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(tǒng)的控制系統(tǒng)，大多數采用傳統(tǒng)的PLC集中控制，存在運算量大，系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)中，采用了以FCS為主要的控制技術方法來滿足煤礦企業(yè)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(qū)域的現場設備和監(jiān)控儀表與控制室內的自動控制裝置和系統(tǒng)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(tǒng)被稱為現場總線控制系統(tǒng)（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(jié)點的現場智能儀表和設備中，提高系統(tǒng)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(tǒng)一的協(xié)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(tǒng)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(tǒng)的集成。

（4）信息組合、組態(tài)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(tài)、診斷信息，實現實時實地的系統(tǒng)監(jiān)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(tǒng)一的組態(tài)方法，使系統(tǒng)組態(tài)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(tǒng)中節(jié)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(tǒng)工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 生產系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)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(huán)境惡劣。根據《煤炭洗選工程設計規(guī)范》的要求，地面生產系統(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)化與拓撲

按照《煤炭洗選工程設計規(guī)范》14.2.1 的要求和結合本礦的實際情況，在該生產系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的通信質量，使得控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中各個設備之間的數據信息。

該系統(tǒng)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(tǒng)分為兩部分：1＃OLM接口連接驅動機房和上原煤倉系統(tǒng)（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(huán)網。系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓撲圖

其中，1＃OLM和2＃OLM兩只光電交換機在控制系統(tǒng)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?？斓?。由此該控制系統(tǒng)構成了三層結構的通信系統(tǒng)。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(yōu)勢特點。

4 編程組態(tài)軟件

該系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)組態(tài)中考慮到本控制系統(tǒng)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(tǒng)中進行硬件組態(tài)。該系統(tǒng)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(zhí)行器系統(tǒng)，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(zhí)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(tài)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(tài)或者采用協(xié)議轉換模塊，而對ASi部分的組態(tài)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?；虺鲥e時在DP／ASi上都有相應的顯示，便于調試人員觀察。硬件組態(tài)（以變頻器為例）如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)的監(jiān)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(tǒng)隨時調用。系統(tǒng)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(fā)布，并且報警信息能以多種方式發(fā)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(tǒng)，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(tǒng)計計算報表?？梢愿鶕僮魅藛T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(xù)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(tǒng)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(jié)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(jié)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(tǒng)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(jié)省硬件投資、安裝費用、節(jié)省大量的維護工作量，真正體現了FCS在煤礦地面生產系統(tǒng)控制中很好的應用價值。

［1］西門子STEP7流程圖軟件使用手冊.2007.

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