PLC在煤矿胶带运输机监控系统中的应用.doc

随着自动化设备及网络技术进步，综合自动化技术在煤矿也得到广泛的推广。本文主要针对基于Profibus-DP现场总线的可编程控制器在矿井综合自动化井下胶带机监控子系统中的应用。系统采用西门子公司PLC的中端产品SIMATIC S7-300作为监控核心，通过Profibus-DP的单主站的主从系统的存取机制，实现井上、井下胶带机控制系统数据的上传和调度指挥集控中心控制命令的下传。
规格： 一、引言：
内蒙古伊泰集团宝山矿综合自动化系统对胶带运输系统要求通过整合矿井现有的胶带运输系统的控制，实现对胶带机运输系统主要环节和生产运行状况的实时监测和集中控制。从而有效地提高矿井生产自动化和管理现代化的水平。实现全矿井的统一管理与数据共享。由于煤矿胶带运输系统各胶带机安装位置分散，监测与监控点数多，本设计采用多个PLC通过PROFIBUS总线联网通讯。
PROFIBUS-DP是一种用于生产自动化的现场总线技术，可实现现场设备层到调度中心级监控的分散式数字控制和现场通信，可以满足对井下与井上胶带机控制系统的监测和控制需要。其通讯速率为19.2k~12Mbps，通常默认设置为1.5Mbps，通信数据包为244字节。其开放性可以允许多家厂商开发各自的符合PROFIBUS协议的产品，并连接在同一个PROFIBUS总线上，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤或无线传输。本设计选用矿用通信电缆。
二、系统设计
2.1系统概述
**矿矿井位于内蒙古自治区**。矿井资源总量为22.25Mt，工业储量为20.87Mt，可采储量为11.91Mt。年开采量为120万吨。根据矿方的需求，本设计完成的监控范围包括：综采工作面顺槽胶带机、大巷运输胶带机、主斜井胶带机、筛分破碎、原煤上仓胶带机及配仓刮板。控制方式设远程集中控制和就地检修控制；具有完善、可靠的皮带保护与预警功能；通过单机控制系统实现对各胶带机及配套的软启动设备和各运行参数及状态的监测与监控，并由Profibus总线联入自动化调度网，实现在矿调度室对仓下胶带机的集中监控监测，包括对胶带机所采用的CST驱动的控制。胶带机运输系统图如图1所示

图1 胶带运输系统图
2.2 系统的主要功能
本系统采用多台PROFIBUS总线组成数据传输网络，系统的监控范围包括综采面顺槽胶带机、大巷运输胶带机、主斜井胶带机、筛分破碎、原煤上仓胶带机以及配仓刮板。实现的主要功能包括：
(1) 系统操作方式分集控自动/集控手动/就地，三种方式可转换。
(2) 实时监测与监控仓下给煤机、配仓刮板、筛分破碎、上仓配仓、主井、大巷胶带机及顺槽胶带机的集中监控监测，包括这些胶带机所采用的CST驱动的控制状态和运行参数，并显示实时和记录数据曲线，皮带保护系统通讯集成。
(3) 启动设备前由集控中心发30秒预告信号，若现场均满足集控自动启动条件，设备按逆煤流顺序自动启动。
(4) 现场操作箱设起/停车按钮，现场可随时停车。若设备由集控启动，控制系统接到现场停车停号后，可作急停处理，实施故障停车操作；
单机系统的主要功能：
单机系统采用矿用隔爆兼本质安全型型PLC控制箱，由两套西门子S7-300PLC、10.4英寸真彩触摸屏、本质安全型电源、继电器、隔离栅及防爆外壳等组成。实现对各个输入、输出量的数据采集、程序控制和信息交换的任务。
(1) 与CST软启动系统通讯，完成胶带机开、停控制（显示开停状态），并检测CST运行参数，如离合压力、主电机电气参数，主机与油泵、风扇运行状态、油温、油压参数等。
(2) 控制张紧装置的开、停，检测张紧装置工作状态。
(3) 主电机定子及轴承温度检测.
(4) 胶带机保护采用速度（打滑）、跑偏、急停、纵撕、堆煤、超温洒水等传感器，这些信号均接入集控系统，参加设备的紧急停车和闭锁停车；
(5) 单机控制系统与自动化调度网联网，实现在矿调度室对胶带机的监控。
(6) 对设备故障和工艺参数的异常实时报警，并进行声光提示。一般故障只报警，现场非正常停车或严重故障时，故障设备及其上游设备紧急停车，下游设备顺煤流延时闭锁停车。
2.3 系统硬件组成：
目前宝山矿井下使用的矿井主运输控制系统为天津华宁的KTC101-Z控制器，已实现矿区主运输系统的全部自动化功能，还未能实现和矿调度指挥中心的联网集控。本次设计充分利用现有控制设备的采集数据，搭建传输平台，实现胶带机控制系统的监测与监控。胶带机系统主要由胶带机的CST软启动装置；胶带机的皮带保护系统；皮带张紧装置组成。其监控系统由隔爆兼本安型胶带机控制分站（可编程控制器）、本安型就地操作站、华宁KT101集中监控系统以及安全保护传感器等设备组成。监控子系统图如图2
图2 胶带机单机监控子系统
通过PLC上通讯接口模块把各个胶带机控制分站接入到井下Profibus-DP网络总线，硬件系统联接如图3所示，整个系统由工控上位机工程师站、操作员站、工业以太网交换机、Profibus-DP主站、Profibus-DP分站及其他现场设备组成。Profibus-DP总线将所有设备连接起来。其中，Profibus-DP主站、Profibus-DP从站均采用SIMATIC S7-300的模块系列，主站为CPU315-2DP系列模块，从站为相应I/O模块。

图3 胶带机监控系统设备联接图
通过PLC上通讯接口模块把各个胶带机控制分站接入到井下Profibus-DP网络，把监控信息传送到地面调度控制中心进行集中监控。
1．分布式I/O系统。本系统采用ET200M系列高密度配置的模块化I/O站，扩展通讯模块与Profibus-DP相连接，将所有的S7-300Ø DI/DO模块通过接口模板IM153－2与现场总线相连。DI/DO模块下的执行器和传感器连接到现场设备，DI/DO模块按主/从模式向现场设备提供输出数据并向CPU或上位机馈送输入数据。DI/DO模块属于DP从站。现场采集数据来自KT101控制器输出的数据及传感器数据。
2．CPU 作为DP类型1主站，CPU位于控制中心，本系统采用CPU315-2DP模块化中型PLC，它具有强大的处理能力，并集成了Profibus-DP现场总线接口装置，同时还具有0.3ms处理1024个语句的速度。PLC程序在上位机的编程工具STEP7中编译完成后下载到CPU315，并存储在CPU315中。CPU315可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有I/O模块的状态字，控制硬件设备。
3．上位机是DP类型2主站。本系统采用研华工控机作为上位机，通过现场总线接口卡CP5611使工控机与现场总线相连。这样工业PC机与现场总线网段就连接为能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。为了保证系统的稳定性，系统运用了双机冗余，将另一台工控机通过同样的现场总线接口卡CP5611与现场总线相连，若其中一台工控机发生故障，另一台可继续运行。

2.4软件设计
软件设计分为PLC控制软件和上位机组态软件。上位工控机主要完成以动态画面实时显示系统所有设备的运行状态，历史数据存储和查询，故障诊断、报警及网络通讯等功能。上位组态软件采用西门子公司成熟的工业组态软件WINCC 6.2开发版和运行版，组态控制软件经设计调试完成后，在调度室集控中心显示终端上运行。WINCC组态软件的“智能图符生成向导”为快速开发和配置应用系统提供了方便，开发人员可以使用其集合开发环境直观地建立自己的系统，其内置数据接口的开放性完全满足本系统的监控需要。
1、上位组态软件主要完成的功能如下：
1) 历史数据的存储和查询功能：以数字显示、模拟仪表、趋势曲线、报表等多种形式显示运输系统的运行数据，记录操作员在登陆后做过的各种操作；并将历史数据自动存入数据库长期保存，可以随时查询，保证了数据的真实性、有效性，以方便用户进行数据报表的打印，也为管理部门查看、分析有关数据，强化运输系统的管理提供条件；
2) 实时报警功能：当运行参数超出设定范围时，以声光和计算机屏幕提示的形式发出报警信号，并且自动记录报警发生的时间，通过数据库可进行查询，为技术人员分析报警原因提供帮助；高高报警情况下自动记录报警发生的时间，并且连锁停车。
3) 多种方式的控制功能：通过上位机可实现运输系统及其附属设备的手动（上位机设有单机启动，让每一台设备单独启动）、自动连锁启动及远程控制等多种控制方式的转换和操作，但由于运输系统属于安全方面的重要设备，上位机的控制操作必须通过权限认证，没有通过认证的操作者（通常为两人以上）不能进行任何操作，可以有效地避免误操作，造成不必要的损失；
4) 挂牌检修：在检修时间内或设备故障紧急停车情况下，在上位机点击挂牌检修，通过密码确认后，系统自动切断各设备，上位机任何按钮处于禁止状态，任何人都无法开启设备；检修结束后，电解解除密码，解除密码需要安全员密码、检修工密码、调度员密码三方确认后方可解除挂牌检修状态。系统在这过程中记录各设备运行数据，在正常运行时的上传数据和各设备的状态数据。
2、PLC软件程序设计
软件流程图如下：
各皮带在集中控制状态下，通过上位机启动，在启动前首先要确定各设备集中控制状态信息反馈到上位机；且各设备运行参数显示正常；选择启动几号振动筛；选择连锁启动；然后点击上位机系统启动按钮，上微机软件提示警告“系统确定要启动吗？”确认后，扩音喇叭提醒警告20秒后，皮带启动，每条皮带启动在前一皮带速度达到正常后延时10秒启动。
启动顺序：原煤配仓皮带（1#、2#）—>原煤配仓皮带（3#）—>上仓皮带（同时启动2条）—>振动筛—>主斜井皮带—>主运大巷皮带—>顺槽皮带—>装载机—>破摔机—>刮板运输机—>采煤机。
皮带停止，通过点击上位机系统停车按钮，系统提示“系统确定要停车吗？”确认后，系统开始停车。运输系统停车时，按照各皮带的实际长度不同，延时也不同，当后条皮带完全停止后通过延时停止下一皮带。
停止顺序：采煤机—>刮板运输机—>破摔机—>装载机—>顺槽皮带—>主运大巷皮带—>主斜井皮带—>振动筛—>上仓皮带—>原煤配仓皮带（3#）—>原煤配仓皮带（1#、2#）。
如果某条皮带出现连锁保护停车，按照皮带停车顺序这条皮带前其他皮带正常运行，皮带后其他皮带也连锁紧急停车。通过查看报警数据及历史数据，检查故障。
三、结语
本系统选用了先进的PLC控制器，采用分布式控制结构，通讯网络速度快，界面友好，操作简便，可靠性高，实时性好，安全性强。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、安全确认机制和数据记录功能，为宝山矿的生产和管理提供了有力的支持。

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