王旭光，寧康杰，劉 錦，劉春春

（西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

管狀帶式輸送機(jī)是日本JPC 公司于1964 年最先提出理念，并經(jīng)過該公司十幾年的試驗(yàn)研究，才得以成功制造。 我國(guó)于20 世紀(jì)90 年代引進(jìn)了管狀帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)， 并開展了設(shè)計(jì)和制造工作。管狀帶式輸送機(jī)具有輸送物料量大、大傾斜角度輸送、可作空間曲線布置、節(jié)能環(huán)保無污染、資源消耗少等多方面的特點(diǎn)， 較普通帶式輸送機(jī)有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)我國(guó)電力、化工、煤炭等行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義［1］。

格爾木藏格鉀肥廠位于青海省格爾木市以北70 km 的察爾汗鹽湖上， 其開采的原料常年以車輛運(yùn)輸?shù)姆绞皆诟鬈囬g之間轉(zhuǎn)運(yùn)，耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，同時(shí)對(duì)周邊的環(huán)境也造成了一定的影響。 筆者以藏格鉀肥廠新建40 萬t／年氯化鉀車間為契機(jī)，配套設(shè)計(jì)了一套管狀帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱管帶機(jī)），作為為其服務(wù)的生產(chǎn)輸送系統(tǒng)［2］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

該管帶機(jī)總長(zhǎng)15 km 多， 有BC1和BC22 條皮帶。 其中，BC1長(zhǎng)9 841 m，BC2長(zhǎng)5 414 m。 BC1尾部上料，經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)站（BC1頭部、BC2尾部）轉(zhuǎn)運(yùn)至BC2，由BC2頭部卸料。

1.1 系統(tǒng)基本參數(shù)

該管帶機(jī)的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of system

1.2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式

根據(jù)系統(tǒng)基本參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)及設(shè)備選型。 管帶機(jī)采用頭尾兩端驅(qū)動(dòng)的方式，電機(jī)采用變頻器輸出驅(qū)動(dòng)。 充分考慮電機(jī)功率、重載啟動(dòng)要求以及高海拔設(shè)備降容因素，BC1選用功率為560 kW的變頻器，BC2選用功率為400 kW 的變頻器，且采用一拖一的運(yùn)行方式［3］。 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式如圖1 所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)等原則來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分成中央控制級(jí)（CCL）、現(xiàn)地主站控制單元和現(xiàn)地從站控制單元3 級(jí)［4－5］。 中央控制級(jí)（CCL）位于集控室，對(duì)上層DCS 控制系統(tǒng)開放控制接口，是系統(tǒng)的控制中心，能控制、監(jiān)視、遠(yuǎn)程操作所有的現(xiàn)地控制單元設(shè)備的運(yùn)行，通過以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)接口與現(xiàn)地控制級(jí)設(shè)備通訊。 4 個(gè)現(xiàn)地控制單元分別位于BC2機(jī)尾轉(zhuǎn)運(yùn)站電氣室、BC2頭部電氣室、BC2機(jī)尾電氣室、BC2機(jī)頭轉(zhuǎn)運(yùn)站電氣室，是整條輸送線的控制中心，控制主站通過以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)與中央控制級(jí)進(jìn)行通訊連接，主站與從站通過Profibus－DP 進(jìn)行通訊連接。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 控制站配置

根據(jù)管帶機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)， 結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要，在每條皮帶的機(jī)頭、機(jī)尾設(shè)置PLC 控制柜，分別對(duì)2 條皮帶進(jìn)行監(jiān)視控制。 輸送系統(tǒng)沿線建設(shè)3 個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站，BC2配置1 個(gè)主站和1 個(gè)從站，BC1配置1個(gè)主站和3 個(gè)從站，共設(shè)計(jì)6 個(gè)PLC 控制站（CP0～CP5）。

控制站CP3和CP5安裝在BC1機(jī)尾轉(zhuǎn)運(yùn)站電氣室，主要控制對(duì)象為BC1尾部2 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、供電設(shè)備、保護(hù)設(shè)備；控制站CP2、CP4安裝在BC1機(jī)頭轉(zhuǎn)運(yùn)站電氣室，主要控制對(duì)象為BC1機(jī)頭3 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、供電設(shè)備和保護(hù)設(shè)備； 控制站CP1安裝在BC2機(jī)尾轉(zhuǎn)運(yùn)站電氣室， 主要控制對(duì)象為BC2尾部1 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、供電設(shè)備、保護(hù)設(shè)備；控制站CP0安裝在BC2機(jī)頭轉(zhuǎn)運(yùn)站電氣室，主要控制對(duì)象為BC2機(jī)頭2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、供電設(shè)備、保護(hù)設(shè)備。

PLC 控制系統(tǒng)配置2 個(gè)冗余主站 （BC1主站和BC2主站），2 個(gè)從站（BC1從站和BC2從站）。 BC1主站設(shè)置于BC1尾部，CPU S7－400；BC2主站設(shè)置于BC2尾部，CPU S7－400；BC1從站設(shè)置于BC1頭部，ET200M。 BC2從站設(shè)置于BC2頭部，ET200M。

管帶機(jī)BC1／BC2主站采用412－5H 的冗余控制核心， 互為熱備。 其余站點(diǎn)將信號(hào)傳送至默認(rèn)主站（BC1主站）進(jìn)行處理。BC1主站具備對(duì)2 條皮帶進(jìn)行完全控制的能力。當(dāng)BC1主站不具備完全控制條件時(shí)，BC2主站可單獨(dú)完成兩條皮帶的完全控制， 控制切換方式由控制系統(tǒng)無擾自動(dòng)切換。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Network topology of system

2.1.2 保護(hù)系統(tǒng)

管帶機(jī)保護(hù)系統(tǒng)裝置采用Dupline 總線技術(shù)，包括：拉繩開關(guān)、溜槽堵塞檢測(cè)器、縱向撕裂檢測(cè)器、皮帶速度檢測(cè)器等，它們承擔(dān)著管帶機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和檢測(cè)任務(wù)，其采集和檢測(cè)信號(hào)的正確性和靈敏度直接影響著監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平［6］。

（1）系統(tǒng)選用Dupline 總線主控模塊（網(wǎng)關(guān)），適用于Profibus－DP 通訊協(xié)議。 該模塊為導(dǎo)軌式安裝，體積較小，可安裝在PLC 柜內(nèi)，方便與PLC 通訊。

（2）每個(gè)總線型拉繩開關(guān)配有一個(gè)接線防護(hù)盒，總線型拉繩開關(guān)與普通型拉繩開關(guān)配套使用。 從皮帶沿線每個(gè)拉繩開關(guān)取出一組常閉量， 接入防護(hù)盒的開關(guān)量1、開關(guān)量2。 一個(gè)總線型拉繩開關(guān)接入6個(gè)為一組的普通型拉繩開關(guān)。

（3） 總線型速度檢測(cè)器、 總線型縱向撕裂檢測(cè)器、總線型堵塞檢測(cè)器內(nèi)置有單地址模塊。

（4） 整個(gè)Dupline 總線系統(tǒng)由一條屏蔽雙絞線將所有的現(xiàn)場(chǎng)總線開關(guān)的接線防護(hù)盒串接起來，在每個(gè)總線系統(tǒng)的末端加裝線尾器。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 控制方式

系統(tǒng)控制方式有如下4 種：

（1）DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中自動(dòng)運(yùn)行 （DCS 遠(yuǎn)程方式）。 由DCS 控制系統(tǒng)發(fā)出指令給主控系統(tǒng)PLC（現(xiàn)地控制柜處在遠(yuǎn)方方式），自動(dòng)按順序起動(dòng)、運(yùn)行、停車，完成全過程的控制和監(jiān)測(cè)。

（2）集控室遠(yuǎn)程集中自動(dòng)運(yùn)行（采用遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)方式）。 由集控室發(fā)出指令給主控系統(tǒng)PLC（現(xiàn)地控制柜處在遠(yuǎn)方方式），自動(dòng)按順序起動(dòng)、運(yùn)行、停車，完成全過程的控制和監(jiān)測(cè)。

（3）集控室遠(yuǎn)程集中手動(dòng)運(yùn)行（遠(yuǎn)程單機(jī)方式）。由集控室發(fā)出指令給主控系統(tǒng)PLC （現(xiàn)地控制柜處在遠(yuǎn)方方式），對(duì)單臺(tái)管帶機(jī)進(jìn)行起動(dòng)、停車。

（4）單機(jī)手動(dòng)運(yùn)行（現(xiàn)地手動(dòng)方式）。 人工控制PLC 主站（現(xiàn)地控制柜處在現(xiàn)地方式），用于檢修、試車等非正常工況，調(diào)試、試車完畢后，關(guān)閉該模式。

2.2.2 控制流程

系統(tǒng)控制流程一般要求如下：（1）在設(shè)備啟車時(shí)，首先自動(dòng)發(fā)出啟動(dòng)預(yù)警，然后張緊皮帶。 張緊均衡返回OK 信號(hào)后，通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)（要求按0.1～0.3 m／s2加速度控制軟起動(dòng)）， 并且同時(shí)監(jiān)測(cè)各信號(hào)（急停閉鎖、堆料、脹管、打滑、縱向撕裂、二級(jí)跑偏、張緊等）是否正常。若其中任一信號(hào)出現(xiàn)故障，均應(yīng)能實(shí)現(xiàn)緊急停車。 （2）正常停車時(shí)，自動(dòng)停皮帶前的料流（順料流停車），延時(shí)一段時(shí)間，待膠帶上的料拉完后，控制變頻器實(shí)現(xiàn)軟停車（要求按0.1～0.3m／s2減速度控制軟停車），待皮帶速度降至0.5 m／s 時(shí)（通過設(shè)定，可調(diào)），控制停車。（3）在管帶機(jī)運(yùn)行過程中，如出現(xiàn)緊急故障信號(hào)，如急停閉鎖、堆料、脹管、二級(jí)跑偏、縱撕、張緊故障等，關(guān)閉主電機(jī)，實(shí)現(xiàn)緊急停車。（4）系統(tǒng)的主要功能是設(shè)備的啟動(dòng)、停車順序控制，以及當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行故障設(shè)備的聯(lián)鎖安全控制，具有故障報(bào)警、處理、記錄等功能。

單機(jī)啟車流程如圖3 所示， 單機(jī)停車流程如圖4 所示，聯(lián)動(dòng)啟車流程如圖5 所示，聯(lián)動(dòng)停車流程如圖6 所示。

2.2.3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是管帶機(jī)控制系統(tǒng)的主控級(jí)，是管帶機(jī)系統(tǒng)的指揮管理中心和監(jiān)測(cè)中心，負(fù)責(zé)整個(gè)管帶機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、流程控制、單機(jī)調(diào)試等。它能迅速、準(zhǔn)確、有效地完成對(duì)被控對(duì)象的實(shí)時(shí)安全監(jiān)視、實(shí)時(shí)流程控制和單機(jī)調(diào)試控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、管帶機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行屏幕顯示、事件順序記錄、事故處理與記錄、歷史數(shù)據(jù)記錄、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理、軟件開發(fā)及培訓(xùn)等功能。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工作站主控層采用100M 光纖冗余以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 保證了管帶機(jī)控制系統(tǒng)主控級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)具有高可靠性、 良好實(shí)時(shí)性和強(qiáng)抗干擾能力，能夠適應(yīng)管帶機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控畫面通過德國(guó)西門子組態(tài)軟件WinCC 二次開發(fā)設(shè)計(jì)完成，設(shè)計(jì)畫面主要有監(jiān)控主畫面、配電系統(tǒng)、事件查詢、數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)曲線、系統(tǒng)點(diǎn)表等。操作人員可通過監(jiān)控畫面的動(dòng)畫以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)管帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行全局監(jiān)控。

監(jiān)控系統(tǒng)主畫面包括對(duì)控制系統(tǒng)中主要設(shè)備的監(jiān)控，有驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作情況、電機(jī)冷卻和風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況、張緊裝置工作情況、各條皮帶控制方式、拉繩信息、跑偏信息、溜槽堵塞信息、皮帶料流信息以及啟動(dòng)流程動(dòng)態(tài)信息、系統(tǒng)備妥信息、實(shí)時(shí)報(bào)警信息、從站通訊狀況、上位工作方式、各條皮帶運(yùn)行速度、前級(jí)40 萬t 車間轉(zhuǎn)運(yùn)站皮帶運(yùn)行及閉鎖等顯示信息，以及各條皮帶急停操作控制、 管帶機(jī)上位控制方式選擇、系統(tǒng)作業(yè)控制等控制功能，具體如圖7 所示。操作人員可以對(duì)管帶機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視，也可通過點(diǎn)擊不同菜單按鈕對(duì)其他監(jiān)控畫面進(jìn)行切換、查看及使用操作。

圖3 單機(jī)啟車流程圖Fig.3 Single star-tup process

圖4 單機(jī)停車流程圖Fig.4 Single parking process

圖5 聯(lián)動(dòng)啟車流程圖Fig.5 Linkage start-up process

圖6 聯(lián)動(dòng)停車流程圖Fig.6 Linkage parking process

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面Fig.7 Main screen of monitoring system

3 結(jié)語(yǔ)

為藏格鉀肥廠新建40 萬t／年的氯化鉀車間配套設(shè)計(jì)的管狀帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)已投入使用。 該系統(tǒng)完全替代了由車輛轉(zhuǎn)運(yùn)的過程， 降低了運(yùn)輸成本（僅為車輛運(yùn)輸?shù)?5%～50%），提高了生產(chǎn)效率，在給藏格鉀肥廠帶來可靠運(yùn)輸物料的同時(shí)， 也在很大程度上改善了廠區(qū)內(nèi)的環(huán)境，節(jié)約了資源，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 該系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上也帶動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為國(guó)家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略實(shí)施作出了一份貢獻(xiàn)。