基于PROFIBUS現場總線的煤礦篩選系統集控設計與研究

馬文超

河南理工大學，河南焦作 454000

河南省新鄭煤電有限責任公司，河南新鄭 451100

基于PROFIBUS現場總線的煤礦篩選系統集控設計與研究

馬文超

河南理工大學，河南焦作 454000

河南省新鄭煤電有限責任公司，河南新鄭 451100

本文分析了趙家寨煤礦篩選系統集中控制的設計原理及實施過程，對集中控制系統的軟件及硬件配置進行了技術探討和實踐應用，具有良好的推廣價值。

現場總線；煤礦；篩選系統；集中控制

1 趙家寨煤礦及篩選系統簡介

河南趙家寨煤礦年產原煤300萬噸，井田面積48.96km2，可采儲量2.23億噸。該礦篩分系統流程如下：原煤由箕斗提升至井口卸載位置，卸入受煤倉，通過倉下給煤機運入原煤膠帶運輸機至準備車間。原煤經過除鐵后，進入兩臺50mm三段螺旋篩進行分級，50mm篩上品進入兩條手選膠帶運輸機，手選揀煤，矸石進入四部排矸皮帶進行轉運。揀出的大塊煤由大塊煤上倉膠帶運輸機運至大塊煤汽車倉地銷，倉容400t。兩臺螺旋篩篩下品分別進入兩臺二級螺旋篩進行分級，二級螺旋篩篩下末煤直接經混煤上倉膠帶運輸機進入裝車倉，13～50mm小塊煤由小塊煤轉載膠帶運輸機運至小塊煤裝車倉，倉下設液動扇形閘門，裝汽車地銷。

2 設計原理

2.1硬件設計部分

根據現場實際情況可將地面篩選系統設計為三部分：原煤篩選系統、排矸控制系統和返煤裝車控制系統。三個子系統通過地面生產集控系統并接入綜合自動化監控平臺，實現就地和綜合集控中心遠方監測監控。電控系統組成框圖如圖1所示。

在篩選系統設備室建立系統集控室，在篩選系統集控室設置操作臺，并配有上位機集控系統。在篩選集控車間安裝集控操作臺、1臺工控機、工業液晶顯示器1臺、生產環節視頻監控1套、語音網關，通過視頻、語音和控制三位一體，實現新篩分系統自動控制，并通過工業以太網上傳礦綜合集控中心實現地面篩分系統遠程監控。

該系統采用多臺PLC組成數據傳輸網絡，通過中央集控室上位機控制和視頻監控網絡，完成系統對整個篩分過程的遙控、遙測，遙信、遙調，遙視，最終構成一個完善的篩選系統集中控制系統。控制系統組成的系統框圖如圖2所示。

2.2軟件設計部分

PLC的軟件設計主要完成皮帶運輸機運行狀態的控制和相應的故障處理、應急處理，同時響應人機交互指令，為上位機提供皮帶運行中實時的狀態信號參數。PLC控制系統軟件設計包括主程序的設計、各功能塊程序的設計、故障程序和通信程序的設計、PLC的I/O地址分配、模擬量的輸入輸出分配等部分。主程序和各個功能塊程序的設計應該能夠實現所有被控設備的順序啟停，單部設備的啟動停止，遠程/就地切換等功能。故障檢測保護程序主要實現對皮帶運輸機的運行狀態監控，通過讀取各個傳感器狀態參數，實現對皮帶運輸機故障的發現及采取必要的措施。通信程序包括從站和主站之間的PROFIBUS現場總線通信程序和主站與上位機之間的以太網通信程序。在PLC設計之初，應該對所需的輸入、輸出點有一個大概的了解，同時保證選用的PLC型號要留有一定的富余量。

根據篩選廠篩分系統的工藝流程，設計程序設計了主程序和各個功能模塊的功能。主站S7-300PLC負責接收分站ET-200上傳的數據，并實現系統的分散控制集中管理。

3 項目實施的運行情況及改造效益

3.1項目的運行情況

項目實施周期8個月。項目投入運行以來，效果良好，完全實現了對整個原煤篩選系統的遙測、遙信、遙控，實現原煤篩選系統實現集中控制。在運行的過程中，根據運行的實際情況和工人的操作習慣，后期也做了部分的改動。總體而言，雖然項目后期還有大量工作需要做，但是項目的運行基本達到預期效果。

3.2項目改造效益

3.2.1社會效益

1）提高礦井安全生產管理水平，實現了煤礦安全生產狀態的遙感、遙調、遙信、遙測和遠程診斷，進一步優化調度協調工作。

2）礦井安全保障。提高了自動化水平和安全生產水平，可向礦井管理系統提供準確實時的各種安全、生產信息，發揮綜合監控和協調作用，正常情況下確保礦井的安全生產，事故情況下，可以為搶險工作提供必要的指導。

3）實現生產安全信息集中監測；實現無人值守或少人值守，達到減人增效的目的。

4）提高企業自動化管理水平，提升了企業綜合形象。

3.2.2經濟效益

1）實現了自動化減人。原煤篩選系統集控，降低了工人的勞動強度，實現崗位無人值守和減崗減員的目的，每班可減少出勤人員10人，按照月4200元工資算，每年節省成本151.2萬元。改造前原煤篩選系統每班需出勤22人，改造完成后12人就能滿足正常生產。

2）實現了自動化增效。原煤篩選系統集控中心投入運行后，設備實現自動控制，故障自動報警，發現、處理故障時間比以往大大縮短，平均每班影響時間僅為10min，而且切換生產路徑、配倉時間只需30秒，并實現自動調節流量、煤位測量。按照每班減少故障影響10min計算，每年累計減少事故影響時間約180小時，增加經濟效益230萬元。

2）機械手運動過程反解。

已知機器人的平動盤中心點坐標位置，反過來推算每根軸的旋轉角度機械結構尺寸。根據已知Lt、Lb、L1、L2、（X，Y），我們通過列舉方程式求解得出θ1、θ2。最后在程序里建立相應的變量，編寫相應梯形圖或者ST語言程序實現這個反解算式。這樣，對相應變量輸入預計坐標后，就能實時得到電機應該旋轉的角度了。反解算法功能塊如圖5所示。

反解功能塊采用分步計算的原理，整合各功能在一個功能塊中，包括：（1）根據兩點坐標算出兩點距離；（2）通過構建三角形的數學方法在多個三角形中依次解出角度θ1、θ2。

正反解算法靈活運用Sysmac Studio環境中的ST語言和LD語言編寫，分步式的編程思路邏輯性強，能夠為后期程序調試以及修改提供極大便利。

4 結論

本文以歐姆龍NJ501-1500PLC為控制器核心，深入研究了在Sysmac Studio環境中實現Delta并聯機械手運動控制的算法以及編程、調試，并使用NS系列觸摸式可編程終端進行上位機監控。

［1］劉彥伯.一種Delta型并聯機器人的機構設計與分析［J］.科技信息，2011（21）.

［2］王月芹.基于歐姆龍NJ控制器機械手控制系統設計［J］.機電產品開發與創新，2013（3）.

［3］徐世許.機器自動化控制器原理與應用［Z］.機械工業出版社，2013.

TP3

A

1674-6708（2015）147-0158-02