FCS在煤礦地面生產系統中的應用

于秋瑞，張美茹

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安710054）

1 概述

1.1 現狀

現有煤礦地面生產系統的控制系統，大多數采用傳統的PLC集中控制，存在運算量大，系統控制精度低，操作不方便；所有的數字量與模擬量I／O點均從PLC柜內接線，控制電纜用量大、布線錯綜復雜、故障率高，給現場維護檢修帶來了諸多不便等，這些因素嚴重影響了生產能力，尤其在煤炭需求緊張的情況下，影響到居民的生活水平，這已不適應現代化煤礦企業安全、高效的生產任務和要求。

針對以上存在問題，在某新建的煤礦地面生產系統中，采用了以FCS為主要的控制技術方法來滿足煤礦企業安全高效的生產任務和要求。

1.2 FCS 簡介及特點

根據國際電工委員會的IEC61158標準定義，現場總線是指安裝在生產過程區域的現場設備和監控儀表與控制室內的自動控制裝置和系統之間進行數字式、串行、多點、雙向通信的數據總線。而基于現場總線的控制系統被稱為現場總線控制系統（Fieldbus Control System），簡稱FCS。

FCS是以智能傳感器、開關、閥門、智能控制器（電動機保護器）、控制設備（如變頻器、軟起動器）、計算機數字通信、網絡為主要內容的一門綜合技術。具有以下主要特點。

（1）總線式結構性

一對傳輸總線可掛接多臺現場設備，雙向傳輸多個數字信號。這種結構與一對一的單向模擬／數字信號傳輸結構相比，布線簡單、安裝費用低、維護簡便。

（2）分散控制性

將控制功能放到作為網絡節點的現場智能儀表和設備中，提高系統的靈活性、自治性和安全可靠性，減輕了PLC集中控制器的計算負擔。

（3）開放性、互操作性與互換性

FCS采用統一的協議標準，是開放式的互聯網，對用戶是公開透明的。不同廠家的網絡產品可以方便地接入同一網絡，在同一控制系統中進行互操作，而互換性則意味著不同廠家的性能類似的設備可以實行相互替換，簡化系統的集成。

（4）信息組合、組態靈活性

通過數字化傳輸現場數據，FCS能獲取現場設備的各種狀態、診斷信息，實現實時實地的系統監控和管理以及故障診斷。此外，FCS引入了功能模塊的概念，通過統一的組態方法，使系統組態簡單靈活，不同現場設備中的功能模塊可以構成完整的控制回路。

（5）多種傳輸介質和拓撲結構

FCS由于采用數字通信方式，因此可以用多種傳輸介質（普通電纜、雙絞線、光纜、紅外線，甚至電力傳輸線等）進行通信。根據控制系統中節點的空間分布情況，可應用多種網絡拓撲結構。

2 工藝流程及其設備特點

該項目屬于煤炭資源整合礦井中的新建煤礦，礦井生產能力為 1.5Mt／a，其地面生產系統工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 生產系統工藝流程示意圖

從工藝流程來看，井下的原煤通過101主斜井膠帶輸送機提升到驅動機房→201上原煤倉輸送皮帶→原煤倉→301上產品倉皮帶→震動篩選、刮板輸送→塊煤、末煤、矸石→裝車。

在這條生產線上，涉及到的監控儀表有跑偏、速度、料位、煤塵粉塵、電機電流溫度、堆煤、煙霧、縱撕、膠帶張緊力，同時需要擴音電話實現膠帶輸送機沿線通話功能等；現場控制設備有膠帶輸送機、硫化器、除鐵器、甲帶給料機、破碎機、振動篩、配倉刮板機、裝車閘門（可逆運行）等。

該生產系統的主要特點是流程距離長、分布點的設備比較多、工藝設備的控制復雜；現場的粉塵大，環境惡劣。根據《煤炭洗選工程設計規范》的要求，地面生產系統的控制應有兩種工作方式。

（1）集中閉鎖工作方式 起動時應按逆煤流順序逐臺延時起動，延時時間應保證躲過前臺電動機起動時的起動電流，工程設計中一般取3～5s。

（2）就地解鎖檢修工作方式 正常停止時應按順煤流逐臺延時停車，延時的時間應保證停止設備上的煤已全部轉運至下臺設備；故障時應在最短時間內全部停止或現場急停。

3 控制系統的優化與拓撲

按照《煤炭洗選工程設計規范》14.2.1 的要求和結合本礦的實際情況，在該生產系統中，設計將動力設備電源電壓等級確定為兩種，即AC660V和AC10kV，減少了線路的損耗。為了給動力設備提供電源，需要在運煤系統狹長的上原煤倉棧橋和上產品倉棧橋的一側布置電纜橋架，該橋架既要敷設AC660V和AC10kV動力電纜，同時又要敷設控制電纜和通信電纜。然而，動力電纜周圍的電磁干擾信號必然影響到整個系統的通信質量，使得控制系統不能很好地工作，甚至于產生誤報警誤動作，達不到安全高效的生產要求。因此，設計中采用分散化的外圍設備Fieldbus-DP組成網絡，用光交換機來完成設備與控制器之間的信號傳輸。采用光纖作為信號的傳輸介質，避免了電磁場對通信信號的干擾，真正達到阻斷干擾的效果，同時提高了信號的傳輸速率。

在控制系統的設計中，電壓是AC660V用電設備的功率在45kW及以下的電機，其控制回路均采用數字化智能型控制與保護開關電器（以下簡稱KB0-T）的可編程控制和通訊功能模塊，共65臺套；由于該產品電機功率在45kW及以下時，是集斷路器、接觸器、熱繼電器于一體的智能化模塊開關，45kW以上則需要分離器件（由于技術上的原因），因此功率在45kW以上的電機，根據需要其控制回路采用PDM-810MR智能型電動機保護器或者軟起動器、變頻器的可編程控制和通訊功能模塊，共23臺套；電壓是AC10kV的101主斜井膠帶、201上原倉膠帶、301上產品倉膠帶，其控制回路采用變頻器的可編程控制和通訊功能模塊，共3臺套。在配電上盡量讓配電柜室臨近設備現場，以減少動力電纜的長度。通過上述KB0-T、PDM-810MR電動機保護器、軟起動器和變頻器的功能模塊，來實現遠距離自動控制的功能。這些設備的控制電路最后都應與FCS的信號連接，以傳輸和交換整個生產系統中各個設備之間的數據信息。

該系統軟件采用Win2000，用兩臺S7-400控制器作為主站，通過以太網交換機（ESM）連接到兩臺配有百兆以太網卡的工控機上，工控機選用WinCCV6.2＋SP3版軟件，兩臺控制器采用冗余型。利用主控制器自身帶有的Profibus-DP接口模件，將系統分為兩部分：1＃OLM接口連接驅動機房和上原煤倉系統（含倉下設備）的3＃OLM；2＃OLM接口連接產品倉上（含倉下設備）的4＃OLM，這樣可以組成兩個相對獨立的光纖環網。系統拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統拓撲圖

其中，1＃OLM和2＃OLM兩只光電交換機在控制系統中起到光電轉換的目的，在控制柜內實現光的轉換，起到防止電磁場干擾引入的作用。3＃OLM和4＃OLM光電交換機分別接有DP／ASi通信耦合器、KB0-T或電動機智能控制器。每個耦合器下又連接有KB0-T、電動機起動器、開關按鈕盒、軟起動器、變頻器和I／O模快等。由此該控制系統構成了三層結構的通信系統。由于底層的控制器均采用通信的方式與主控制器進行數據交換，因此，從控制室的主控制器到現場的KB0-T、電動機智能控制器、開關按鈕盒、電動機起動器和I／O模塊之間只有通信線，而沒有控制線，真正體現了FCS在控制應用中的優勢特點。

4 編程組態軟件

該系統采用目前被國內外廣泛應用的中文版語言WINCCV6.2＋SP3自動化軟件，它為該系統提供控制技術、人機界面技術、圖形技術、數據庫技術、網絡技術于一身，含有實時數據報表、歷史數據報表、實時曲線、歷史曲線、報表查詢等控件，為工程技術人員提供很好的二次開發平臺。

控制器采用S7-400控制器，通過以太網連接到兩臺安裝有以太網卡的工控機上。編程用STEP7V5.3中文版軟件，在系統組態中考慮到本控制系統點數較多，控制設備也很多，所以要先分配好各部分地址，編址后在系統中進行硬件組態。該系統中用到的設備有KB0-T、DM-810MR、軟起動器和變頻器的功能模塊、DP／ASi耦合器，以及在現場傳感器ASi總線中使用的設備有I／O數字量模塊、按鈕盒等。ASi總線主要運用于具有開關量特征的傳感器和執行器系統，傳感器可以是各種原理的位置接近開關以及溫度、壓力、流量、液位開關等。執行器可以是各種開關閥門、電／氣轉換器以及聲、光報警器，也可以是繼電器、接觸器、按鈕等低壓開關電器。當然ASi總線也可以連接模擬量設備，只是模擬信號的傳輸要占據多個傳輸周期。必須注意的是在連接主站和從站的兩芯電纜上除傳輸信號外，同時還提供工作電源。

在組態前，對KB0-T、PDM-810MR、軟起動器和變頻器要用相應單獨軟件進行組態或者采用協議轉換模塊，而對ASi部分的組態比較容易，用地址設定工具把相應設備地址設定后就可以了，設備正常或出錯時在DP／ASi上都有相應的顯示，便于調試人員觀察。硬件組態（以變頻器為例）如圖3所示。

圖3 硬件組態圖

在編程時，要注意對于相應DP地址點的對應關系，對于DP／ASi部分在STEP7中地址的對應關系，由于系統中采用模擬量模塊，所以在程序中調用SFC58／59進行模擬量采集時要注意地址關系。其他部分邏輯控制就比較簡單了。

系統功能包含有調度管理、報警和事件管理、報表和人機界面等功能，從而組成了一套完整的FCS系統。各功能畫面設計采用下拉式菜單。

調度管理是整個煤礦的調度指揮中心，正常情況下操作人員在調度中心就可以通過局域網，完成對煤礦地面生產系統的監控和運行管理等任務。

報警和事件管理要求無論報警及其響應和事件信息來自何處，它們均應保存在相關的數據庫中，供系統隨時調用。系統具有濾波及判斷功能，以防止虛假報警和重復報警現象，一旦報警被證實，應以最快的速度發布，并且報警信息能以多種方式發布，包括聲、光（閃爍）、中文語音提示，在報警打印機上實時打印，供操作人員及時檢查維護。

對于生產數據報表，WINCC提供了集成的報表系統，可以方便地輸出WINCC數據到打印機進行打印，并且也可以利用報表專用軟件，根據生產需要編制實時的和歷史的數據報表及統計計算報表。可以根據操作人員的不同選擇，打印出不同歷史數據報表。

人機界面（HMI）采用TP177A系列人機界面，在標準的中文Win2000平臺上運行，支持多顯示器操作（在不同的顯示器上同時顯示不同的畫面），光標可在多臺顯示器屏幕上連續移動且不需要進行顯示器的切換。根據需要人機界面主要分為主畫面、程控畫面、分站畫面、報警趨勢和數據報表等。

5 結束語

在該礦地面生產系統FCS控制中，設備選型除了高壓電機控制采用變頻器外，其余AC660V級的電動機控制器采用國產的KB0-T、PDM-810MR及國產軟起動器、變頻器，節約了投資成本；將以往PLC集中控制功能盡量分散到現場智能化控制開關和控制器，由這些控制開關和控制器完成各自現場設備的檢測、分析運算和控制，并把信息傳輸給PLC主控制器，大大減少了PLC的運算負擔；FCS總線采用光纜傳輸線，構成控制網絡，可節省大量控制線纜、金屬槽架、連接卡件。同時，由于所有的連接導線都變得簡單明了，系統設計、安裝、維護的工作量也隨之大大減少。另外，FCS總線還支持總線供電，即兩根導線在為多臺設備傳送數字信號的同時，還為這些設備傳送工作電源、操作電源。可以看到，采用FCS具有節省硬件投資、安裝費用、節省大量的維護工作量，真正體現了FCS在煤礦地面生產系統控制中很好的應用價值。

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