党家河煤矿原煤运输设备PLC集控系统的设计与应用

马尚祯 王海勇

（河南能源集团鹤煤公司党家河煤矿，陕西延安727502）

1 PLC集控系统的需求分析

党家河煤矿原煤运输设备集控系统的控制范围为至筛胶带输送机起至原煤仓中间的全部生产及生产辅助系统设备，设备台数多，生产工艺环节多，设备运行顺序性强且运行时间相对集中，任何一部设备启停不当都有可能造成运输事故，损坏设备。故此，实现地面原煤运输设备的集中控制，可以大大减少因设备启停引起的事故，减少设备操作人员和维护人员，缩短设备启停时间，提高劳动生产效率，为生产和调度管理提供极大的方便。

2 PLC集控系统设计原理

党家河煤矿原煤运输设备集控系统是以PLC为控制基础的KJ58集中控制系统，系统结构分为三层：现场设备层、PLC控制层和监控信息层。集控系统的控制核心是位于中间层的PLC，负责下层设备控制及与上层通信联系；现场设备层通过开关量信号、模拟量信号和部分标准的总线通信协议与PLC相连通；最上层是具备HMI功能的监控设备与集中控制平台，通过工业以太网协议与PLC相连接，并对外提供开放的数据发布接口，加上上位机构成的控制系统，完成主控PLC、人机接口系统、现场设备之间的通信联系，从而实现整个原煤运输设备的集中控制。

集中控制室负责设备的启停和安全运行任务，采用PLC主站+分站的控制方式，分别完成各个关联的设备启停、保护实现、设备联锁、设备状态监控任务。信息层在控制室组成100M局域网，监控主机通过以太网卡与PLC主机连接，进行数据交换。控制层PLC主站与分站之间通过ControlNet总线网络，进行数据交换，实现集中控制室对各系统设备的集中监测控制；设备层各参控设备通过控制电缆与本地I/O模块连接，实现各离散信号及模拟信号的监控，或通过DH+网络、DeviceNet网络、Modbus网络等采集数据。

3 PLC集控系统具体实施方案

党家河煤矿原煤运输设备集中控制室共设有两个分站，每个站均配置有高性能控制柜，PLC模块放置在柜内。控制器采用的是罗克韦尔公司Controllogix系列PLC，整个控制系统主站和分站之间通过ControlNet总线网络相连。在控制主站上配置有10/100M自适应以太网模块，与上位机之间通过以太网进行通信，实现上位机高速采集设备运行数据并发出相应的控制指令。此外，根据现场胶带输送机运输长度，胶带输送机沿线每50 m设置有拉绳和跑偏保护装置，实现胶带输送机的事故保护功能。筒仓内配置有连续测量物位仪，实时监视物位，监控信号就近接入PLC控制分站中。设备现场为受控设备配置有就地按钮盒实现就地控制。此外，还设置有两台集成监控网络操作员站，并兼有工程师站功能。在上位机上安装有IFIX组态软件，组态人机界面对现场设备进行控制和监视，且组态软件具备OPC功能，可对外通信。

3.1 上位机部分

上位机组态软件选用的是美国通用公司的IFIX组态软件，工作于Window XP SP2以上系统平台，实现图形监控、动态图形显示、运行数据采集管理、状态趋势图、自诊断、报警等诸多功能，并提供多种数据接口（ODBC、OPC、DDE）实现数据的共享与传播。

操作员站配置有两台戴尔计算机，兼工程师站，互为热备，完全满足工业现场的环境要求，其主要配置如下：

计算机不低于Dell Precision T5500/24"LCD，WinXP Pro.，共两套。

集控室计算机设备采用25 kVA/2 h的UPS电源供电，保证了系统运行的稳定性和可靠性。

上位机与控制系统通过工业以太网进行连接通信，系统的安全性和通信速率提高，从而大大提高了系统的稳定性和实时性。

3.2 PLC部分

控制主机采用的是罗克韦尔AB高端的1756-L71 CPU，具有大规模的程序存储容量和数据结构，对二进制和浮点数运算具有很高的处理能力，非常适用于大规模的I/O配置。

以太网模块采用1756-ENBT，10/100 Mb/s自适应，全/半双工传输，可对传输协议TCP与UDP实现多协议运行，RJ45连接将PLC连接到以太网，可以通过网络对PLC系统实现远程编程与调试。

PLC控制柜采用主从分站的分布模式，采用ControlNet现场工业总线，实现了主从分站之间数据高速稳定的实时交换，通信介质为同轴电缆，极大地提高了整个系统的稳定性和可操作性，同时PLC主站控制柜预留冗余CPU的位置，以便将来扩展冗余控制系统。

PLC电源模块选用的是交流净化稳压电源，保证了控制系统供电的稳定可靠；PLC控制柜内安装有PLC控制模块、I/O分站模块、24 V DC稳压电源，保证了控制系统操作的稳定性和可靠性。

3.3 设备现场部分

设备现场配置有防爆按钮盒，主要作用是提供灵活的控制功能，当设备控制方式在“集控”状态时，该设备由集控系统控制操作，现场无法开车；当控制方式在“就地”状态时，设备由岗位操作人员就地控制操作；当控制方式在“检修”状态时，就地和集控均无法实现对该设备的控制，保证了现场的人员和设备安全。

3.4 与其他系统的接口方案

党家河煤矿原煤运输设备集控系统是一套独立的PLC控制系统，预留多种接口与其他系统实现双向数据通信。

（1）硬件接口：控制系统在控制柜内预留以太网通信接口、RS485接口、DH+接口和DNB接口，为系统的扩展及子系统接入提供便利。

（2）软件接口：控制系统可为其他系统提供4种不同的软件接口：基于DH+通信协议的实时数据通信；基于Modbus RTU通信协议的实时数据通信；基于DeviceNet总线的实时数据通信；基于TCP/IP协议的PLC的实时数据通信。

4 PLC集控系统实现功能

党家河煤矿原煤运输设备集控系统有两种控制操作方式，即控制室集中控制操作和现场单机就地操作方式。控制室集中控制是主要操作方式，现场单机就地操作方式主要用于设备的调试和维护。

（1）集中控制操作方式：即通过工控机键盘和鼠标，结合工控机大彩显示屏，实现对单台设备的启停控制。在此种方式下，设备之间的联锁关系可以方便地设定或解除。该方式是原煤运输的主操作方式，该系统故障时，可以选用现场单机操作方式。

（2）现场单机就地操作方式：现场设备附近均配置就地操作控制按钮，实现单台设备的启停控制，该操作方式主要用于单机调试、检修维护。在此工作方式下，设备的操作独立于PLC控制，确保在集控系统发生故障时不会影响正常生产。

（3）故障自动停机功能：当现场的系统自检故障、保护装置动作以后，故障设备以及煤流上游设备立即停止运行（工艺设备要求必须延时停车的除外），下游设备继续保持运行，待下游设备原煤拉空后，可以根据故障情况人为依次将下游设备停机。

（4）紧急停车功能：出现紧急情况时，按下工控机大彩显示屏监控画面上的模拟紧急停机按钮，系统内全部设备立即自动停机。

（5）保护动作或系统自检故障自动停机功能：1）当设备自身存在故障时，设备无法启动，监控画面上会发出相应故障的文字报警信息。2）当系统内设备出现故障或保护动作时，监控画面上会发出相应的报警信息，集控系统会自动根据报警信息作出相应的停机处理，有效避免故障的发生和扩大。3）系统能自动显示、记录设备故障性质、故障地点及发生故障的时间。

（6）安全管理功能：为确保安全生产，集控软件设置有用户登陆界面，对不同登陆人员设置不同的权限，并对登陆人员作操作记录。1）管理员用户能监视设备运行状态、操作设备运行、修改工艺。2）操作员用户能监视设备运行状态、操作设备运行。3）普通用户能监视设备运行状态。4）非法用户不能登陆。

5 PLC集控系统设计优点

KJ58集控系统充分考虑到党家河煤矿原煤运输设备的选型和运行特性，又结合原煤运输设备现场实际情况进行了优化升级，该集控系统具有水平先进、可靠性强、易扩展、易操作等优点，大大提高了党家河煤矿原煤运输设备可操作性和安全性。

5.1 水平先进

在集控系统设备和技术选型时，充分考虑了集控系统的先进性，保证此套集控系统在投运后仍然具有很强的系统扩展性和升级功能。先进技术和设备的选用，确保了集控系统功能、性能的优质性、可靠性、稳定性，无论技术水平还是管理水平都居国内同行业先进行列。

5.2 可靠性强

可靠性是集控系统的基础，此套系统的方案设计、加工制造工艺、调试投运等每一步都把可靠性放在第一位，在集控系统设备和技术设计选型上也严格遵循这一标准。

（1）系统中所选用的设备均是有国内外知名厂家生产，均有良好的产品质量和完善的售后服务保证，系统所用端子排、电缆走线槽、电装线及走线槽均具有良好的耐热性和阻燃性，极大地提高了集控系统的可靠性，有效保证了集控系统长期、安全、稳定运行。

（2）集控系统电源采用双回路供电，确保供电安全，大大减少了因系统电源故障引起的事故，有效保证了集控系统长期、安全、稳定运行。

（3）系统设备加设有各级保护功能，所有控制命令均采用两级确认菜单，有效防止了因操作人员误操作而引起的事故。

（4）系统设置有故障检测报警和应急处理功能。系统能够自诊断，及时发现系统存在的安全隐患，并根据隐患内容做出相应的应急处理，防患于未然，有效避免了小故障酿成的大事故。

5.3 易扩展

系统软件和硬件配置及系统结构均具有很强的易扩展性。一方面，系统所选用的硬件为系统今后的升级、完善均留有充裕的扩展容量；另一方面，系统具有灵活的网络结构，将来需扩展系统在现有系统的基础上增加部分设备即可实现，无需更换现有系统的软件、硬件，更不会影响现有系统的运行。

6 结语

以PLC为控制核心的KJ58集控系统实现了党家河煤矿原煤运输设备的远程启停控制、顺序控制、联锁控制、保护控制等功能，并对运行设备进行实时监控，大大提高了设备的可控制性和安全性，降低了设备的损坏率和操作强度，方便了设备的检修和维护，确保了原煤运输设备的安全高效运转，使党家河煤矿安全生产和经济效益都有了很大提高。