一种适合当前工业企业对自动化需要的基于PLC的煤矿井上胶带机监控系统设计

1 前言

随着计算机和控制技术的飞速发展，厂矿采用上位机和PLC集中监控已越来越普遍，技术也越来越先进。本文以河北单侯煤矿井上胶带机集控系统为例，研究开发了一种基于PLC的煤矿井上胶带机监控系统，适合于当前工业企业对自动化的需要，目前实际投入运行，取得了很好的效果。

2 系统设计

2.1系统概况

单候矿井隶属于河北开滦矿业集团，位于河北省张家口市蔚县涌泉庄乡境内北方城村附近，是张市矿区中心地带，矿井地质储量313.74Mt，矿井可采储量177.08Mt，设计能力150万吨/年，矿井服务年限81.4，于2006年10月正式投产。

单候煤矿井上胶带机集控系统（见图1）可分为两部分：1，筛分车间系统;2，储煤及装车系统。

其中，筛分车间系统包括图示的主井至筛分车间胶带输送机、矸石转载胶带输送机、矸石输送胶带机以及筛分车间内部所包含的六条拣矸胶带输送机、三条刮板机等设备;其余胶带输送机均属于储煤及装车系统。

在设计上，要求该系统能够实现就地控制与集中控制两种控制模式，集中控制可以分为联锁控制和单机控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保皮带设备的正常运行，提高了系统的稳定性。

2.2系统硬件部分

整个系统从上往下可以分为两层：集中控制管理层和就地控制管理层。集中控制管理层由两台上位机和一台交换机组成。在系统运行中，两台上位机互为冗余，并通过交换机直接与现场设备互联，从而实现对现场设备的监控。

就地控制管理层由PLC，交换机和胶带保护装置组成。PLC是整个控制系统的核心，在本系统中，采用了西门子公司的S7-300。由于在实际中，储煤子系统和筛分子系统有相互的闭锁关系，因此，可将筛分子系统和储煤子系统构建一个DP网络（系统的通信原理图见图2）。所以，本系统PLC均采用 CPU315-2DP，在组网时，筛分子系统作为master站，储煤子系统作为slave站，并在筛分子系统PLC柜中增加以太网模块CP341，使得上位机通过交换机可以与现场级设备互连，从而实现集中控制。此外，胶带运输机沿线安装了跑偏、堆煤、拉线开关等多种保护装置，以便胶带运输机运行出现故障时，系统可以快速地作出反应。

2.3系统软件部分

本系统的软件部分主要由两部分组成：上位机的组态监控软件和现场PLC的编程软件。

上位机的编程软件选用了Intellution的IFIX3.5，它具有以下特点。

a.实时库显示：实时显示系统内所有实时点;

b.实时遥控：选中画面上的控制开关，实时下发遥控命令;

c.实时和历史曲线：可设定显示系统内所有记录的遥测点;

d.实时和历史报警：报警分为重报警，中报警，轻报警;

e.事件和报警记录查询：可按天查询事件和报警日志;

f.事件和报警实时打印：有报警事件发生时，事件打印机实时打印。

上位机监控软件采用OPC方式与现场的PLC进行通信，可以方便灵活地获取现场机电设备及其保护设备的遥测遥信信息，实现远程控制。上位机的组态软件界面见图3。

现场PLC的编程软件采用西门子公司的Step7，当PLC处于“RUN”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“PLC的扫描工作方式”，其执行流程如图4所示。

3 系统关键技术

3.1系统有关通信程序的设计

本系统主PLC控制柜（筛分子系统PLC控制柜）安装在现场的低压配电室内，由于与调度中心相距较远，而现场电磁干扰又比较严重，为此，特采用以太网与光纤传输技术实现SIMATIC s7—300 PLC与上位机人机界面的通信。在主PLC柜中配备了以太网模块CP341以及以太网转光纤的交换机。

为了正确地传送和接收信息，必须有一套关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定，这一套约定称为规约或协议。本系统在进行通信程序设计时，采用模块化编程的设计思想，把程序分成若干程序块，各程序块分别含有一些设备和任务的程序指令，每个功能区被分成不同的块进行编程，有利于多人同时编程，也有利于程序调试和故障的查找。系统中PLC需处理多种通信协议，单独编制每种协议的处理程序，分别放在不同的功能模块（FC）中。在PLC的主程序块OB1 中，通过调用语句，可依次执行这些协议的处理程序，实现与这些综保装置或智能仪表进行通信的目的。

3.2 DP网络的配置

基于筛分子系统和储煤子系统之间存在着闭锁关系，因此可将筛分子系统和储煤子系统组态成为一个DP网络。这样使得系统的逻辑关系更加清晰，同时系统具有了很好的扩展性，也在经济上节约了成本。

关于DP网络的配置，可参考西门子公司的有关手册。尤其应该注意以下几点。

a.进行主从站配置时，应该首先配置从站，然后再配置主站;

b.在组态Hardware时，主站和从站的Consistency均需要设置为All;

c.编程时，主站的OB1中必须有OB1、OB82、OB86、OB100、OB121;

d.由于在系统运行时，上位机会对PLC进行读和写操作，因此在主站和从站的程序块中还都要添加SFC14和SFC15功能块。

3.3现场设备的闭锁控制

为了弥补现场设备防误功能的缺陷，保障安全生产，应该对现场所有设备进行闭锁控制。

本系统既有机械闭锁，又有逻辑闭锁，达到了“逆煤流依次启动设备，顺煤流依次停止设备”的要求。具体做法：机械闭锁：将逻辑上先启动设备的运行返回信号的常闭点串入后启动设备的二次控制回路中;逻辑闭锁：如流程图所示，将设备的运行返回信号作为执行下一条程序的先决条件。

4 结语

（1）通过利用大中型PLC（如西门子S7-300）可以与多种智能电子设备进行通信，方便地实现了现场设备的监控。

（2）该系统自2006年10月运行以来，维护量大大降低，大部分故障能够在电脑显示器上直接显示，减少了故障查找环节。系统操作简单，维护方便，提高系统安全性，降低运行费用，大大减少故障时间，提高经济效益。