黨家河煤礦原煤運輸設備PLC集控系統的設計與應用

馬尚禎 王海勇

（河南能源集團鶴煤公司黨家河煤礦，陜西延安727502）

1 PLC集控系統的需求分析

黨家河煤礦原煤運輸設備集控系統的控制范圍為至篩膠帶輸送機起至原煤倉中間的全部生產及生產輔助系統設備，設備臺數多，生產工藝環節多，設備運行順序性強且運行時間相對集中，任何一部設備啟停不當都有可能造成運輸事故，損壞設備。故此，實現地面原煤運輸設備的集中控制，可以大大減少因設備啟停引起的事故，減少設備操作人員和維護人員，縮短設備啟停時間，提高勞動生產效率，為生產和調度管理提供極大的方便。

2 PLC集控系統設計原理

黨家河煤礦原煤運輸設備集控系統是以PLC為控制基礎的KJ58集中控制系統，系統結構分為三層：現場設備層、PLC控制層和監控信息層。集控系統的控制核心是位于中間層的PLC，負責下層設備控制及與上層通信聯系；現場設備層通過開關量信號、模擬量信號和部分標準的總線通信協議與PLC相連通；最上層是具備HMI功能的監控設備與集中控制平臺，通過工業以太網協議與PLC相連接，并對外提供開放的數據發布接口，加上上位機構成的控制系統，完成主控PLC、人機接口系統、現場設備之間的通信聯系，從而實現整個原煤運輸設備的集中控制。

集中控制室負責設備的啟停和安全運行任務，采用PLC主站+分站的控制方式，分別完成各個關聯的設備啟停、保護實現、設備聯鎖、設備狀態監控任務。信息層在控制室組成100M局域網，監控主機通過以太網卡與PLC主機連接，進行數據交換。控制層PLC主站與分站之間通過ControlNet總線網絡，進行數據交換，實現集中控制室對各系統設備的集中監測控制；設備層各參控設備通過控制電纜與本地I/O模塊連接，實現各離散信號及模擬信號的監控，或通過DH+網絡、DeviceNet網絡、Modbus網絡等采集數據。

3 PLC集控系統具體實施方案

黨家河煤礦原煤運輸設備集中控制室共設有兩個分站，每個站均配置有高性能控制柜，PLC模塊放置在柜內。控制器采用的是羅克韋爾公司Controllogix系列PLC，整個控制系統主站和分站之間通過ControlNet總線網絡相連。在控制主站上配置有10/100M自適應以太網模塊，與上位機之間通過以太網進行通信，實現上位機高速采集設備運行數據并發出相應的控制指令。此外，根據現場膠帶輸送機運輸長度，膠帶輸送機沿線每50 m設置有拉繩和跑偏保護裝置，實現膠帶輸送機的事故保護功能。筒倉內配置有連續測量物位儀，實時監視物位，監控信號就近接入PLC控制分站中。設備現場為受控設備配置有就地按鈕盒實現就地控制。此外，還設置有兩臺集成監控網絡操作員站，并兼有工程師站功能。在上位機上安裝有IFIX組態軟件，組態人機界面對現場設備進行控制和監視，且組態軟件具備OPC功能，可對外通信。

3.1 上位機部分

上位機組態軟件選用的是美國通用公司的IFIX組態軟件，工作于Window XP SP2以上系統平臺，實現圖形監控、動態圖形顯示、運行數據采集管理、狀態趨勢圖、自診斷、報警等諸多功能，并提供多種數據接口（ODBC、OPC、DDE）實現數據的共享與傳播。

操作員站配置有兩臺戴爾計算機，兼工程師站，互為熱備，完全滿足工業現場的環境要求，其主要配置如下：

計算機不低于Dell Precision T5500/24"LCD，WinXP Pro.，共兩套。

集控室計算機設備采用25 kVA/2 h的UPS電源供電，保證了系統運行的穩定性和可靠性。

上位機與控制系統通過工業以太網進行連接通信，系統的安全性和通信速率提高，從而大大提高了系統的穩定性和實時性。

3.2 PLC部分

控制主機采用的是羅克韋爾AB高端的1756-L71 CPU，具有大規模的程序存儲容量和數據結構，對二進制和浮點數運算具有很高的處理能力，非常適用于大規模的I/O配置。

以太網模塊采用1756-ENBT，10/100 Mb/s自適應，全/半雙工傳輸，可對傳輸協議TCP與UDP實現多協議運行，RJ45連接將PLC連接到以太網，可以通過網絡對PLC系統實現遠程編程與調試。

PLC控制柜采用主從分站的分布模式，采用ControlNet現場工業總線，實現了主從分站之間數據高速穩定的實時交換，通信介質為同軸電纜，極大地提高了整個系統的穩定性和可操作性，同時PLC主站控制柜預留冗余CPU的位置，以便將來擴展冗余控制系統。

PLC電源模塊選用的是交流凈化穩壓電源，保證了控制系統供電的穩定可靠；PLC控制柜內安裝有PLC控制模塊、I/O分站模塊、24 V DC穩壓電源，保證了控制系統操作的穩定性和可靠性。

3.3 設備現場部分

設備現場配置有防爆按鈕盒，主要作用是提供靈活的控制功能，當設備控制方式在“集控”狀態時，該設備由集控系統控制操作，現場無法開車；當控制方式在“就地”狀態時，設備由崗位操作人員就地控制操作；當控制方式在“檢修”狀態時，就地和集控均無法實現對該設備的控制，保證了現場的人員和設備安全。

3.4 與其他系統的接口方案

黨家河煤礦原煤運輸設備集控系統是一套獨立的PLC控制系統，預留多種接口與其他系統實現雙向數據通信。

（1）硬件接口：控制系統在控制柜內預留以太網通信接口、RS485接口、DH+接口和DNB接口，為系統的擴展及子系統接入提供便利。

（2）軟件接口：控制系統可為其他系統提供4種不同的軟件接口：基于DH+通信協議的實時數據通信；基于Modbus RTU通信協議的實時數據通信；基于DeviceNet總線的實時數據通信；基于TCP/IP協議的PLC的實時數據通信。

4 PLC集控系統實現功能

黨家河煤礦原煤運輸設備集控系統有兩種控制操作方式，即控制室集中控制操作和現場單機就地操作方式。控制室集中控制是主要操作方式，現場單機就地操作方式主要用于設備的調試和維護。

（1）集中控制操作方式：即通過工控機鍵盤和鼠標，結合工控機大彩顯示屏，實現對單臺設備的啟停控制。在此種方式下，設備之間的聯鎖關系可以方便地設定或解除。該方式是原煤運輸的主操作方式，該系統故障時，可以選用現場單機操作方式。

（2）現場單機就地操作方式：現場設備附近均配置就地操作控制按鈕，實現單臺設備的啟停控制，該操作方式主要用于單機調試、檢修維護。在此工作方式下，設備的操作獨立于PLC控制，確保在集控系統發生故障時不會影響正常生產。

（3）故障自動停機功能：當現場的系統自檢故障、保護裝置動作以后，故障設備以及煤流上游設備立即停止運行（工藝設備要求必須延時停車的除外），下游設備繼續保持運行，待下游設備原煤拉空后，可以根據故障情況人為依次將下游設備停機。

（4）緊急停車功能：出現緊急情況時，按下工控機大彩顯示屏監控畫面上的模擬緊急停機按鈕，系統內全部設備立即自動停機。

（5）保護動作或系統自檢故障自動停機功能：1）當設備自身存在故障時，設備無法啟動，監控畫面上會發出相應故障的文字報警信息。2）當系統內設備出現故障或保護動作時，監控畫面上會發出相應的報警信息，集控系統會自動根據報警信息作出相應的停機處理，有效避免故障的發生和擴大。3）系統能自動顯示、記錄設備故障性質、故障地點及發生故障的時間。

（6）安全管理功能：為確保安全生產，集控軟件設置有用戶登陸界面，對不同登陸人員設置不同的權限，并對登陸人員作操作記錄。1）管理員用戶能監視設備運行狀態、操作設備運行、修改工藝。2）操作員用戶能監視設備運行狀態、操作設備運行。3）普通用戶能監視設備運行狀態。4）非法用戶不能登陸。

5 PLC集控系統設計優點

KJ58集控系統充分考慮到黨家河煤礦原煤運輸設備的選型和運行特性，又結合原煤運輸設備現場實際情況進行了優化升級，該集控系統具有水平先進、可靠性強、易擴展、易操作等優點，大大提高了黨家河煤礦原煤運輸設備可操作性和安全性。

5.1 水平先進

在集控系統設備和技術選型時，充分考慮了集控系統的先進性，保證此套集控系統在投運后仍然具有很強的系統擴展性和升級功能。先進技術和設備的選用，確保了集控系統功能、性能的優質性、可靠性、穩定性，無論技術水平還是管理水平都居國內同行業先進行列。

5.2 可靠性強

可靠性是集控系統的基礎，此套系統的方案設計、加工制造工藝、調試投運等每一步都把可靠性放在第一位，在集控系統設備和技術設計選型上也嚴格遵循這一標準。

（1）系統中所選用的設備均是有國內外知名廠家生產，均有良好的產品質量和完善的售后服務保證，系統所用端子排、電纜走線槽、電裝線及走線槽均具有良好的耐熱性和阻燃性，極大地提高了集控系統的可靠性，有效保證了集控系統長期、安全、穩定運行。

（2）集控系統電源采用雙回路供電，確保供電安全，大大減少了因系統電源故障引起的事故，有效保證了集控系統長期、安全、穩定運行。

（3）系統設備加設有各級保護功能，所有控制命令均采用兩級確認菜單，有效防止了因操作人員誤操作而引起的事故。

（4）系統設置有故障檢測報警和應急處理功能。系統能夠自診斷，及時發現系統存在的安全隱患，并根據隱患內容做出相應的應急處理，防患于未然，有效避免了小故障釀成的大事故。

5.3 易擴展

系統軟件和硬件配置及系統結構均具有很強的易擴展性。一方面，系統所選用的硬件為系統今后的升級、完善均留有充裕的擴展容量；另一方面，系統具有靈活的網絡結構，將來需擴展系統在現有系統的基礎上增加部分設備即可實現，無需更換現有系統的軟件、硬件，更不會影響現有系統的運行。

6 結語

以PLC為控制核心的KJ58集控系統實現了黨家河煤礦原煤運輸設備的遠程啟停控制、順序控制、聯鎖控制、保護控制等功能，并對運行設備進行實時監控，大大提高了設備的可控制性和安全性，降低了設備的損壞率和操作強度，方便了設備的檢修和維護，確保了原煤運輸設備的安全高效運轉，使黨家河煤礦安全生產和經濟效益都有了很大提高。