系統(tǒng)采用多臺PLC組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，達到不同的規(guī)模控制。完成系統(tǒng)內(nèi)皮帶，給煤機的全工作過程的監(jiān)控、監(jiān)測、連同地面中控室，構(gòu)成一個完善的監(jiān)控系統(tǒng)。
1） 實現(xiàn)膠帶機運輸系統(tǒng)集中監(jiān)控，實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和運行參數(shù)，并顯示數(shù)據(jù)曲線，對重要信息在硬盤記錄；
2） 控制方式分集控自動/集控手動/就地，三種方式可轉(zhuǎn)換。正常生產(chǎn)時，使用集控自動方式，設(shè)備按工藝要求的順序和流程由中央控制臺自動啟停；集控手動時，可在中央控制臺操作各設(shè)備，無閉鎖和聯(lián)動關(guān)系；就地時，在現(xiàn)場操作；
3） 啟動設(shè)備前由集控臺發(fā)預(yù)告信號，預(yù)告30秒后，若現(xiàn)場均滿足集控自動啟動條件，設(shè)備按順序自動啟動。現(xiàn)場可用停車鈕停止啟動過程；
4） 現(xiàn)場信號箱設(shè)起/停車按鈕，現(xiàn)場可隨時停車。若設(shè)備由集控啟動，控制系統(tǒng)接到現(xiàn)場停車停號后，可作急停處理，實施故障停車操作；
5） 按“技術(shù)規(guī)定”膠帶運輸機裝設(shè)拉線開關(guān)、跑偏保護、低速保護等，這些信號均接入集控系統(tǒng)，參加設(shè)備的緊急停車和閉鎖停車；
6） 對設(shè)備故障和工藝參數(shù)的異常實時報警，并進行聲光提示。一般故障只報警，現(xiàn)場非正常停車或嚴重故障時，故障設(shè)備及其上游設(shè)備緊急停車，下游設(shè)備順煤流延時閉鎖停車。
6.1 系統(tǒng)的主要功能
1. 每臺設(shè)備機頭旁均設(shè)有就地操作控制箱，上有工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)及就地起停鈕；
2. 所有膠帶機上的給煤點均設(shè)置堆煤保護和縱向撕裂保護，以防止膠帶機事故的擴大化；
3. 所有膠帶機均設(shè)有兩極跑偏開關(guān)，每隔約50米設(shè)置一對跑偏開關(guān)，一級跑偏用于故障報警，二級跑偏用于故障停車；
4. 所有膠帶運輸機，均設(shè)拉線開關(guān)，用于緊急情況下的停車，急停拉線開關(guān)的安裝間距均確定按50米進行配置，并可擴展下皮帶的跑偏保護，以保證設(shè)備和人身安全；
5. 擴音電話采用新型的選撥電話系統(tǒng)，安裝間距確定按200米進行配置；
6. 水平膠帶機的拉緊裝置為液壓調(diào)節(jié)方式，開誠提供一套膠帶機的松帶檢測傳感器，由PLC控制完成膠帶機的張力自動調(diào)節(jié)功能；
7. 在皮帶機頭設(shè)置堆煤傳感器，防止皮帶的堆煤事故的發(fā)生；
8. 在皮帶機設(shè)置皮帶速度傳感器，以檢測皮帶的超速及打滑事故的發(fā)生；
9. 在皮帶巷道設(shè)置煙霧傳感器，以檢測皮帶巷道的煙霧濃度防止火災(zāi)事故的發(fā)生；
10. 在皮帶機的主滾筒設(shè)置溫度傳感器，隨時檢測滾筒的溫度，并配備自動撒水裝置，在滾筒超溫時實現(xiàn)自動撒水并對主滾筒進行降溫；
11. 膠帶運輸機每隔約100米設(shè)起動預(yù)警裝置，設(shè)備啟動前發(fā)出預(yù)警信號，提示有關(guān)人員應(yīng)立即遠離設(shè)備；
12.電機的電流實時監(jiān)測功能可發(fā)現(xiàn)一些機械設(shè)備的潛在故障隱患；運行中對電機的電流進行實時監(jiān)測分析，當發(fā)生電流超限或突變時報警，嚴重時停機。
13.實現(xiàn)對給煤機與皮帶的閉鎖，實現(xiàn)與以前皮帶的閉鎖功能，具有自動、手動、檢修等控制方式；
14.在軟件與硬件上開發(fā)了先進的矩陣控制功能，節(jié)省主電纜的開支；
15.自控系統(tǒng)在性能上具有良好的抗?jié)駸嵝浴⒖垢蓴_性，在結(jié)構(gòu)上滿足在井下條件能夠迅速檢修或更換元器件，根據(jù)煤礦井下的現(xiàn)場環(huán)境，控制箱采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，其他采用防腐措施；
16.可根據(jù)膠帶機系統(tǒng)的故障性質(zhì)，進行緊急停機、順序停機或發(fā)出報警聲光信號；
17.在集中操作臺上能集中顯示膠帶機的工作狀態(tài)、故障類型、故障地點；
18.隔爆軟啟動器或隔爆變頻器納入監(jiān)控；
19.多種操作方式。控制方式有：集中聯(lián)動、集中手動、就地聯(lián)動、就地手動、禁起等方式，使系統(tǒng)操作靈活、可靠。在集中方式，所有設(shè)備由集控室操作員通過上位機操作；
20.多種流程選擇。在聯(lián)動方式下，可根據(jù)工藝選擇運輸流程， 膠帶啟動按順煤流方向，并根據(jù)膠帶速度、長度延時開車，以減少運行時間；重載啟動時，按逆煤流方向啟動；系統(tǒng)停止或無煤時延時自動停車；
21.完善的信息處理功能，報警信息、運行參數(shù)、操作記錄等信息自動形成標準格式的數(shù)據(jù)庫文件，并在硬盤長期保存，供信息系統(tǒng)調(diào)用；
22.實現(xiàn)系統(tǒng)集中監(jiān)控，生產(chǎn)數(shù)據(jù)微機化管理
1)界面直觀友好，操作簡便，功能齊全。有形象逼真的動態(tài)畫面和全中文顯示，還具有實時報警監(jiān)視、安全確認機制和數(shù)據(jù)記錄功能。對操作員素質(zhì)無特殊要求，培訓(xùn)簡單；
2)對報警信息和重要運行參數(shù)在硬盤記錄，數(shù)據(jù)表格和曲線可隨時調(diào)出；
3)生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入計算機硬盤，可由管理信息系統(tǒng)按需調(diào)用。
6.2 可實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享
計算機管理工作站設(shè)信息管理系統(tǒng)，決策者通過管理工作站可根據(jù)各自權(quán)限遠程訪問監(jiān)控上位機，得到現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表、設(shè)備管理信息和生產(chǎn)統(tǒng)計分析。
6.3 具有故障自診斷功能
1. 網(wǎng)絡(luò)故障自診斷。當網(wǎng)絡(luò)由于發(fā)生斷線、干擾等傳輸問題時， 網(wǎng)絡(luò)會自動偵測到，并發(fā)出報警；
2. PLC故障自診斷。PLC的掃描器和適配器發(fā)生故障時，系統(tǒng)會通過網(wǎng)絡(luò)的通訊情況判斷故障，并發(fā)出報警；PLC的I/O模塊發(fā)生故障時，CPU會通過I/O模塊的狀態(tài)位偵測到故障及故障內(nèi)容，系統(tǒng)會發(fā)出報警；
3. 傳感器和信號線故障診斷。模擬量的傳感器或信號線發(fā)生斷線故障時，PLC通過測量值判斷故障并發(fā)出報警。
6.4 維護方便
1. I/O模塊采用可拆卸端子排，出現(xiàn)故障時，集控室發(fā)出聲光報警，可在幾分鐘之內(nèi)即可更換完畢；
2. 系統(tǒng)擴展方便，增加新設(shè)備或上后期工程，可以方便地加入節(jié)點，并可通過網(wǎng)絡(luò)在線修改程序；
3. 系統(tǒng)具有自診斷功能，能及時報告故障時間、位置、類型等信息，更便于維護。
6.5 集控系統(tǒng)的特點
本集控系統(tǒng)具有以下幾方面特點：
1. 選用先進的控制器，系統(tǒng)的實時性好，可靠性高，數(shù)據(jù)處理速度快；
2. 采用全分布式控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有較高的安全性。當?shù)孛娌糠殖霈F(xiàn)控制故障時，井下部分仍可實現(xiàn)集控運行；
3. 通訊網(wǎng)絡(luò)速度快，距離遠，可靠性高；
4. 界面直觀友好，操作簡便，功能齊全。人機界面不僅具有形象逼真的動態(tài)畫面和全中文顯示，還具有實時報警監(jiān)視、安全確認機制和數(shù)據(jù)記錄功能；
5. 減少布線成本，由于采用遠距離通訊網(wǎng)絡(luò)，使布線更加方便，并大大減少電纜用量；
6. 維護方便，運行費用低。系統(tǒng)擴展方便，可隨時增加節(jié)點，并可通過網(wǎng)絡(luò)由中控室在線修 改程序。控制器和網(wǎng)絡(luò)可靠性高，維護工作量小；
7. 總結(jié)各礦膠帶運輸系統(tǒng)的經(jīng)驗教訓(xùn)，特別采取了增加設(shè)備可靠性的措施，如選用先進可靠的控制器和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
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