田向東

（華亭煤業(yè)集團有限責任公司，甘肅 平?jīng)?744100）

0 引言

大柳選煤廠主要負責原煤加工、處理、洗選等工作，目前各個工藝環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)機械化全覆蓋，對集中控制系統(tǒng)的功能與穩(wěn)定性要求較高；加之隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動化、信息化控制功能日益完善，大柳選煤廠集控系統(tǒng)在運行中暴露的問題越來越多，不利于生產(chǎn)管理，也難以適應(yīng)自動化、信息化、數(shù)字化、智能化水平日益提升的生產(chǎn)工藝要求，從而提出優(yōu)化改造需求。為此，本文結(jié)合大柳選煤廠原集控系統(tǒng)的實際情況探究優(yōu)化改造策略，以便完善集中控制系統(tǒng)功能，改善大柳選煤廠生產(chǎn)條件。

1 大柳選煤廠集中控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

大柳選煤廠集中控制系統(tǒng)2011 年開始投入使用，目前已暴露出諸多問題，主要體現(xiàn)在以下方面。

1.1 多部位老化

目前，主機、PLC 模塊、控制電纜、就地控制箱均已出現(xiàn)老化、銹蝕問題，導致現(xiàn)場諸多傳感器出現(xiàn)精度下降、性能落后、故障頻發(fā)情況。且隨著市場上更新?lián)Q代，諸多老舊的備件已停產(chǎn)，導致老化、故障后無法更換。

1.2 存在安全問題

生產(chǎn)工藝升級后，采用新設(shè)備替換部分舊設(shè)備，從而對集中控制系統(tǒng)也有了新的控制要求，新舊要求同時存在，造成原集中控制系統(tǒng)程序混亂，對生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

1.3 抗干擾能力差

集中控制系統(tǒng)老舊，缺少抗干擾能力，導致設(shè)備無規(guī)律“非?！鳖l繁發(fā)生，影響生產(chǎn)安全性與穩(wěn)定性。

1.4 功能不全

集中控制系統(tǒng)功能落后，缺少諸多先進控制功能，對生產(chǎn)與管理效率造成影響，加之系統(tǒng)本身可擴展性較差，在原有系統(tǒng)上改進也無法實現(xiàn)功能多樣化。

1.5 精細化不足

隨著發(fā)展大柳選煤廠對生產(chǎn)管理的精細化程度有著越來越高的要求，需要利用集中控制系統(tǒng)提升控制能力，對生產(chǎn)過程進行精準把控，因此，需要自動化監(jiān)控與報警壓力、液位、料位情況，但目前的集中控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)[1]。

2 大柳選煤廠集中控制系統(tǒng)優(yōu)化改造目標與要求

2.1 優(yōu)化改造集中控制系統(tǒng)

更換原有PLC 柜、就地控制箱等設(shè)備，更改控制線路，適配優(yōu)化改造后的PLC 程序，實現(xiàn)一鍵式流程化啟停車；且在功能互聯(lián)的新PLC 程序支持下，能夠通過上位機組態(tài)畫面在遠程、就地兩種狀態(tài)下完成硬閉鎖等操作，實現(xiàn)設(shè)備關(guān)聯(lián)制約。

2.2 優(yōu)化改造PLC 程序

按照生產(chǎn)工藝要求對PLC 程序進行優(yōu)化改造，豐富其功能、簡化其結(jié)構(gòu)，試配先進硬件設(shè)施，并要保證程序具有良好的可擴展性。在生產(chǎn)設(shè)備運行期間，將常態(tài)下信號采集環(huán)節(jié)的接觸器由常閉觸點更改為常開觸點，并配備隔離繼電器，將DC 24V 的控制電壓與信號電壓更改為AC 220V，增強系統(tǒng)抗干擾能力。

2.3 優(yōu)化改造上位機組態(tài)畫面

優(yōu)化改造后使上位機組態(tài)畫面的樣式與對應(yīng)設(shè)備狀態(tài)一致，直觀地反映設(shè)備運行狀態(tài)，并由傳統(tǒng)控制界面改為3D 操作界面。

2.4 優(yōu)化改造生產(chǎn)報警記錄系統(tǒng)

為了方便查找、處理設(shè)備故障，綜合判斷故障原因，構(gòu)建生產(chǎn)報警記錄系統(tǒng)，用于隨時查詢生產(chǎn)期間設(shè)備操作記錄、運行時長，以便提高故障處理效率。

2.5 優(yōu)化改造集中控制系統(tǒng)功能

增加集中控制系統(tǒng)功能，并結(jié)合功能變化安裝新型儀器儀表、傳感器、保護裝置等，能夠?qū)崟r、準確采集液位、料位、壓力等技術(shù)數(shù)據(jù)，做到不間斷監(jiān)測、及時報警、完整記錄、集中管理，并自動生成運行趨勢曲線，做到選煤廠生產(chǎn)過程可控化、可視化[2]。

2.6 優(yōu)化改造語言報警與擴播系統(tǒng)

構(gòu)建全新的語音報警、擴播、視頻監(jiān)控聯(lián)動系統(tǒng)，并集成照明遠程集中控制、與生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)融合，從而集成生產(chǎn)控制自動化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息化、管理全方位化于一體，在集控室內(nèi)則可以綜合控制各個生產(chǎn)與管理環(huán)節(jié)，形成綜合性生產(chǎn)指揮中心。

3 大柳選煤廠集中控制系統(tǒng)優(yōu)化改造方案與策略

3.1 方案

本次優(yōu)化改造對原集中控制系統(tǒng)進行整體性重構(gòu)，打造集成信息層、控制層、設(shè)備層于一體，以冗余結(jié)構(gòu)PLC 主站為控制主機，配合監(jiān)控操作站、I/O 分站、現(xiàn)場儀表等構(gòu)成的全方位集中控制系統(tǒng)。

信息層為主控室級，由工程師工作站、操作員工作站等主控室硬件構(gòu)成。其中工程師工作站負責組態(tài)工作，也擁有完全操作員站功能，操作員工作站則負責操作。該層次借助iFIX 軟件組態(tài)構(gòu)建系統(tǒng)監(jiān)控軟件平臺，對集中控制系統(tǒng)內(nèi)的全部監(jiān)控進行集中統(tǒng)一管理[3]。為了保障控制期間通信循序、系統(tǒng)兼容穩(wěn)定，信息層采用工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet 協(xié)議，并配備可以做到20 及20以上用戶同時并發(fā)的WEBSPACE 發(fā)布軟件。

控制層為車間控制級，采用西門子系統(tǒng)PLC 與S7-417 冗余控制器組成控制系統(tǒng)。

設(shè)備層為現(xiàn)場控制級，依靠集控室操作按鈕、現(xiàn)場儀表等工具控制全廠生產(chǎn)過程。

在優(yōu)化改造后的集中控制系統(tǒng)中，PLC 為主機，借助其控制與調(diào)節(jié)功能完成系統(tǒng)內(nèi)部通信，通信依靠冗余通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中主站與分站之間、分站之間依靠RI/O 遠程控制總線相連，以光纖為通信介質(zhì)。PLC 與控制系統(tǒng)上位機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，并借助iFIX軟件監(jiān)控納入集中控制系統(tǒng)監(jiān)控范圍內(nèi)的設(shè)備。

3.2 策略

3.2.1 PLC 的具體優(yōu)化改造策略

PLC 優(yōu)化改造包括系統(tǒng)、模塊、柜等。

（1）PLC 系統(tǒng)由計算機集中控制系統(tǒng)監(jiān)控主站與分站等組成。PLC 系統(tǒng)優(yōu)化改造策略如表1 所示，改造后的PLC 系統(tǒng)主站應(yīng)放置在集控室旁配電間內(nèi)。

表1 PLC 系統(tǒng)優(yōu)化改造策略

（2）PLC 模塊中數(shù)字量I/O 模塊改為輸入220V AC、輸出24V DC；模擬量模塊改為輸入、輸出4～20mA DC，能夠滿足兩線制儀表信號輸入需求。且優(yōu)化改造后為所有輸入輸出配備冷備用模塊。數(shù)字量輸出點之間設(shè)置施耐德繼電隔離器，保證數(shù)字量I/O 模塊有10%以上的備用通道，并在監(jiān)控主站、分站機架設(shè)置3 個以上備用插槽。

（3）主站與分站選擇不同PLC 柜。主站選擇西門子S7-400 系列，一套，包含冗余CPU 模塊、斷路器、光纖鏈路OLM 模塊等裝置，布置在主廠房（一）（二）、原煤準備車間、原煤倉、塊煤倉、混煤倉、濃縮車間控制站等位置。分站選擇西門子ET200M 系列，兩套，包含冗余套包以及配套IO 模塊、電源模塊、接觸器等裝置。

3.2.2 主要硬件設(shè)施的具體優(yōu)化改造策略

（1）UPS，選擇科華直流穩(wěn)壓電源裝置，其為高頻雙變換純在線式。輸入電壓范圍為110～300V AC，輸入頻率范圍為40～70Hz，采用三防漆浸涂技術(shù)，適用于各種惡劣環(huán)境；且能夠顯示輸入輸出電池電壓、電流、相關(guān)運行狀態(tài)以及故障告警等信息。集控室配備具備通信接口，也具備RS232、USB、RS485 或SNMP 接口協(xié)議且電氣隔離性能良好的UPS，容量為6kVA。

（2）千兆工業(yè)交換機，選用MOXA 可管理工業(yè)級交換機，2 千兆光口（帶模塊）、8 個千兆電口、三層2 個千兆以太網(wǎng)端口，用于構(gòu)建冗余環(huán)網(wǎng)。

（3）膠帶機保護及測量裝置，為每條帶式輸送機配備全面保護裝置，并增加煙霧保護、溫度保護、防縱撕保護、超溫灑水保護等膠帶保護。在主要膠帶機電動機、減速箱上安裝軸承溫度和振動監(jiān)測裝置。且所有膠帶機設(shè)置速度保護和堆煤保護，并按點位拉繩位置分開設(shè)置，兩個拉繩開關(guān)之間間距≤50m；跑偏單獨進入集中控制系統(tǒng)進行監(jiān)測和顯示報警，嚴禁串聯(lián)并用[4]。采用重錘拉緊裝置的主要膠帶機配備張緊力下降保護裝置。

（4）組合式操作臺，安裝在集控室內(nèi)，尺寸為6500mm×1000mm×750mm（長×寬×高），組合式，1 套，材質(zhì)為精密鑄造合金鋁型材。其結(jié)構(gòu)為模塊化設(shè)計形式，互換性與可擴充性良好。且臺面后部為了方便布線，設(shè)置橫向走線槽，可以連接LCD 顯示器、其他設(shè)備電源與信號線、電話線、鼠標線等，配備了完整的走線與理線裝置。

（5）配線箱、閥門控制箱、現(xiàn)場按鈕盒，均采用防水、防塵、防腐箱體，外殼防護為IP65 標準。其中配電箱體利用自有模具工具設(shè)計，材質(zhì)為304 不銹鋼材料，防腐能夠達到WF2 級別，結(jié)構(gòu)為上凹下凸配合式，能夠有效提升箱體密封性能。生產(chǎn)現(xiàn)場的控制箱、按鈕盒、閥門控制箱蘑菇頭急停閉鎖按鈕均配備掛鎖裝置，避免出現(xiàn)誤操作。以上箱/盒體內(nèi)外均安裝接地裝置，選擇銅質(zhì)多股絞線，以交聯(lián)聚乙烯或耐熱聚氯乙烯為絕緣材料，耐熱、防潮、阻燃性能好。

3.2.3 傳感器具體優(yōu)化改造策略

（1）位置傳感器，選用德國圖爾克公司原裝進口的Ni40U-CP40 型電磁感應(yīng)式四線傳感器，探測距離40mm。

（2）超聲波液位計，共計4 個，安裝于循環(huán)水池、壓濾機入料桶（2 個）、煤泥離心液轉(zhuǎn)排桶（3 個）。

（3）壓差式液位計，共計6 個，安裝于311 塊煤合介桶、322 篩下煤泥水桶、315 塊煤磁選尾礦桶、336 末煤合介桶、325 末煤合介桶、351 煤泥水桶。

（4）雷達料位計，共計9 個，安裝于原煤倉（2 個）、混煤倉（2 個）塊煤倉（4 個）矸石倉（1 個）料位測量，均選用E+H 品牌產(chǎn)品，采用鉸鏈法蘭安裝，在儀表外設(shè)置便于拆卸的防護罩，用于保護儀表。

（5）密度計，塊、末煤合格介質(zhì)管管道上分別安裝1 個。

（6）壓力變送器2 臺，用于測量兩產(chǎn)品旋流器入料管壓力和煤泥旋流器入料管壓力，并將數(shù)據(jù)送至PLC監(jiān)控系統(tǒng)并顯示。

3.2.4 配套系統(tǒng)具體優(yōu)化改造策略

（1）監(jiān)控系統(tǒng)，由上位工控計算機操控，計算機研華I7-10700K 型，2 臺，安裝在集控室內(nèi)。2 臺為互為備用的操作計算機，一臺用于生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)的控制操作，一臺工程師站用于編程、修改參數(shù)、改變畫面等操作。

（2）語音報警及擴播系統(tǒng)，在選煤廠煤流系統(tǒng)的集控室和各個設(shè)備附近設(shè)置聲光報警系統(tǒng)，共計安裝50臺聲光報警器。啟動設(shè)備前，先發(fā)出語音和報警提示，語音報警時說出設(shè)備的編號和名稱，讓現(xiàn)場維護人員離開設(shè)備現(xiàn)場，保持安全距離，確保設(shè)備運行時的人身安全。當集控系統(tǒng)上位機組態(tài)軟件iFIX 監(jiān)控到設(shè)備或進行啟停操作時，可將激活語音播報程序進行實時播報，并通過工業(yè)電視系統(tǒng)中安裝的攝像機，及時了解設(shè)備的故障原因和啟停操作狀態(tài)。

（3）產(chǎn)品計量系統(tǒng)，主要由礦用隔爆兼本安型皮帶秤主機、礦用本安型稱重傳感器、礦用本安型速度傳感器、開停傳感器、礦用電子皮帶秤體等部分組成。軟件具有系統(tǒng)設(shè)置、班次設(shè)置、通信設(shè)置、用戶管理、數(shù)據(jù)查詢、產(chǎn)量查詢、歷史數(shù)據(jù)分析、開停時間查詢等功能。

（4）遠程照明集中控制系統(tǒng)，將現(xiàn)有照明系統(tǒng)整合到集中控制系統(tǒng)內(nèi)，通過上位機實現(xiàn)對現(xiàn)場照明回路的開、關(guān)、定時等控制功能，保證遠程、多終端的集中控制和現(xiàn)場手動控制相結(jié)合。對線路進行24h 的實時自檢，包括對電流、電壓、短路、打火、觸電、觸點溫度等參數(shù)進行實時監(jiān)測，使系統(tǒng)自動設(shè)置各條回路的開關(guān)時間、做到按需開關(guān)燈，滿足節(jié)能生產(chǎn)需求。

（5）視頻監(jiān)控聯(lián)動系統(tǒng)，全廠共安裝200 個攝像頭，覆蓋整個選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)，通過與工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的對接，對重點工藝設(shè)備安全起車監(jiān)控。集中控制系統(tǒng)內(nèi)有工藝流程中各類型設(shè)備的起車順序，當關(guān)鍵設(shè)備啟動時，集控室內(nèi)大屏幕會自動切換，放大且同步位于啟動設(shè)備最近監(jiān)控點的監(jiān)控畫面，且自動轉(zhuǎn)動攝像機對準設(shè)備；監(jiān)控設(shè)備存在運行故障時，集控室大屏幕也會自動切換，放大且同步附近監(jiān)控點畫面，自動控制攝像機對準該設(shè)備，并借助上位機傳回報警信息[5]。

4 結(jié)語

大柳選煤廠對全廠集中控制系統(tǒng)進行全方位優(yōu)化改造，重構(gòu)以冗余結(jié)構(gòu)PLC 主站為控制主機，聯(lián)合監(jiān)控操作站、I/O 分站、現(xiàn)場儀表形成的新集中控制系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)功能劃分精細，與生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)管理要求匹配，在提高生產(chǎn)效率、生產(chǎn)安全、控制實效方面有了明顯進步，顯現(xiàn)出良好的安全效益、經(jīng)濟效益、社會效益。希望其他選煤廠在優(yōu)化改造集中控制系統(tǒng)時能夠從中獲益、受到啟發(fā)，借鑒成功的經(jīng)驗科學開展優(yōu)化改造工作，從而全面提升選煤廠集中控制自動化、智能化水平。