李娟 張玉杰

(西安電力高等專科學(xué)校1,陜西 西安 710032;陜西科技大學(xué)電信學(xué)院2,陜西 西安 710021)

PLC在榆林煤礦輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

李娟1張玉杰2

(西安電力高等專科學(xué)校1,陜西 西安 710032;陜西科技大學(xué)電信學(xué)院2,陜西 西安 710021)

針對煤礦輸煤系統(tǒng)設(shè)備多、位置分散、設(shè)備之間連鎖關(guān)系復(fù)雜、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣等特點(diǎn),采用PLC控制輸煤系統(tǒng)可以有效地解決這些問題。為了提高系統(tǒng)的可靠性,采用雙網(wǎng)雙冗余的網(wǎng)絡(luò)方式,并輔以IFIX組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機(jī)的在線監(jiān)控。實踐表明,該方法提高了系統(tǒng)的可靠性,保障了皮帶運(yùn)輸機(jī)有序、穩(wěn)定運(yùn)行,提高了工作效率,降低了運(yùn)行維護(hù)成本。

PLC 輸煤 程控系統(tǒng) 冗余 組態(tài)軟件

0 引言

陜西榆林某企業(yè)的原輸煤系統(tǒng)采用常規(guī)的繼電器、接觸器搭建,對于皮帶運(yùn)行中的事故或者意外無法在線監(jiān)控[1-2]。工人們通過開動皮帶運(yùn)輸機(jī)及取煤機(jī)來輸送煤,經(jīng)常出現(xiàn)皮帶跑偏、皮帶撕裂和落煤管堵塞等問題,且問題很難在第一時間排除[3]。因此對輸煤系統(tǒng)進(jìn)行改造就變成了亟待解決的問題。

本文研究了基于西門子S7-300 PLC的輸煤系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,采用雙網(wǎng)雙冗余的網(wǎng)絡(luò)方式。實踐證明該方法提高了工作效率,降低了維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)簡介

輸煤程控系統(tǒng)的任務(wù)就是將汽車或火車運(yùn)來的煤輸送到煤場和煤倉,場外運(yùn)輸來的煤由卸煤機(jī)卸下,由煤斗進(jìn)入皮帶輸送機(jī),在轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)進(jìn)行篩選、除去鐵等其他雜物后,再由碎煤機(jī)破碎成小煤塊。然后由皮帶輸送機(jī)經(jīng)輸煤棧橋一直送往鍋爐房內(nèi),最后用犁煤器將原煤分配給各個原煤倉。來煤卸下后也可以直接送往煤場,在需要時由皮帶輸送機(jī)送往鍋爐的原煤倉。輸煤程控系統(tǒng)一般包括卸煤系統(tǒng)、堆煤系統(tǒng)、上煤系統(tǒng)和配煤系統(tǒng)四個部分。它是保證煤化工企業(yè)安全可靠生產(chǎn)和運(yùn)行的重要系統(tǒng),是煤化工企業(yè)的重要支撐系統(tǒng)[4]。

2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

整個煤礦輸煤程控系統(tǒng)分為上位監(jiān)控層和下位監(jiān)控層[5],其中PLC通過I/O對整個輸煤系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,并通過上位機(jī)對系統(tǒng)設(shè)備發(fā)出控制指令,同時系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行的狀況將直觀顯示在上位機(jī)上。整個系統(tǒng)基于冗余的工業(yè)以太網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)采用1 000 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)光纜,采用雙纜冗余結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一段光纜線路出現(xiàn)故障時,網(wǎng)絡(luò)能夠自動重新配置并繼續(xù)通信,同時在此過程中不會造成數(shù)據(jù)的丟失或數(shù)據(jù)的變化。具體物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)置為兩臺互為熱備用的上位機(jī),如果其中一臺發(fā)生故障時,另外一臺上位機(jī)將擔(dān)負(fù)起監(jiān)控和系統(tǒng)管理的任務(wù)。上位機(jī)通過工業(yè)組態(tài)軟件在CRT顯示器上顯示現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)和操作畫面,滿足生產(chǎn)過程的控制、監(jiān)控、報警、顯示、管理和數(shù)據(jù)庫管理等功能。另外,在控制室的上位機(jī)操作臺設(shè)置緊急停止按鈕,以便一旦發(fā)生緊急事件時緊急停止設(shè)備。

圖1 輸煤系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology of the coal handling system

硬件選擇西門子S7-300系列PLC產(chǎn)品,CPU選擇具有帶從站功能的CPU315-2 DP,控制室設(shè)置一臺CPU控制柜,就地翻車機(jī)室、1#轉(zhuǎn)運(yùn)站、2#轉(zhuǎn)運(yùn)站、碎煤機(jī)室和煤倉間分別設(shè)置一臺遠(yuǎn)程I/O站。遠(yuǎn)程I/O是PLC的一部分,它安裝在遠(yuǎn)離主機(jī)的遠(yuǎn)程站內(nèi),通過Profibus總線和主控室I/O處理器進(jìn)行通信。遠(yuǎn)程I/O處理器支持雙根(冗余)電纜,采用兩根電纜同時傳送數(shù)據(jù)。使用中只采用第一根電纜的數(shù)據(jù),但對兩根電纜的通信數(shù)據(jù)做檢驗。面板上的指示燈顯示各路通信的狀況。

2.2 軟件構(gòu)成

輸煤系統(tǒng)啟動流程如圖2所示。

圖2 輸煤系統(tǒng)啟動流程圖Fig.2 Startup flowchart of the coal handling system

本系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)控制各個設(shè)備聯(lián)鎖啟動、聯(lián)鎖停止、故障捕捉、故障停機(jī)以及緊急狀況停機(jī)等功能。系統(tǒng)首先判斷設(shè)備是否有打滑、跑偏等故障。如有故障,系統(tǒng)將不允許啟動;如果沒有故障,系統(tǒng)可以啟動,但首先要響預(yù)警鈴,這樣整個系統(tǒng)才能啟動。

編程主要涉及的設(shè)備有帶式輸送機(jī)、碎煤機(jī)、三通擋板、三工位、斗輪機(jī)、滾軸篩和犁煤器等幾十種,采集信號有拉繩、跑偏、撕裂、煙感、堆煤、打滑、溫度、電機(jī)啟動停止、電機(jī)過載、主電機(jī)軸溫等信號。根據(jù)采集信號和控制工藝的要求,編輯PLC程序,使得設(shè)備正確啟停并在發(fā)生故障時發(fā)出警報。

膠帶機(jī)需要啟動時,在監(jiān)控到皮帶沿線各設(shè)備已經(jīng)具備啟動條件之后,系統(tǒng)首先必須進(jìn)行皮帶運(yùn)行預(yù)警,預(yù)警提示現(xiàn)場的工作人員馬上到達(dá)安全區(qū)域;否則,現(xiàn)場的施工人員就必須立刻到就近的拉繩開關(guān)位置,立刻拉下拉繩開關(guān),系統(tǒng)就不會啟動。該方式可確保人身設(shè)備安全。

3 PLC程控系統(tǒng)

3.1 輸煤控制要求

輸煤程控系統(tǒng)的設(shè)備啟動和停止需要按照一定的順序啟動和停止,在編寫程序是也必須按照這個要求編輯PLC程序,具體要求如下。

①輸煤設(shè)備必須按照逆煤流方向啟動、順煤流方向停止,也就是說,啟動時必須先啟動上倉皮帶,停機(jī)時先停止主斜井皮帶。因為有煤逆啟動可以有效地躲避啟動峰值電流,而無煤時順啟可以有效地縮短空載時間,減少無效運(yùn)行磨損以及節(jié)省電能等[5-6]。在程控啟動過程當(dāng)中,如果有任意一臺設(shè)備不能按要求啟動,則按照逆煤流方向以后的其他設(shè)備都不能啟動,并且要發(fā)出報警提醒操作人員。在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中,如果某設(shè)備由于故障發(fā)生了停機(jī),則按照順煤流方向,此設(shè)備以后的設(shè)備也要停機(jī)。

②系統(tǒng)中需要監(jiān)控的設(shè)備的各種狀態(tài)都必須能準(zhǔn)確地傳送到控制室的上位機(jī),并能在上位畫面中明確地顯示出來。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時,上位機(jī)能發(fā)出聲光報警,以便操作人員能及時地通知相關(guān)的人員進(jìn)行處理。

③在系統(tǒng)停止過程當(dāng)中,當(dāng)上位機(jī)發(fā)出膠帶機(jī)停機(jī)指令時,必須要延時處理(這個時間視皮帶的長度而定)之后PLC才能輸出停機(jī)指令,以保證皮帶上沒有剩余的煤。緊急停機(jī)方式適用于緊急情況下立即停止系統(tǒng)中所有的設(shè)備,防止造成不必要的損失,這種方式在正常情況下不宜使用。

④系統(tǒng)編程中的控制方式一定要分為自動、手動和就地控制方式。就地控制方式是在就地控制柜上操作,不經(jīng)過PLC,一般不作為正常的設(shè)備運(yùn)行控制方式。手動方式是一種在上位機(jī)操作畫面中進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的控制方式,它可以是設(shè)備單個啟停的解鎖手動,也可以是按照一定條件聯(lián)鎖的手動方式。自動方式需要在PLC編程時按照整個系統(tǒng)的工藝控制要求編寫程序,設(shè)備按照一定順序依次啟動、運(yùn)行、停止。一般情況下,系統(tǒng)都在自動方式下運(yùn)行。

3.2 甲側(cè)皮帶機(jī)邏輯連鎖關(guān)系

現(xiàn)以甲側(cè)皮帶為例說明其連鎖關(guān)系,乙側(cè)皮帶的啟停類似。當(dāng)皮帶啟動時,啟動條件為2#甲皮帶已運(yùn)行且1#甲三通A通,或者2#乙皮帶已運(yùn)行且1#甲三通B通。當(dāng)1#甲葉輪給煤機(jī)A、B都已停止時,停止皮帶。另外,當(dāng)某些設(shè)備發(fā)生故障或者發(fā)生以下任一情況時,皮帶也必須停止。

①2#甲皮帶已停止且1#甲三通的A通或者B通;

②1#甲皮帶機(jī)打滑(延時30 s)、跑偏(延時10 s)、拉繩或者撕裂;

③1#甲皮帶電動機(jī)溫度超溫;

④1#甲皮帶三通堵煤且2 s后信號依然存在;⑤1#甲三通的A通信號消失或B通信號消失;

以上任一一個情況產(chǎn)生都會停止皮帶,這種條件叫做連鎖停止條件。

3.3 其他設(shè)備

三通擋板的控制一般是要求在主設(shè)備運(yùn)行之前導(dǎo)到位,當(dāng)擋板信號消失時,對應(yīng)的皮帶輸送機(jī)就需要停止。另外,當(dāng)三通擋板在導(dǎo)通時發(fā)生故障或者過力矩,對應(yīng)的皮帶輸送機(jī)也不能啟動。

三工位的控制是當(dāng)3#皮帶堆煤時要伸長到長位,取煤時根據(jù)4#皮帶決定是伸長或縮短到中位或者短位。當(dāng)三工位的長、中、短位同時發(fā)出或者過力矩信號發(fā)出后,三工位需要停止。

除鐵器、入爐采樣裝置、除雜物裝置和鏈碼校驗儀等設(shè)備的控制一般是對應(yīng)的皮帶輸送機(jī)啟動后啟動,當(dāng)本設(shè)備故障或?qū)?yīng)的皮帶輸送機(jī)停止時停止。

3.4 特別設(shè)置

為了使輸煤程控系統(tǒng)良好地運(yùn)行,根據(jù)我們在實際調(diào)試的經(jīng)驗,還需要設(shè)置一些特殊的功能畫面或者按鈕。

①打滑解鎖

在輸煤系統(tǒng)實際運(yùn)行過程中,尤其到冬季,由于北方的天氣非常寒冷,皮帶輸送機(jī)在剛啟動時皮帶很容易打滑,所以在程序編寫時就有必要把皮帶打滑信號延時5 s(這個時間根據(jù)現(xiàn)場的實際情況確定)后輸出。另外,當(dāng)打滑信號傳感器故障或者打滑信號無法消失時,我們就很有必要增加一個打滑的解鎖按鈕,暫時解除打滑信號。當(dāng)皮帶運(yùn)行正常后,解除打滑解鎖信號。

②擋板解鎖

在調(diào)試過程中,我們發(fā)現(xiàn)皮帶三通擋板和滾軸篩篩面擋板運(yùn)行一段時間后會松動,導(dǎo)致?lián)醢逦恢眯盘柕南?以至于影響系統(tǒng)的正常上煤。所以,有必要設(shè)置擋板解鎖按鈕,臨時解除程序中擋板位置信號,使得系統(tǒng)正常運(yùn)行。

③跑偏解鎖和拉繩解鎖

跑偏解鎖按鈕和拉繩解鎖按鈕是當(dāng)跑偏的傳感器故障或者安裝位置不正確時使用,每一個跑偏信號和拉繩信號需要設(shè)置一個跑偏解鎖和拉繩解鎖。

3.5 其他問題

為了保證整個輸煤程控系統(tǒng)可靠運(yùn)行,我們除了采用上位機(jī)和PLC雙機(jī)熱備外,還必須考慮采取一些能使系統(tǒng)更可靠的措施。具體措施如下。

①I/O模塊(如DI、DO、AI和AO等模塊)要有20%的備用通道;I/O遠(yuǎn)程子站采用冗余總線;以太網(wǎng)采用冗余的網(wǎng)絡(luò);程控系統(tǒng)的電源引入采用兩路獨(dú)立的電源,兩路電源能自動切換。

②考慮到現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,所有的DI信號用中間繼電器隔離,AI信號用專用信號隔離器隔離。因為輸煤現(xiàn)場環(huán)境惡劣,有必要增加它的抗干擾能力。由于遠(yuǎn)距離傳輸產(chǎn)生了較高的感應(yīng)電壓,誤傳信號的同時也可能損壞PLC構(gòu)建模塊,所以在設(shè)備和PLC模塊傳輸時可以采用繼電器隔離,有效地減少干擾信號[7]。

③輸煤系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境十分惡劣,電氣接線和繼電器經(jīng)常由于濕熱的高粉塵環(huán)境發(fā)生故障,在高壓動力傳送數(shù)據(jù)時也會因為較高的感應(yīng)電壓誤傳信號。所以應(yīng)當(dāng)盡量縮短電纜敷設(shè)的距離,盡量減少使用多信號來干擾輸煤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[7]。

3.6 上位機(jī)管理

輸煤程控系統(tǒng)用上位計算機(jī)實現(xiàn)控制室集中監(jiān)控,控制人員通過人機(jī)操作界面直觀地進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的采集以及遠(yuǎn)程終端輸煤設(shè)備的控制,同時可以將采集和處理的信息進(jìn)行打印和輸出,方便日后的研究與參考[8]。這些功能的實現(xiàn)都是通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)的,輸煤程控系統(tǒng)中組態(tài)軟件選用IFIX 5.0。IFIX可以精確地監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程,并優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和企業(yè)資源管理[9-10]。上位機(jī)的應(yīng)用不再需要傳統(tǒng)的操作盤和模擬屏,這大大節(jié)省了控制室的空間。另外,顯示畫面的直觀性和靈活的可修改性,提高了整個系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)束語

PLC自動控制系統(tǒng)在煤炭輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用,對提高輸煤系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、操作運(yùn)行的簡便性有著重要意義;同時對減少崗位人員的勞動強(qiáng)度,提高輸煤過程的運(yùn)行管理、節(jié)能管理和降低維護(hù)成本等同樣具有非常重要的意義。整個輸煤系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,維護(hù)方便,在陜西榆林某煤礦得到了很好的應(yīng)用。

[1] 朱寶山.基于PLC火電站輸煤系統(tǒng)設(shè)計[D].成都:電子科技大學(xué),2012.

[2] 劉洋,鐘偉峰.DCS集散控制系統(tǒng)在祁南煤礦中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2011,30(6):60-61.

[3] 王彥軍,龐之浩,方忠厚.基于PLC的煤礦輸煤控制系統(tǒng)設(shè)計[J]河南科學(xué),2012,30(5):597-599.

[4] 柏正祥.西門子S7-300 PLC與WinCC6.0組態(tài)技術(shù)在輸煤自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用,2013(7):64-66.

[5] 李宏川,李詩峰,王晶芝.PLC控制系統(tǒng)在干法煙氣脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表,2010,31(6):48-50.

[6] 關(guān)玉琴.基于PLC的煤礦輸煤設(shè)備控制研究[J].煤炭技術(shù), 2013,32(4):1-3.

[7] 施俏春.PLC控制系統(tǒng)在煤炭化工自動化中的應(yīng)用探析[J].煤炭技術(shù),2012(12):233-235.

[8] 楊春生.煤礦液壓機(jī)械系統(tǒng)的故障診斷[J].煤炭技術(shù),2011(6): 26-27.

[9] 楊新麗,杜斌.IFIX自動化物流監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[J].自動化儀表,2013,34(9):26-29.

[10] 詹成軍,丘紀(jì)燕.PLC在電廠輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化,2006(5):119-121.

Application of PLC in Coal Handling System of Yulin Coalmine

Considering the particularity of the coal handling system,such as numerous and dispersed equipment with complex linkage relationship,and harsh operational environment,etc.,to effectively solve these problems,PLC is adopted for the coal handling system.In order to improve the reliability of the system,the dual redundant network method is used;and the online monitoring is realized with IFIX configuration software in host computer.The practice shows that this method improves the reliability of the system;ensures the belt conveyors working orderly and stably,and enhances the operating efficiency,reduces operation and maintenance costs.

PLC Coal handling Programmable control system Redundant Configuration software

TP273

A

陜西省西安市科技基金資助項目(編號:CX1259(2))。

修改稿收到日期:2014-04-18。

李娟(1978-),女,2007年畢業(yè)于西安科技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,講師;主要從事電廠熱工儀表檢修、熱工自動控制及集散控制方面的研究。