基于PLC煤矿井上胶带机集控系统的设计.doc

. . . . .摘要 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。由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC(Programmable Controller)，但为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，常将可编程序控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的 自动化控制装置。 1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第2稿，并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。关键字：胶带机、矿山设备、应用。目 录目录.2第一章 前言31.1系统设计 31.2储煤及装车系统 3第二章.42.1 plc的功能特性.42.2 变频调速技术在矿井提升机中的应用.62.3 plc产品的选用.7第三章 .83.1系统概况.83.2系统硬件部分.93.3 系统软件部分11第四章124.1系统有关通信程序的设计.124.2 DP 网络的配置.134.3 现场设备的闭锁控制.15心得体会16致谢17参考文献18第一章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。1.1系统设计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；1.2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，集中控制可以分为连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，确保在系基金项目：国家自然科学基金 煤矿生产重大瓦斯事故的形成机理及其管理方法研究70533050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。第二章2.1 PLC的功能特性一、PLC优越性： (1) 灵活性和通用性强 (2) 抗干扰能力强，可靠性高 (3) 编程语言简单易学 (4) PLC与外部设备的连接简单，使用方便 (5) 功能强、功能的扩展能力强 (6) 控制系统的设计、调试周期短 (7) 体积小、重量轻，易于实现机电一体化二、PLC的功能PLC是在传统的继电接触控制的基础上通过融入计算机技术发展起来的一种新型工业控制器，其功能已在上面的定义中作了概括，这里再详细说明一下目前PLC具有的功能。1 . 逻辑控制 PLC具有逻辑运算功能，它有与、或、非、异或等逻辑指令，能够表达多个继电器触点间的串联、并联、串并联、并串联等各种形式的连接，从而可以代替实际继电器及其间的电气连线。2. 顺序控制所谓顺序控制，就是按照预定的先后顺序，逐个完成各种操作。PLC程序本身就是顺序执行的。此外，PLC中还设有移位寄存器，有的还专门配有步进顺控指令，可以方便地实现顺序控制。三、变频器在电铲设备中的应用电铲用于装载矿岩，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖根底作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，电铲对电气传动系统就有较高的要求:要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率;要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快;要求系统制动性能好，并能回收能量;要求系统运行可靠，维修方便等。由于电铲对电气传动系统的这些特殊要求，所以，我国电铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。例如:WK-4M、WK10、WD-1200和195-B等型号的电铲都是采用直流发电机-直流电动机系统(简称机组系统);从美国Harnischfeger公司引进制造的P&H-2300XP和P&H-2800XP型电铲则是采用晶闸管变流器-直流电动机系统(简称晶闸管直流系统)。虽然后者比前者技术先进，效率也有所提高，但这两种系统都还存在直流电机的固有的缺点，即维修工作量大、效率较低等。自上世纪90年代后期，我国有个别矿山从美国B-E公司引进了变频器-鼠笼型电动机系统(简称交流变频调速系统)，这是全交流化的电铲电气传动系统。例如:385-B、295-B、290-B型电铲就是全交流化电铲，变频调速由德国SIEMENS公司开发、提供的电压型变频器。现以395-B电铲为例作一简要说明:高压交流电由电缆经集电环引入电铲，由1600kVA主变压器将6kV变为575V，由1950A的整流器将交流变为直流，经滤波后送入公共直流母线。在直流母线上有4台容量为750kVA的逆变器，其中2台并联供电给1台容量为1066kW的提升电动机;第三台逆变器供电两台容量各为243kW的回转电动机;第四台逆变器供电给容量为294kW推压电动机。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。实践证明，交流变频调速电铲和前两种直流调速电铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高(0.95以上)等优点，是公认的电铲电气传动系统的发展方向。矿井通风机是地下矿山生产的主要用电设备之一，其节能运行在矿山节电中占有重要的地位。矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动，恒速运转，一般容量大，电机供电电压高(6kV或10kV)。 矿山建设的特点是:巷道逐年加深，产量逐年增加，所需的通风量逐年上升。但矿井通风机在设计选型时，往往是按最大开采量时所需的风量为依据的，一般都留有余量，因此矿井在投产后几年甚至十几年内，矿井通风机都是处在低负载下运行。此外，通常矿山井下作业不均衡，一般夜班工作人员少，所需风量也小，在节假日时，可能只有泵房等固定的井下场所的值班人员工作。尽管井下人员少，但也得照常向井下送风，矿井通风机一般不调节风量，若要调节风量时，传统的方法是调节档板。这种办法虽然简单，但从节能的观点看，是很不经济的。几种调节风量的方法节电比较。可见，变频调速法在各种风量调节方法中是最理想、最有效、最节能的调节方法。有关变频调速技术在矿井通风机中的应用，仍以凡口铅锌矿为例说明。该矿的矿井通风机都采用高压电机传动，有高压同步电机和高压异步电机两大类。由于矿井通风机是矿山的耗电大户，节电潜力很大，但它又是高压电机传动，实现变频调速有一定困难。于是，长沙矿山研究院与凡口铅锌矿、冶金自动化研究院等单位合作，以老南风井的6kV，800kW同步电机传动的矿井通风机为对象，研制开发了同步电机直接高压变频器。1997年8月投入运行，并于1998年4月28日通过了中国有色金属工业总公司的技术鉴定，获得了部级科技进步二等奖。这是国内第一台同步电机直接高压变频器，节电效果十分显著。矿井提升机是地下矿山运输的主要设备。它是用一定的装备沿井筒运出矿石、废石、升降人员及材料、设备等运输环节。矿井提升设备按井筒倾角可分为竖井提升设备和斜井提升设备;按提升容器可分为罐笼提升机和箕斗提升机等;按提用途可分为主提升机(专们或主性提升矿石，一般称为主井提升机)，副井提升机(提升废石、升降人员、运送材料和设备等，一般称为副井提升机)和辅助提升机(如天井电梯、检修提升等)。2.2 变频调速技术在矿井提升机中的应用矿井提升是地下矿山生产的咽喉，所以，无论哪种提升机，对电气传动的要求都很高，因为电气传动系统性能的优劣，可靠性的高低，都直接关系到矿山生产的效率和矿山生产的正常进行。对矿井提升机电气传动系统的要求是:有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。 目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有:对于大型矿井提升机，主要采用直流传动系统，有采用直流电动机-直流发电机系统和晶闸管变流器-直流电动机系统;这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点，如效率不高，维修工作量较大等。对于中、小型提升机，则多采用交流电气传动系统，如采用交流绕线式电动机，使用电机转子切换电阻调速，这种电气传动系统虽然设备简单，但它是有级调速，调速性能差，效率低，大量的电能消耗在电动机转子电阻上，而且可靠性也差。 将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。我国已有几台大型矿井提升机采用交-交变频调速系统，取得了很好的效果，但其缺点是功率因数不高，谐波大，需加谐波和功率因数补偿装置。随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。例如国外已有矿山将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机上，据介绍，采用这种变频调速的交流提升机可以克服直流调速系统和交-交变频调速系统的缺点，是提升机电气传动的发展方向。对于小型交流提升机已有成功应用变频器的实例，如山东风光电子有限公司和东营市东催科技有限公司合作开发的变频器，成功地应用于山东宁阳县华宁煤矿的380V,180kw 的交流提升机上。2.3 PLC产品的选用PLC在很多国家和领域都发挥着重要的作用，因此，也就有很多不同的产品已适用于不同的领域。在很多国家也都生产PLC的产品，例如美国、日本、德国，在此我们采用的是日本的OMRON的PLC。简单介绍一下：日本的小型PLC很有特色，在小型机领域种颇具盛名。某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，用日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商，如欧姆龙、三菱、富士、日立、东芝等。在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70的份额。在中国，OMRON产品的销量居首位。OMRON的PLC之所以受用户欢迎，是由于它们具有以下几个特点：指令系统功能强大，处理复杂控制的功能强；编程语言是梯形图和语句表并重，编程简单，易掌握；特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；PLC的网络配置简单，实用、造价低；具有明显的价格优势及良好的售后服务系统。OMRON公司的小型PLC产品:P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列以及CPM2C、CQM1、CQM1H等都属于小型机。前些年，P型机以高性价比的优势在我国的销量相当好，现在已被其升级产品、性价比更高的CPM1A系列所取代。H型机内部配置RS-232C接口，其指令系统也远高于P型机，但价格较P型机高。CPM2C、CQM1都是模块式结构。CQM1机内配置RS-232C通信接口，有6种CPU模块，各具不同功能可选择，而且各种I/O单元自由组合，它们都是高功能的小型机。CQMIH又是CQM1的升级产品。由于OMRON公司的PLC指令系统功能强大；编程语言是梯形图，编程简单；特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；PLC的网络配置简单，实用、造价低；具有明显的价格优势，所以本方案采用日本欧姆龙公司的小型PLC系列。第三章3.1 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，集中控制可以分为连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。3.2 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。图1系统结构图 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，系统可以快速地做出反应。图2 系统通信原理图3.3 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。图3系统软件运行界面图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。第四章 系统关键技术4.1 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 s7300 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。4.2 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。图4 系统流程图关于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。4.3 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。系统结构煤矿胶带机运输系统的安全可靠与否直接影响矿井的经济效益胶带机集控系统可实现对整个胶带机运输系统的遥测、遥信、遥控，提高生产效率、降低事故率，减少故障处理时间、减少现场操作人员、提高经济效益。 我们研发的胶带机集控系统采用先进的并行处理技术；操作方便、灵活，可靠性高，抗干扰能力更强。采用分布式控制结构，保护能力齐全。具有胶带跑偏保护，速度检测，打滑和超速保护，急停闭锁，堆煤检测，温度检测，烟雾检测，自动洒水灭火和胶带纵向撕裂保护等完善的检测和保护功能。现场可编程功能及组网功能强，采用开放的编程软件和开放式的数据通信协议，可与综合自动化信息化系统实现汇接。系统采用全分布式控制结构。主要由井下控制分站、控制主站和综合操作台构成综合操作台位于地面中央控制室，控制主站与控制分站之间采用工业以太网络或工业总线结构连接，控制分站与传感器之间采用矩阵结构连接。控制分站负责现场设备的数据采集和控制，通过监控，可对整个系统的设备进行监视和集中控制。控制分站采用KJD21本安型PLC作为主控设备，具有防潮、抗干扰能力强、现场易编程、易扩展等特点，基本免维护，并能够实现软件化控制、自动检测系统故障等功能系统支持多台PLC组成控制网络，达到不同的规模控制，可完成多条皮带的集中控制和监测。1.系统特点：选用先进的控制器，系统的实时性好，可靠性高，数据处理速度快；采用全分布式控制结构，系统具有较高的安全性。当地面部分出现控制故障时，井下部分仍可实现集控运行；通讯网络速度快，距离远，可靠性高。当网络由于发生断线、干扰等传输问题时，网络会自动侦测到，并发出警报；界面直观友好，操作简便，功能齐全。人机界面不仅具有形象逼真的动态画面和全中文显示，还具有实时报警监视、安全确（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。2.本文作者创新点：(1) 本文系统地阐述了以PLC为控制核心，构建一个集控系统的方法，基于该方案的控制系统与原系统相比在性能和自动化程度上都得到大幅度提升，对相近系统有重要的参考价值。（2）对于集控系统中子系统的处理，通常做法是给各个子系统均配置以太网通信模块，然后将每个子系统作为节点，组成环形网络。在本系统中，将逻辑上有闭锁关系的多个子系统视作网络中的一个节点，减少了以太网通信模块，节约了成本。对于同一节点下的多个子系统则采用级联的方式配置成DP网络，大大减轻了网络的负担。（3）本文给出了配置DP网络的详细方法和注意事项。在PLC程序设计中，本系统采用功能块化的方法，有利于系统的维护和升级。 心得体会经过这次毕业设计，使我觉得不论从理论知识还是从实际操纵中都学到了不少知识，我想归纳起来，主要有以下四个方面：1.经过这次毕业设计，它让我接触更多平时没有接触过的科学仪器设备、元器件以及获得相关的仪器调试经验，同时我也发现自己在这方面很多不足之处。体会到理论知识对实践有很大的指导作用，她让我知道，