三菱PLC在煤礦膠帶運輸機集控系統中的應用

1 前言
    煤礦膠帶機集控系統運行安全可靠與否直接影響礦井的經(jīng)濟效益煤礦 為提高系統的可靠性和安全性，實(shí)施集中監控，實(shí)現系統的綜合保護和集中監控，是十分必要的煤礦
    唐山開(kāi)誠電器有限責任公司生產(chǎn)的智能皮帶機集中控制與監測系統是應用于礦山皮帶運輸自動(dòng)化的高科技產(chǎn)品，本系統是以《煤礦安全規程》為依據，總結礦山運輸過(guò)程中所出現的事故，本著(zhù)安全性高、實(shí)用性強、具有先進(jìn)性的特點(diǎn)而研制開(kāi)發(fā)的新一代綜合控制系統應用
    集控系統與調度電話(huà)系統、工業(yè)電視系統一起，構成一個(gè)完整的操作、調度、監視網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對整個(gè)系統的遙測、遙信、遙控應用 該系統可實(shí)現提高生產(chǎn)效率、降低事故率，減少故障處理時(shí)間、減少現場(chǎng)操作人員、提高經(jīng)濟效益應用

2 集控系統的描述
    目前，PLC始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰場(chǎng)，為各種各樣的自動(dòng)化控制設備提供了非?？煽康目刂茟?。其主要原因，在于它能夠為自動(dòng)化控制應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(dòng)化的需要。
    在全球工業(yè)計算機控制領(lǐng)域，圍繞開(kāi)放式過(guò)程控制系統、開(kāi)放式過(guò)程控制軟件、開(kāi)放式數據通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革。隨著(zhù)PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進(jìn)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(guò)程控制系統正在逐步得到發(fā)展。對于控制軟件來(lái)講，是PLC控制器的核心，向工業(yè)用戶(hù)提供開(kāi)放式的編程組態(tài)工具軟件。此外，開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)也得到了突破，其結果是將PLC融入更加開(kāi)放的工業(yè)自動(dòng)化控制。
    本系統采用全分布式控制結構。由井下控制站和綜合操作臺構成。綜合操作中心位于地面中央控制室。系統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(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)結構CC-Link,控制分站與傳感器之間采用距陣結構聯(lián)接，控制主站與綜合操作臺的監控上位機之間通過(guò)CC-Link總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接?？刂品终矩撠煬F場(chǎng)設備的數據采集和控制，通過(guò)監控，可對整個(gè)系統的設備進(jìn)行監視和集中控制。
    

    
    本系統是以菱電AnS和FX系列PLC作為主控元件，具有防潮、抗干擾能力強，現場(chǎng)易編程、易擴展，基本免維護，并能夠實(shí)現軟件控制化，自動(dòng)檢測系統故障等功能。系統采用多臺PLC組成數據傳輸網(wǎng)絡(luò )，達到不同的規?？刂?。完成一個(gè)系統內多條皮帶全過(guò)程的監控、監測、連同地面指揮管理中心站，構成一個(gè)完善的監控系統。

3 網(wǎng)絡(luò )系統
    考慮到煤礦的現場(chǎng)情況和控制距離,在地面控制中心設置控制主站,采用三菱的大中型PLC-AnS系列,網(wǎng)絡(luò )選用開(kāi)放的CC-Link總線(xiàn),在控制距離大于1200米的兩個(gè)控制站間要加中繼器,在皮帶機頭設置控制設備分站?？刂圃O備分站負責現場(chǎng)的信號采集與現場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。
    系統為實(shí)時(shí)監控網(wǎng)絡(luò )結構，具備有完善的生產(chǎn)監控管理功能，對皮帶運輸主要環(huán)節及相關(guān)的輔助環(huán)節的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集、傳輸、處理、顯示、記錄打印，對井下運輸皮帶系統進(jìn)行遠程集中監控，同時(shí)配合工業(yè)電視系統進(jìn)行安全圖像監視，以確保人員及設備的安全。
    監控網(wǎng)絡(luò )實(shí)施后，操作員可在中控室終端上監視控制運輸皮帶生產(chǎn)過(guò)程，完成對運輸皮帶生產(chǎn)及相關(guān)環(huán)節的“遙測、遙信和遙控”，實(shí)現礦井運輸皮帶生產(chǎn)系統的綜合自動(dòng)化。
        

      1. 實(shí)時(shí)運行參數監測。各監控系統實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)工況參數，可以采用圖形、報表的形式顯示系統的實(shí)時(shí)工況及目前產(chǎn)量、倉儲等。
      2. 實(shí)時(shí)過(guò)程控制。分析采集的參數，各系統自動(dòng)完成過(guò)程控制，或由操作員操作控制。
      3. 歷史數據查詢(xún)。以上生產(chǎn)實(shí)時(shí)監測數據均可存貯于生產(chǎn)實(shí)時(shí)數據歷史數據庫中，可實(shí)現歷史回顯、歷史趨勢分析，及直方圖、餅圖等進(jìn)行綜合分析。 
     

      4. 設備故障及模擬量超限報警。當設備故障或模擬量超限時(shí)，生產(chǎn)監測及管理網(wǎng)絡(luò )同步顯示故障設備名稱(chēng)，并可實(shí)現語(yǔ)音報警、實(shí)時(shí)打印故障功能。服務(wù)器將該故障信息存入故障信息數據庫，供以后統計分析。
      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據庫，定時(shí)將生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)等數據存入數據庫中，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；根據外運下達計劃和設備實(shí)際狀態(tài)、倉儲煤量，合理安排生產(chǎn)計劃、設備維修計劃，以最大限度地減少對生產(chǎn)的影響。
     

      4 操作員工作站
      根據監控子系統功能，在監控中心設置工作站,運輸系統監控工作站它們的功能有：
      1. 根據操作人員不同，設定不同的使用權限，各司其職；
      2. 提供交互式全中文界面的操作平臺，各子系統設備運行狀態(tài)及參數直觀(guān)動(dòng)態(tài)顯示；
      3. 根據工藝流程及聯(lián)鎖關(guān)系實(shí)現各子系統的自動(dòng)/手動(dòng)/就地控制；
      4. 實(shí)時(shí)設定各種運行、生產(chǎn)工藝參數；
      5. 實(shí)時(shí)監視各子系統設備的運行參數及狀態(tài)，同時(shí)將各參數數據貯存在硬盤(pán)上，將必要的數據上傳至數據服務(wù)器；
      

       6. 實(shí)時(shí)監視各子系統傳感器的當前狀態(tài)及參數；
       7. 對各個(gè)設備及必要傳感器的故障狀態(tài)實(shí)時(shí)報警，報警方式為聲光報警。并且打印實(shí)時(shí)報警，同時(shí)將報警數據貯存入數據服務(wù)器，便于統一管理，以便對報警信息進(jìn)行事故分析；
      8. 隨時(shí)查詢(xún)、打印實(shí)時(shí)趨勢以及任意時(shí)間段的歷史趨勢；
      9. 隨時(shí)查詢(xún)、打印任意時(shí)段歷史數據報表。
      

       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. 根據工藝的調整在線(xiàn)修改控制器程序，以適 應新工藝的需要；
      2. 將監控系統中有關(guān)數據進(jìn)行轉換，進(jìn)入全礦的信息管理系統中；
      3. 設置彩色打印機，打印實(shí)時(shí)的彩色畫(huà)面及彩色的趨勢圖；
      4. 當某個(gè)子系統的操作員工作站發(fā)生故障時(shí)，可以馬上通過(guò)設定操作人員權限，將工程師站轉換成為該子系統的操作員工作站。

      6 皮帶運輸監控系統
      本系統由運輸皮帶機、給煤機等基本設備組成，利用控制設備、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測系統的要求。
      系統采用多臺PLC組成數據傳輸網(wǎng)絡(luò )，達到不同的規?？刂?。完成系統內皮帶，給煤機的全工作過(guò)程的監控、監測、連同地面中控室，構成一個(gè)完善的監控系統。
      1） 實(shí)現膠帶機運輸系統集中監控，實(shí)時(shí)監控設備狀態(tài)和運行參數，并顯示數據曲線(xiàn)，對重要信息在硬盤(pán)記錄；
      2） 控制方式分集控自動(dòng)/集控手動(dòng)/就地，三種方式可轉換。正常生產(chǎn)時(shí)，使用集控自動(dòng)方式，設備按工藝要求的順序和流程由中央控制臺自動(dòng)啟停；集控手動(dòng)時(shí)，可在中央控制臺操作各設備，無(wú)閉鎖和聯(lián)動(dòng)關(guān)系；就地時(shí)，在現場(chǎng)操作；
      3） 啟動(dòng)設備前由集控臺發(fā)預告信號，預告30秒后，若現場(chǎng)均滿(mǎn)足集控自動(dòng)啟動(dòng)條件，設備按順序自動(dòng)啟動(dòng)?，F場(chǎng)可用停車(chē)鈕停止啟動(dòng)過(guò)程；
      4） 現場(chǎng)信號箱設起/停車(chē)按鈕，現場(chǎng)可隨時(shí)停車(chē)。若設備由集控啟動(dòng)，控制系統接到現場(chǎng)停車(chē)停號后，可作急停處理，實(shí)施故障停車(chē)操作；
      5） 按“技術(shù)規定”膠帶運輸機裝設拉線(xiàn)開(kāi)關(guān)、跑偏保護、低速保護等，這些信號均接入集控系統，參加設備的緊急停車(chē)和閉鎖停車(chē)；
      6） 對設備故障和工藝參數的異常實(shí)時(shí)報警，并進(jìn)行聲光提示。一般故障只報警，現場(chǎng)非正常停車(chē)或嚴重故障時(shí)，故障設備及其上游設備緊急停車(chē)，下游設備順煤流延時(shí)閉鎖停車(chē)。

      6.1 系統的主要功能
      1. 每臺設備機頭旁均設有就地操作控制箱，上有工作方式轉換開(kāi)關(guān)及就地起停鈕；
      2. 所有膠帶機上的給煤點(diǎn)均設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. 所有膠帶機均設有兩極跑偏開(kāi)關(guān)，每隔約50米設置一對跑偏開(kāi)關(guān)，一級跑偏用于故障報警，二級跑偏用于故障停車(chē)；
      4. 所有膠帶運輸機，均設拉線(xiàn)開(kāi)關(guān)，用于緊急情況下的停車(chē)，急停拉線(xiàn)開(kāi)關(guān)的安裝間距均確定按50米進(jìn)行配置，并可擴展下皮帶的跑偏保護，以保證設備和人身安全；
      5. 擴音電話(huà)采用新型的選撥電話(huà)系統，安裝間距確定按200米進(jìn)行配置；
      6. 水平膠帶機的拉緊裝置為液壓調節方式，開(kāi)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(dòng)調節功能；
      7. 在皮帶機頭設置堆煤傳感器，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. 在皮帶巷道設置煙霧傳感器，以檢測皮帶巷道的煙霧濃度防止火災事故的發(fā)生；
     10. 在皮帶機的主滾筒設置溫度傳感器，隨時(shí)檢測滾筒的溫度，并配備自動(dòng)撒水裝置，在滾筒超溫時(shí)實(shí)現自動(dòng)撒水并對主滾筒進(jìn)行降溫；
     11. 膠帶運輸機每隔約100米設起動(dòng)預警裝置，設備啟動(dòng)前發(fā)出預警信號，提示有關(guān)人員應立即遠離設備；
     12.電機的電流實(shí)時(shí)監測功能可發(fā)現一些機械設備的潛在故障隱患；運行中對電機的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監測分析，當發(fā)生電流超限或突變時(shí)報警，嚴重時(shí)停機。
     13.實(shí)現對給煤機與皮帶的閉鎖，實(shí)現與以前皮帶的閉鎖功能，具有自動(dòng)、手動(dòng)、檢修等控制方式；
     14.在軟件與硬件上開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的矩陣控制功能，節省主電纜的開(kāi)支；
     15.自控系統在性能上具有良好的抗濕熱性、抗干擾性，在結構上滿(mǎn)足在井下條件能夠迅速檢修或更換元器件，根據煤礦井下的現場(chǎng)環(huán)境，控制箱采用不銹鋼結構，其他采用防腐措施；
     16.可根據膠帶機系統的故障性質(zhì)，進(jìn)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(lèi)型、故障地點(diǎn)；
     18.隔爆軟啟動(dòng)器或隔爆變頻器納入監控；
     19.多種操作方式?？刂品绞接校杭新?lián)動(dòng)、集中手動(dòng)、就地聯(lián)動(dòng)、就地手動(dòng)、禁起等方式，使系統操作靈活、可靠。在集中方式，所有設備由集控室操作員通過(guò)上位機操作；
     20.多種流程選擇。在聯(lián)動(dòng)方式下，可根據工藝選擇運輸流程， 膠帶啟動(dòng)按順煤流方向，并根據膠帶速度、長(cháng)度延時(shí)開(kāi)車(chē)，以減少運行時(shí)間；重載啟動(dòng)時(shí)，按逆煤流方向啟動(dòng)；系統停止或無(wú)煤時(shí)延時(shí)自動(dòng)停車(chē)；
     21.完善的信息處理功能，報警信息、運行參數、操作記錄等信息自動(dòng)形成標準格式的數據庫文件，并在硬盤(pán)長(cháng)期保存，供信息系統調用；
     22.實(shí)現系統集中監控，生產(chǎn)數據微機化管理
        1)界面直觀(guān)友好，操作簡(jiǎn)便，功能齊全。有形象逼真的動(dòng)態(tài)畫(huà)面和全中文顯示，還具有實(shí)時(shí)報警監視、安全確認機制和數據記錄功能。對操作員素質(zhì)無(wú)特殊要求，培訓簡(jiǎn)單；
        2)對報警信息和重要運行參數在硬盤(pán)記錄，數據表格和曲線(xiàn)可隨時(shí)調出；
        3)生產(chǎn)數據存入計算機硬盤(pán)，可由管理信息系統按需調用。

      6.2 可實(shí)現自動(dòng)化控制系統與生產(chǎn)管理系統數據共享
      計算機管理工作站設信息管理系統，決策者通過(guò)管理工作站可根據各自權限遠程訪(fǎng)問(wèn)監控上位機，得到現場(chǎng)生產(chǎn)數據報表、設備管理信息和生產(chǎn)統計分析。

      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(xiàn)、干擾等傳輸問(wèn)題時(shí)， 網(wǎng)絡(luò )會(huì )自動(dòng)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(shí)，系統會(huì )通過(guò)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(shí)，CPU會(huì )通過(guò)I/O模塊的狀態(tài)位偵測到故障及故障內容，系統會(huì )發(fā)出報警；
      3. 傳感器和信號線(xiàn)故障診斷。模擬量的傳感器或信號線(xiàn)發(fā)生斷線(xiàn)故障時(shí)，PLC通過(guò)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，出現故障時(shí)，集控室發(fā)出聲光報警，可在幾分鐘之內即可更換完畢；
      2. 系統擴展方便，增加新設備或上后期工程，可以方便地加入節點(diǎn)，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)修改程序；
      3. 系統具有自診斷功能，能及時(shí)報告故障時(shí)間、位置、類(lèi)型等信息，更便于維護。

      6.5 集控系統的特點(diǎn)
      本集控系統具有以下幾方面特點(diǎn)：
      1. 選用先進(jìn)的控制器，系統的實(shí)時(shí)性好，可靠性高，數據處理速度快；
      2. 采用全分布式控制結構，系統具有較高的安全性。當地面部分出現控制故障時(shí)，井下部分仍可實(shí)現集控運行；
      3. 通訊網(wǎng)絡(luò )速度快，距離遠，可靠性高；
      4. 界面直觀(guān)友好，操作簡(jiǎn)便，功能齊全。人機界面不僅具有形象逼真的動(dòng)態(tài)畫(huà)面和全中文顯示，還具有實(shí)時(shí)報警監視、安全確認機制和數據記錄功能；
      5. 減少布線(xiàn)成本，由于采用遠距離通訊網(wǎng)絡(luò )，使布線(xiàn)更加方便，并大大減少電纜用量；
      6. 維護方便，運行費用低。系統擴展方便，可隨時(shí)增加節點(diǎn)，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )由中控室在線(xiàn)修 改程序?？刂破骱途W(wǎng)絡(luò )可靠性高，維護工作量??；
      7. 總結各礦膠帶運輸系統的經(jīng)驗教訓，特別采取了增加設備可靠性的措施，如選用先進(jìn)可靠的控制器和網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品。