全集成自動化軟、硬件在礦山企業的應用和思考

邱永紅

（白銀有色集團股份有限公司深部礦業公司，甘肅 白銀730900）

雖然智能化、自動化在現代礦業生產中的應用已不是新生事物，但在我國絕大多數礦山，尤其是已經開發十幾年以上的老礦山，要實現智能化、自動化生產還是任重道遠，這些企業面臨的困難無非是基礎設施距離實現自動化差距大，系統改造需要較長時間和大量經費。對于這些老礦山而言，只能選取單個系統實現自動化，然后以點帶面，再逐個系統實現自動化，然后全網合并，從而實現真正意義上的智能化、自動化。本文以礦山高位水池上水的遠程集控自動化為實例，闡明如何利用全集成自動化軟、硬件系統來實現智能化、自動化的目的。

1 布局和組網

圖1 高位水池上水控制系統硬件連接圖

在監視控制與數據采集系統中，上位機是指可以直接發出操控命令的計算機，一般是PC/主機，其屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。下位機是指直接控制設備、獲取設備狀況的計算機，一般是PLC/單片機，它連續讀取設備狀態數據（一般為模擬量），轉換成數字信號反饋給上位機。本實例是一個高位水池上水的控制系統，涉及高位水池、加壓泵房、大樓泵房三地，相距較遠，且高位水池位于山頂，故除在三地均架設無線網橋外，于半山腰尚增設一處無線網橋作為中繼。同時為避免長距離敷設電源，采用太陽能電池板為半山腰無線網橋供電。其余控制設備、采集設備就近連接，見圖1。

2 開發流程

博途是西門子公司發布的一款全新的全集成自動化軟件。它是業內首個采用統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務。借助該全新的工程技術軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發和調試自動化系統。

打開軟件后，在博途視圖中，其開發流程大致分為五步：

（1）設備和網絡：組態設備。

（2）PLC編程：創建PLC程序。

（3）運動控制&技術：組態工藝對象。

（4）可視化：組態HMI畫面。

（5）在線與診斷。

2.1 組態設備

設置自動化系統需要對各硬件組件進行組態、分配參數和互連。可在設備和網絡視圖中執行這些操作。自動化系統啟動時，CPU會比較軟件的預設組態與系統的實際組態。如此將檢測可能的錯誤并直接進行報告。

2.1.1 添加S7-1200 CPU，用于創建PLC程序

在項目樹中，雙擊“添加新設備”，單擊“控制器”，雙擊“SIMATIC S7-1200”將其展開，雙擊“CPU”將其展開，雙擊“CPU 1212C DC/DC/Rly”將其展開，單擊“6ES7 212-1HE40-0XB0”，版本依實際選擇為V4.2，確定。雙擊其以太網接口，在IP協議中，更改IP地址為PLC實際的IP地址。

2.1.2 添加PC工作站，用于組態HMI畫面

在項目樹中，雙擊“添加新設備”，單擊“PC系統”，雙擊“SIMATIC HMI應用軟件”將其展開，單擊“WinCC RT Advanced”，版本依實際選擇為15.0.0.0，確定。在硬件目錄中，雙擊“通訊模塊”將其展開，雙擊“PROFINE T/E thernet”將其展開，單擊“常規IE”，將其拖曳到右側的藍色方框中。雙擊其以太網接口，在IP協議中，更改IP地址為主機實際的IP地址。

獲取主機實際的IP地址的方法如下：

在任務欄單擊網絡圖標，單擊“打開網絡和共享中心”，單擊“本地連接，單擊“詳細信息”，在IPv4地址一欄中，可看到主機實際的IP地址。

2.1.3 連接S7-1200 CPU和PC工作站

在項目樹中，雙擊“設備和網絡”，拖曳連接兩者的以太網接口。

2.2 創建PLC程序

在項目樹中，雙擊“PLC_1[CPU 1212C DC/DC/Rly]”將其展開，雙擊“程序塊”將其展開，雙擊“Main[OB1]”，利用指令編輯高位水池上水控制的梯形圖。

其中基本指令包括：位邏輯運算、定時器操作、比較操作、數學函數、移動操作、轉換操作等11類。僅以“延時接通”指令為例進行介紹，見圖2。

當輸入IN的邏輯運算結果(RLO)從“0”變為“1”（信號上升沿）時，啟動該指令。指令啟動時，預設的時間PT即開始計時。超出時間PT之后，輸出Q的信號狀態將變為“1”。只要啟動輸入仍為“1”，輸出Q就保持置位。啟動輸入的信號狀態從“1”變為“0”時，將復位輸出Q。在啟動輸入檢測到新的信號上升沿時，該定時器功能將再次啟動。可以在ET輸出查詢當前的時間值。該定時器值從T#0s開始，在達到持續時間值PT后結束。只要輸入IN的信號狀態變為“0”，輸出ET就復位。每次調用“延時接通”指令，必須將其分配給存儲指令數據的IEC定時器。

圖2 延時接通指令的工作原理

下面，以程序段7為例進行說明，見圖3。

支路1～3是與出水壓力有關的工況。在電機運行和聯鎖投用的狀態時，支路1表示，當出水壓力值在0.45Mpa～0.5Mpa之間波動時，等待40秒，若其仍不能恢復正常則停機；支路2表示，當出水壓力值小于0.5Mpa或者大于1.1Mpa時，等待40秒，若其仍不能恢復正常則停機；支路3表示，當出水壓力值小于0.4Mpa時，僅等待1秒，然后停機。

支路4是與電機電流有關的工況。在電機運行和聯鎖投用的狀態時，若電機電流值小于40A或大于99A，僅等待1秒，然后停機。

支路5、6是與電機軸承溫度有關的工況。在電機運行和聯鎖投用的狀態時，若前軸承溫度值大于80℃或者后軸承溫度值大于75℃，立即停機。

另外，雖然采集了電機振動值、液位值和流量值，但僅在人機畫面中做顯示之用，未參與聯鎖跳停控制，后期可根據現場需要，隨時加入。

圖3 聯鎖跳停控制

2.3 組態工藝對象

這是博途的運動控制功能，可幫助用戶控制步進電機和伺服電機。由于本實例不涉及，僅此提出，讀者可自行研究。

2.4 組態HMI畫面

在WinCC中，可以創建操作員用來控制和監視機器設備和工廠的畫面。創建畫面時，為用戶在顯示過程、創建設備圖像和定義過程值方面提供支持。

在項目樹中，雙擊“HMI_RT_1[WinCC RT Advanced]”將其展開，雙擊“運行系統設置”，將屏幕分辨率設置為1920×1080，雙擊“畫面”將其展開，雙擊“添加新畫面”，利用工具箱中的基本對象、元素和控件等編輯運行系統人機界面。見圖4。

圖4 運行系統人機界面

2.5 在線與診斷

2.5.1 配置PG/PC接口

如果通過不同子網連接項目的設備，則會將合適的網絡訪問分配到每個PG/PC接口，以建立到目標系統的在線連接。

單擊“開始”，單擊“控制面板”，查看方式為圖標時，單擊“設置PG/PC接口（32位）”，在“為使用的接口分配參數（P）”中，選擇“主機網卡型號.TCPIP.1”，確定。

2.5.2 使用S7-PLCSIM進行設備仿真

可使用博途軟件，在仿真環境下運行和測試項目的硬件和軟件，而無需附加硬件。用戶可以在一個圖形用戶界面來監視和更改組態。

在項目樹中，單擊“PLC_1[CPU 1212C DC/DC/Rly]”，單擊工具欄的“開始仿真”按鈕，單擊“確定”，單擊“下載”，單擊“裝載”，單擊“無動作”，選擇“啟動模塊”，單擊“完成”。

在項目樹中，單擊“HMI_RT_1[WinCC RT Advanced]”，單擊工具欄的“開始仿真”按鈕，后續操作同上。

此時，彈出仿真的運行系統人機界面，見圖4。用戶可在其中進行模擬操作，以驗證和測試項目的功能。

3 應用思考

3.1 視頻監控的問題

本實例中，因現場不需要視頻監控，沒有采購攝像頭。但組態畫面時，仍利用控件中的攝像頭視圖預留了位置，可在以后擴展；并預留了視頻監控的切換按鈕，以節省主機資源。

另外，若因許可證等不可預知的原因，不能使用攝像頭視圖時，可以采購支持瀏覽器訪問的網絡攝像頭，在WINCC畫面里調用HTML瀏覽器，不失為一種可行的方法。

3.2 遠控設備參與集成的問題

隨著遠程控制設備的普及，利用互聯網、APP和手機，即可進行開關量的遠程操作，對于一些簡單設備的操作，甚至自動化控制，省去了組網的麻煩和費用。

3.3 多臺設備組網的問題

在已組網的范圍內，應積極考慮用一臺主機對多臺小型設備集中控制，以充分利用軟、硬件資源。

4 結語

本次高位水池遠程集控自動化上水系統投用以來，運行效果良好，在減少人員、降低維護量和提高勞動效率方面有較大意義。特別是礦山井下供風、排水、通風等生產輔助系統較多，且分布分散，若按崗設員，勢必有很大的人力成本。采用遠程集控自動化系統后，可以集中監視和控制，配以點檢定修，在自動化率、設備完好率上會有很大提升。在互聯網、大數據和人工智能時代，全集成自動化軟、硬件的應用已遍地開花。相關領域的專業工程技術人員，有必要掌握和應用好這一技術。受專業知識和經驗所限，本文涉及的內容尚屬淺顯，拋磚引玉，掛一漏萬，希望能起到打開思路、找到途徑的作用。