煤礦運輸機集中監控自動化控制系統

摘要：本文介紹了一種基于PLC的全礦井膠帶運輸機集中監控系統，該系統設置了現場控制站和一個控制主站，建立了CC-LINK通訊網絡，實現了對膠帶運輸機系統設備的CRT集中監控，取得了提高生產效率、減少現場操作人員、提高安全性的良好效果。
　　

關鍵詞：PLC 集中監控 膠帶運輸機

　　
§1 前言

　　 煤礦膠帶機集控系統運行安全可靠與否直接影響礦井的經濟效益。為提高系統的可靠性和安全性，實施集中監控，實現系統的綜合保護和集中監控，是十分必要的。
　　 唐山開誠電器有限責任公司生產的智能皮帶機集中控制與監測系統是應用于礦山皮帶運輸自動化的高科技產品，本系統是以《煤礦安全規程》為依據，總結礦山運輸過程中所出現的事故，本著安全性高、實用性強、具有*性的特點而研制開發的新一代綜合控制系統。
　　 集控系統與調度電話系統、工業電視系統一起，構成一個完整的操作、調度、監視網絡，實現對整個系統的遙測、遙信、遙控。該系統可實現提高生產效率、降低事故率，減少故障處理時間、減少現場操作人員、提高經濟效益。
　　

§2 集控系統的描述

　　目前，PLC始終處于工業自動化控制領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。其主要原因，在于它能夠為自動化控制系統提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業企業對自動化的需要。
　　在工業計算機控制領域，圍繞開放式過程控制系統、開放式過程控制軟件、開放式數據通信協議，已經發生巨大變革。隨著PLC(SoftPLC)控制組態軟件技術的誕生與進一步完善和發展，安裝有SoftPLC組態軟件和基于工業PC過程控制系統正在逐步得到發展。對于控制軟件來講，是PLC控制器的核心，向工業用戶提供開放式的編程組態工具軟件。此外，開放式通信網絡技術也得到了突破，其結果是將PLC融入更加開放的工業自動化控制。
　　本系統采用全分布式控制結構。由井下控制站和綜合操作臺構成。綜合操作中心位于地面控制室。系統采用日本菱電公司的 AnS和FX系列PLC，控制主站與控制分站之間采用菱電開放的網絡總線結構CC-Link,控制分站與傳感器之間采用距陣結構聯接，控制主站與綜合操作臺的監控上位機之間通過CC-Link總線網絡聯接。控制分站負責現場設備的數據采集和控制，通過監控，可對整個系統的設備進行監視和集中控制。

　　 本系統是以菱電AnS和FX系列PLC作為主控元件，具有防潮、抗力強，現場易編程、易擴展，基本免維護，并能夠實現軟件控制化，自動檢測系統故障等功能。系統采用多臺PLC組成數據傳輸網絡，達到不同的規模控制。完成一個系統內多條皮帶全過程的監控、監測、連同地面指揮管理中心站，構成一個完善的監控系統。
　　

§3 網絡系統

　　考慮到煤礦的現場情況和控制距離,在地面控制中心設置控制主站,采用三菱的大中型PLC-AnS系列,網絡選用開放的CC-Link總線,在控制距離大于1200米的兩個控制站間要加中繼器,在皮帶機頭設置控制設備分站。控制設備分站負責現場的信號采集與現場的實時控制。
　　系統為實時監控網絡結構，具備有完善的生產監控管理功能，對皮帶運輸主要環節及相關的輔助環節的生產過程進行實時數據采集、傳輸、處理、顯示、記錄打印，對井下運輸皮帶系統進行遠程集中監控，同時配合工業電視系統進行安全圖像監視，以確保人員及設備的安全。
　　監控網絡實施后，操作員可在中控室終端上監視控制運輸皮帶生產過程，完成對運輸皮帶生產及相關環節的“遙測、遙信和遙控”，實現礦井運輸皮帶生產系統的綜合自動化。

　　 1. 實時運行參數監測。各監控系統實時采集生產工況參數，可以采用圖形、報表的形式顯示系統的實時工況及目前產量、倉儲等。
　　 2. 實時過程控制。分析采集的參數，各系統自動完成過程控制，或由操作員操作控制。
　　 3. 歷史數據查詢。以上生產實時監測數據均可存貯于生產實時數據歷史數據庫中，可實現歷史回顯、歷史趨勢分析，及直方圖、餅圖等進行綜合分析。

　　 4. 設備故障及模擬量超限報警。當設備故障或模擬量超*，生產監測及管理網絡同步顯示故障設備名稱，并可實現語音報警、實時打印故障功能。服務器將該故障信息存入故障信息數據庫，供以后統計分析。
　　 5. 優化生產計劃。在網絡服務器中建立了綜合歷史數據庫，定時將生產、經營等數據存入數據庫中，制作計劃、生產完成情況的趨勢分析圖表，為今后的生產計劃提供參考；根據外運下達計劃和設備實際狀態、倉儲煤量，合理安排生產計劃、設備維修計劃，以限度地減少對生產的影響。

§4 操作員工作站
　　 根據監控子系統功能，在監控中心設置工作站,運輸系統監控工作站它們的功能有：
　　 1. 根據操作人員不同，設定不同的使用權限，各司其職；
　　 2. 提供交互式全中文界面的操作平臺，各子系統設備運行狀態及參數直觀動態顯示；
　　 3. 根據工藝流程及聯鎖關系實現各子系統的自動/手動/就地控制；
　　 4. 實時設定各種運行、生產工藝參數；
　　 5. 實時監視各子系統設備的運行參數及狀態，同時將各參數數據貯存在硬盤上，將必要的數據上傳至數據服務器；

　　 6. 實時監視各子系統傳感器的當前狀態及參數；
　　 7. 對各個設備及必要傳感器的故障狀態實時報警，報警方式為聲光報警。并且打印實時報警，同時將報警數據貯存入數據服務器，便于統一管理，以便對報警信息進行事故分析；
　　 8. 隨時查詢、打印實時趨勢以及任意時間段的歷史趨勢；
　　 9. 隨時查詢、打印任意時段歷史數據報表。

§5 工程師站
　　
　　 工程師站除具有操作員工作站的一切功能外，還具有如下功能。
　　 1. 根據工藝的調整在線修改控制器程序，以適 應新工藝的需要；
　　 2. 將監控系統中有關數據進行轉換，進入全礦的信息管理系統中；
　　 3. 設置彩色打印機，打印實時的彩色畫面及彩色的趨勢圖；
　　 4. 當某個子系統的操作員工作站發生故障時，可以馬上通過設定操作人員權限，將工程師站轉換成為該子系統的操作員工作站。
　　

§6 皮帶運輸監控系統
　　 本系統由運輸皮帶機、給煤機等基本設備組成，利用控制設備、通訊模塊、打滑、堆料、超溫、煙霧、縱撕、滅塵、速度、跑偏、煤位等保護,達到皮帶機集中控制與監測系統的要求。
　　 系統采用多臺PLC組成數據傳輸網絡，達到不同的規模控制。完成系統內皮帶，給煤機的全工作過程的監控、監測、連同地面中控室，構成一個完善的監控系統。
　　 1） 實現膠帶機運輸系統集中監控，實時監控設備狀態和運行參數，并顯示數據曲線，對重要信息在硬盤記錄；
　　 2） 控制方式分集控自動/集控手動/就地，三種方式可轉換。正常生產時，使用集控自動方式，設備按工藝要求的順序和流程由控制臺自動啟停；集控手動時，可在控制臺操作各設備，無閉鎖和聯動關系；就地時，在現場操作；
　　 3） 啟動設備前由集控臺發預告信號，預告30秒后，若現場均滿足集控自動啟動條件，設備按順序自動啟動。現場可用停車鈕停止啟動過程；
　　 4） 現場信號箱設起/停車按鈕，現場可隨時停車。若設備由集控啟動，控制系統接到現場停車停號后，可作急停處理，實施故障停車操作；
　　 5） 按“技術規定”膠帶運輸機裝設拉線開關、跑偏保護、低速保護等，這些信號均接入集控系統，參加設備的緊急停車和閉鎖停車；
　　 6） 對設備故障和工藝參數的異常實時報警，并進行聲光提示。一般故障只報警，現場非正常停車或嚴重故障時，故障設備及其上游設備緊急停車，下游設備順煤流延時閉鎖停車。
　　
　　 6.1 系統的主要功能
　　 1. 每臺設備機頭旁均設有就地操作控制箱，上有工作方式轉換開關及就地起停鈕；
　　 2. 所有膠帶機上的給煤點均設置堆煤保護和縱向撕裂保護，以防止膠帶機事故的擴大化；
　　 3. 所有膠帶機均設有兩極跑偏開關，每隔約50米設置一對跑偏開關，一級跑偏用于故障報警，二級跑偏用于故障停車；
　　 4. 所有膠帶運輸機，均設拉線開關，用于緊急情況下的停車，急停拉線開關的安裝間距均確定按50米進行配置，并可擴展下皮帶的跑偏保護，以保證設備和人身安全；
　　 5. 擴音電話采用新型的選撥電話系統，安裝間距確定按200米進行配置；
　　 6. 水平膠帶機的拉緊裝置為液壓調節方式，開誠提供一套膠帶機的松帶檢測傳感器，由PLC控制完成膠帶機的張力自動調節功能；
　　 7. 在皮帶機頭設置堆煤傳感器，防止皮帶的堆煤事故的發生；
　　 8. 在皮帶機設置皮帶速度傳感器，以檢測皮帶的超速及打滑事故的發生；
　　 9. 在皮帶巷道設置煙霧傳感器，以檢測皮帶巷道的煙霧濃度防止火災事故的發生；
　　 10. 在皮帶機的主滾筒設置溫度傳感器，隨時檢測滾筒的溫度，并配備自動撒水裝置，在滾筒超溫時實現自動撒水并對主滾筒進行降溫；
　　 11. 膠帶運輸機每隔約100米設起動預警裝置，設備啟動前發出預警信號，提示有關人員應立即遠離設備；
　　 12.電機的電流實時監測功能可發現一些機械設備的潛在故障隱患；運行中對電機的電流進行實時監測分析，當發生電流超限或突變時報警，嚴重時停機。
　　 13.實現對給煤機與皮帶的閉鎖，實現與以前皮帶的閉鎖功能，具有自動、手動、檢修等控制方式；
　　 14.在軟件與硬件上開發了*的矩陣控制功能，節省主電纜的開支；
　　 15.自控系統在性能上具有良好的抗濕熱性、抗干擾性，在結構上滿足在井下條件能夠迅速檢修或更換元器件，根據煤礦井下的現場環境，控制箱采用不銹鋼結構，其他采用防腐措施；
　　 16.可根據膠帶機系統的故障性質，進行緊急停機、順序停機或發出報警聲光信號；
　　 17.在集中操作臺上能集中顯示膠帶機的工作狀態、故障類型、故障地點；
　　 18.隔爆軟啟動器或隔爆變頻器納入監控；
　　 19.多種操作方式。控制方式有：集中聯動、集中手動、就地聯動、就地手動、禁起等方式，使系統操作靈活、可靠。在集中方式，所有設備由集控室操作員通過上位機操作；
　　 20.多種流程選擇。在聯動方式下，可根據工藝選擇運輸流程， 膠帶啟動按順煤流方向，并根據膠帶速度、長度延時開車，以減少運行時間；重載啟動時，按逆煤流方向啟動；系統停止或無煤時延時自動停車；
　　 21.完善的信息處理功能，報警信息、運行參數、操作記錄等信息自動形成標準格式的數據庫文件，并在硬盤長期保存，供信息系統調用；
　　 22.實現系統集中監控，生產數據微機化管理
　　 1)界面直觀友好，操作簡便，功能齊全。有形象逼真的動態畫面和全中文顯示，還具有實時報警監視、安全確認機制和數據記錄功能。對操作員素質無特殊要求，培訓簡單；
　　 2)對報警信息和重要運行參數在硬盤記錄，數據表格和曲線可隨時調出；
　　 3)生產數據存入計算機硬盤，可由管理信息系統按需調用。
　　
　　 6.2 可實現自動化控制系統與生產管理系統數據共享
　　 計算機管理工作站設信息管理系統，決策者通過管理工作站可根據各自權限遠程訪問監控上位機，得到現場生產數據報表、設備管理信息和生產統計分析。
　　
　　 6.3 具有故障自診斷功能
　　 1. 網絡故障自診斷。當網絡由于發生斷線、干擾等傳輸問題時， 網絡會自動偵測到，并發出報警；
　　 2. PLC故障自診斷。PLC的掃描器和適配器發生故障時，系統會通過網絡的通訊情況判斷故障，并發出報警；PLC的I/O模塊發生故障時，CPU會通過I/O模塊的狀態位偵測到故障及故障內容，系統會發出報警；
　　 3. 傳感器和信號線故障診斷。模擬量的傳感器或信號線發生斷線故障時，PLC通過測量值判斷故障并發出報警。
　　
　　 6.4 維護方便
　　 1. I/O模塊采用可拆卸端子排，出現故障時，集控室發出聲光報警，可在幾分鐘之內即可更換完畢；
　　 2. 系統擴展方便，增加新設備或上后期工程，可以方便地加入節點，并可通過網絡在線修改程序；
　　 3. 系統具有自診斷功能，能及時報告故障時間、位置、類型等信息，更便于維護。
　　
　　 6.5 集控系統的特點
　　 本集控系統具有以下幾方面特點：
　　 1. 選用*的控制器，系統的實時性好，可靠性高，數據處理速度快；
　　 2. 采用全分布式控制結構，系統具有較高的安全性。當地面部分出現控制故障時，井下部分仍可實現集控運行；
　　 3. 通訊網絡速度快，距離遠，可靠性高；
　　 4. 界面直觀友好，操作簡便，功能齊全。人機界面不僅具有形象逼真的動態畫面和全中文顯示，還具有實時報警監視、安全確認機制和數據記錄功能；
　　 5. 減少布線成本，由于采用遠距離通訊網絡，使布線更加方便，并大大減少電纜用量；
　　 6. 維護方便，運行費用低。系統擴展方便，可隨時增加節點，并可通過網絡由中控室在線修 改程序。控制器和網絡可靠性高，維護工作量小；
　　 7. 總結各礦膠帶運輸系統的經驗教訓，特別采取了增加設備可靠性的措施，如選用*可靠的控制器和網絡產品。