基于PLC的选煤厂自动监控系统

张国强

（华晋焦煤有限责任公司王家岭选煤厂，山西 运城 043300）

基于PLC的选煤厂自动监控系统

张国强

（华晋焦煤有限责任公司王家岭选煤厂，山西 运城 043300）

以王家岭选煤厂设备为研究对象，介绍施耐德Quantum系列PLC结合上位机软件构成的洗煤厂监控系统，阐述了控制的结构和控制方式，具有结构稳定、可靠性高、使用方便灵活等优点，是一套值得推广应用的选煤厂自动化系统。

PLC；监控系统；选煤厂；组态

近几年来，随着我国洗煤行业的技术改造，选煤厂的生产自动化程度越来越高，自动监控系统得到广泛应用。新建的王家岭选煤厂遵循高起点、高标准、现代化、高效率的指导思想设计。对于设计能力为600万t/a的王家岭炼焦型选煤厂来说，必须要求整个选煤厂的自动监控系统具有较高的自动化程度和高可靠性。要求监控系统须能准确地监视现场工艺数据和设备运行状态、实时迅速地控制生产过程，还要求上位机具有强大的实用功能和友好的交互界面，可在简单操作的基础上优化生产过程，以提高企业的生产管理水平、充分利用有效资源、提高生产效率，提高用户收益。

1 选煤厂监控系统的结构设计

1.1 系统结构

根据设备的工艺布置及工艺流程特点，王家岭选煤厂监制系统分为八个子系统：原煤仓上子系统、原煤仓下子系统、原煤准备子系统、尾煤压滤子系统、主选子系统、浓缩子系统、产品仓上子系统、产品仓下子系统。整个系统采用模块化的分布式网络结构；整个PLC监制系统的结构自上而下共分为三个层次：管理层、控制层、设备层；各层之间结构清晰，易于组网、系统集成、维护修理，是现在大型工业控制网络的典型结构。管理层由3台工业控制计算机配置上位机软件组成；控制层由施耐德Quantum系列PLC及其I/O模块组成；设备层由传感器、电机、电/气动阀、变频器等执行机构组成。控制层是整个系统的核心，采用主从站方式的工业现场总线分布式网络结构，设有1个主站和9个分站，其中7个分站全用施奈德的RIO总线与主站通讯。根据工艺和实际要求；原煤仓上分站各为独立系统，不与本系统的主站通讯，原煤仓上分站采用西门子PLC系列硬件自成系统，通过Profibus总线纳入到矿井的控制系统中；产品仓下分站采用AB PLC系列硬件自成系统，通过ControNet总线纳入到装车站控制系统中。整个系统的网络结构见图1。

图1 王家岭选煤厂PLC控制系统网络结构

1.2 管理层

管理层用来实现企业的信息化管理，实现整个生产过程的实时监控、数据管理、数据分析、报表打印等。

1）管理层的硬件配置：采用各自配有24吋液晶显示器的3台高可靠性研华工业型计算机，每台各有10/100M以太网卡，结合以太网交换机与下位机进行以太网通讯连接；3台工控机各有A4激光打印机。另外配置两台联想扬天AV8000计算机作为辅助办公管理设备，专门用于文档管理。管理层上位机的电源按照双回路设计，每个回路电源的来源相对独立。由一台UPS供电，它在满负荷时可以提供停电后两小时的供电时间，更加保证系统的可靠性。

2）管理层的软件系统：上位机软件系统采用GE公司iFix v4.5平台，它是一套可实现现场数据采集、生产过程可视化、具有过程监控功能的高性能的工业自动化平台，是结合下位机对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大特点是灵活多样的“组态方式”（而不是编程方式）进行系统集成，并提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设的各软件模块进行简单“组态”，便可很容易地实现和完成监控的各项功能，缩短了自动化工程师进行系统集成的时间，大大提高了系统集成效率。它与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可达到集中管理和监控的目的，该软件还提供了方便的软、硬件接口，用来与“第三方”的软、硬件系统进行集成。

上位机中的应用程序是在iFix v4.5平台上自行二次开发的系统组态及控制程序，通过该程序，系统可很好地与下位机进行通讯，能对现场各设备的运行参数和状态实时地监视，并可对其启停控制；同时，还对现场的各种工况数据（包括压力、液位、灰分、温度、密度、带煤量的累积值等模拟量数据）进行动态实时显示。该组态程序还集成了系统动态可视化的生产工艺流程；还有实时报表、历史报表、趋势曲线、报警记录等功能，并对各工艺参数进行制表、打印，实现了生产过程科学管理的目的。

该系统支持全面的报警监测管理工具，当出现异常状况时，可为操作员提供及时的、正确的报警提示（包括闪光报警和语音报警）。每一个点都可被分配以一个报警优先级，报警可被自动记录，并在操作员画面上的专用报警栏和报警总貌画面中显示。

1.3 控制层

控制层是计算机监控系统的核心，一般用来完成实时数据的采集、储存、计算和回路控制、逻辑控制等。控制层在整个监控系统中完成所有实时数据的采集和控制任务，主要是由PLC实现，并通过网络向管理层的计算机传送数据，还与设备层的各类仪表或执行机构进行通讯。控制层要求有高的可靠性、高的运算速度及数据处理速度，是技术最复杂的一部分。本系统的控制层设备，采用施耐德Quantum系列PLC为主要控制器，全系统构成PLC分布式系统。系统主站设在主厂房电气楼三层的集中控制室，通过远程I/O处理器连接相关的远程I/O分站，主站与分站之间采用光纤连接，支持较远距离的数据传输、具有更好的抗干扰性，以保证系统数据的准确性和实时性。

1）控制层的硬件配置：选用施奈德140系列PLC模块集成为控制层的硬件系统，其核心处理器-CPU模块为140 CPU65160，具有1个Modbus（RS-232/RS-485）、1个Modbus Plus（RS-485）、1个USB、1个以太网接口，并有2 M容量的RAM存储器，时钟速度达266MHz。与之配套的I/O模块配置如下：数字量输入模块为140DAI75300，配电电压为AC220V，输入点数为32（4组x8点）单独隔离。数字量输出模块为140DRA84000，输出点数为16路输出（常开）继电器型，该模块可直接驱动直流继电器线圈，利用继电器与外部电路进行信号隔离，从而减少外部故障波及到模块内部，提高了模块通道的使用寿命，提高了系统的稳定性和可靠性。模拟量输入模块为140ACI04000，输入信号为4 mA～20mA，16个通道输入。模拟量输出模块型号为140ACO13000，输出信号为4mA～20mA，8通道输出。

该系统的硬件配置中，还有很重要的部件：对现场功率大于55 kW的电机，都添加了施奈德Tesys T系列电机综合保护器，它使现场设备的运行稳定性得到了进一步提高。TeSysT是施耐德电气推出的真正的“智能化设备”，以其强大的功能、卓越的品质，能对电机起动进行集中、优化、高效的控制，对电机可以进行热过载、过/欠电流、起动时间过长/堵转、接地故障、以及电压、功率、功率因数等全方位的保护，有效地减少非正常停机时间，为馈电和过程控制系统提供了数据采集和监视操作、服务、诊断等功能，不仅提升系统的可用性，也可提升维护的方便性。

TeSys T通过profibus通讯协议接入到主站的profibus通讯模块（PTQ-PDPMV1），该模块作为一个网关在profibus 网络和Unity 或Quantum处理器间交换数据，通过这个模块可以把电机的运行状态和参数上传到PLC主站，进行上传至上位机进行数据监控。

2）控制层的软件系统

采用施奈德Unity Pro V4.0 XL集成开发环境，该软件可用于施耐德电气的Premium，Atrium，M340和Quantum PLC硬件平台，对用户的开放程度很高，并对企业中不同软件的协同能力更好。作为下位机硬件组态和软件编程的开发工具，在系统试验阶段也可作为系统各模块在线监控与测试的工具，并可用于系统设计后期的在线调试和系统维护时的故障定位检测。

1.4 设备层

1）设备层是数据的直接提供和接受单元。设备层的设备包括：各类传感器、差压变送器、电/气动调节阀、以及其他诸如变频器等辅助设备。

2）现场的模拟量数据通过传感器直接测量后，经过传感器本身的信号调理转换成4-20mA的电流信号，接入到系统的模拟量输入模块通道，通过程序运算与转换，以工程量的形式显示在上位机显示器上，供用户使用。

3）系统中所使用的变频器全用施奈德公司ATV71系列，特别适用于工矿企业等恶劣使用环境下的电机驱动，采用V/F控制方式，过载保护功能强，性能可靠，经济实用，具有优良的性能价格比。使用变频器可对现场设备进行无级调速，有效控制过程控制量。电/气动调节阀也是现场使用较多的调节机构，通过PLC模拟量输出，可进行开度调节，以满足工艺要求的调节量。

2 系统控制功能及原理

2.1 信号输入输出与模拟量测量

系统对现场所有设备运行状态几乎都要实时检测，根据系统程序对现场设备进行了控制输出，并对现场所有的模拟量进行了实时、准确测量。系统所检测的输入状态量有：各设备的上电、运行、故障、远控/就地等配电信号，以及变频器运行/故障信号、皮带的各类保护信号；输出状态量有：设备的起动控制、气动调节阀的开/关控制、变频器的启停、系统起动预警、皮带机和刮板机的起车预警等。模拟量输入有：原煤仓/产品仓料位、主厂房料桶的液位，带式输送机的输送煤量，带式输送机上灰份含量，重介悬浮液密度，重介系统旋流器入料压力，浮选入料管路、清水入厂管路、TBS总水管上的流量，高压配电柜电功，低压配电柜的电压、电流、有功等参数。

2.2 顺序控制功能

全厂设备将以三种模式运行：顺序控制、单机集中控制、单机就地控制。当用顺序控制模式时，所有设备的启停由计算机监控系统，根据工艺顺序、联锁逻辑关系、设备特性统一安排，自动完成起停车。当用单机集中控制模式时，设备由操作员在操作员站上进行手动启停。当设备需要维护检修时，可转为单机就地控制模式，此模式只用于设备检修，设备之间无联锁要求。以顺序控制、单机集中控制模式进行控制时，控制系统提供设备的联锁保护。无论在哪种操作模式下，设备的起动都是由PLC控制输出的。设备的起车过程，原则上按逆煤流方向进行；停车过程，按照顺煤流方向进行；凡因存料可能造成设备跑料、跑水使车间环境恶化的设备，除本台设备故障可立即停车外，凡其它设备故障引起设备间闭锁停车时，则上述设备不立即停车，而按一定延时停车。

2.3 PID自动调节功能

监控系统通过PLC程序可以为PID回路提供最为稳定的控制。过程变量的波动被控制在小于设定值0.5%的范围内。所有回路的PID调节控制分自动和手动两种模式，可随时切换。

本系统中涉及到主要PID回路控制如下：

1）比重自动控制：全厂有4套比重自动控制系统，在合格介质泵出口安装密度计，检测合格介质密度，输入PLC的PID控制模块，与设定密度值比较，其差值转换为电信号反馈给合格介质泵入口加水阀（气自动蝶阀）信号接收端，调节加清水量，达到控制合格介质泵出口介质密度的稳定。

2）桶位自动控制：对重介和粗煤泥系统的合格介质桶、稀介桶、煤泥水桶等都进行了PID闭环控制，系统采用压力变送器测量桶底部压力，转换为桶位信号输入PLC的PID控制模块，与设定液位值比较，其差值转换为电信号反馈给桶上部的加水阀或分水阀信号接收端，调节加清水量或分流量，达到控制各桶位的稳定。

3）旋流器入料压力自动控制：系统还对重介旋流器、分级旋流器的入料压力进行了PID调节，采用压力变送器测量旋流器的入料压力，与设定压力值比较，其差值转换为电信号反馈给入料泵变频器的信号接收端，调节泵的运行频率即入料量，达到控制压力的稳定。

2.4 保护和故障报警

为了保证系统运行的可靠性，设置了如下保护措施：55 kW以上的高、低压电动机设电流监视保护，185kW及以上高低压电动机设电机定子以及轴承温度保护。所有带式输送机设置机头堵料保护、两级跑偏开关、拉绳开关、低速打滑保护装置。长度超过100 m的带式输送机设防纵撕保护和烟雾保护，并进入集控系统PLC监测控制。所有刮板输送机均设有欠速保护。对变压器设瓦斯、温度保护。所有料仓均设有仓满报警装置。

该系统还具有故障自诊断功能，当被控对象中的工艺参数(包括开关量和模拟量)或设备发生异常时，系统将通过指示灯和声音进行报警，在上位机报警记录中还记录故障发生的时间、来源、恢复时间等详细报警信息，用以提示和提醒操作人员进行及时处理。

3 结束语

上述的设计提高了选煤厂各车间的自动化程度，降低了劳动强度，节省了劳动力，使生产操作过程在可视化的基础上，实现了数据实时采集和数据准确监控。该系统优化了生产过程，方便了生产管理，提高了生产管理水平，提高了经济效益，是一套非常值得推广的选煤厂自动监控系统。

[1]施耐德.Unity Pro编程手册（中文）[Z].北京：Schneider-施耐德电气（中国）投资有限公司，2007.

[2]施奈德.电气可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]王兆宇.施奈德电气变频器原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

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[5]甄成刚，衡军山.基于RS-485总线的物流输送监控系统[J].制造业自动化，2005，27（5）:58-60.

PLC Automatic Control System in Coal Preparation Plant

ZHANG Guo-qiang
(Wangjialing Coal Preparation Plant,Huajin Coking Coal Co.,Yuncheng Shanxi 043300)

The paper takes the equipments of Wangjialing Coal Preparation Plant as research subjects,introduces its control system composed by PLC upper computer software of Schneider Quantum Series,and presents the control structure and modes.With its stable structure,high reliability and flexible utilization,the system is worth application and popularization.

PLC;control system;coal preparation plant;configuration

TD928.9

A

1672-5050（2010）10-0066-04

2010-08-12

张国强（1964—），男，山西交城人，本科，工程师，从事选煤厂机电管理工作。

刘新光