PLC在榆林煤矿输煤系统中的应用

李娟 张玉杰

(西安电力高等专科学校1,陕西 西安 710032;陕西科技大学电信学院2,陕西 西安 710021)

PLC在榆林煤矿输煤系统中的应用

李娟1张玉杰2

(西安电力高等专科学校1,陕西 西安 710032;陕西科技大学电信学院2,陕西 西安 710021)

针对煤矿输煤系统设备多、位置分散、设备之间连锁关系复杂、设备运行环境恶劣等特点,采用PLC控制输煤系统可以有效地解决这些问题。为了提高系统的可靠性,采用双网双冗余的网络方式,并辅以IFIX组态软件实现上位机的在线监控。实践表明,该方法提高了系统的可靠性,保障了皮带运输机有序、稳定运行,提高了工作效率,降低了运行维护成本。

PLC 输煤 程控系统 冗余 组态软件

0 引言

陕西榆林某企业的原输煤系统采用常规的继电器、接触器搭建,对于皮带运行中的事故或者意外无法在线监控[1-2]。工人们通过开动皮带运输机及取煤机来输送煤,经常出现皮带跑偏、皮带撕裂和落煤管堵塞等问题,且问题很难在第一时间排除[3]。因此对输煤系统进行改造就变成了亟待解决的问题。

本文研究了基于西门子S7-300 PLC的输煤系统。为了提高系统的可靠性,采用双网双冗余的网络方式。实践证明该方法提高了工作效率,降低了维护成本。

1 系统简介

输煤程控系统的任务就是将汽车或火车运来的煤输送到煤场和煤仓,场外运输来的煤由卸煤机卸下,由煤斗进入皮带输送机,在转运站内进行筛选、除去铁等其他杂物后,再由碎煤机破碎成小煤块。然后由皮带输送机经输煤栈桥一直送往锅炉房内,最后用犁煤器将原煤分配给各个原煤仓。来煤卸下后也可以直接送往煤场,在需要时由皮带输送机送往锅炉的原煤仓。输煤程控系统一般包括卸煤系统、堆煤系统、上煤系统和配煤系统四个部分。它是保证煤化工企业安全可靠生产和运行的重要系统,是煤化工企业的重要支撑系统[4]。

2 PLC控制系统结构

2.1 硬件结构

整个煤矿输煤程控系统分为上位监控层和下位监控层[5],其中PLC通过I/O对整个输煤系统中的设备进行数据采集和控制,并通过上位机对系统设备发出控制指令,同时系统中的设备运行的状况将直观显示在上位机上。整个系统基于冗余的工业以太网,网络采用1 000 Mbit/s工业以太网光缆,采用双缆冗余结构。当网络中某一段光缆线路出现故障时,网络能够自动重新配置并继续通信,同时在此过程中不会造成数据的丢失或数据的变化。具体物理拓扑结构图如图1所示。系统设置为两台互为热备用的上位机,如果其中一台发生故障时,另外一台上位机将担负起监控和系统管理的任务。上位机通过工业组态软件在CRT显示器上显示现场设备的状态和操作画面,满足生产过程的控制、监控、报警、显示、管理和数据库管理等功能。另外,在控制室的上位机操作台设置紧急停止按钮,以便一旦发生紧急事件时紧急停止设备。

图1 输煤系统网络拓扑图Fig.1 Network topology of the coal handling system

硬件选择西门子S7-300系列PLC产品,CPU选择具有带从站功能的CPU315-2 DP,控制室设置一台CPU控制柜,就地翻车机室、1#转运站、2#转运站、碎煤机室和煤仓间分别设置一台远程I/O站。远程I/O是PLC的一部分,它安装在远离主机的远程站内,通过Profibus总线和主控室I/O处理器进行通信。远程I/O处理器支持双根(冗余)电缆,采用两根电缆同时传送数据。使用中只采用第一根电缆的数据,但对两根电缆的通信数据做检验。面板上的指示灯显示各路通信的状况。

2.2 软件构成

输煤系统启动流程如图2所示。

图2 输煤系统启动流程图Fig.2 Startup flowchart of the coal handling system

本系统程序实现控制各个设备联锁启动、联锁停止、故障捕捉、故障停机以及紧急状况停机等功能。系统首先判断设备是否有打滑、跑偏等故障。如有故障,系统将不允许启动;如果没有故障,系统可以启动,但首先要响预警铃,这样整个系统才能启动。

编程主要涉及的设备有带式输送机、碎煤机、三通挡板、三工位、斗轮机、滚轴筛和犁煤器等几十种,采集信号有拉绳、跑偏、撕裂、烟感、堆煤、打滑、温度、电机启动停止、电机过载、主电机轴温等信号。根据采集信号和控制工艺的要求,编辑PLC程序,使得设备正确启停并在发生故障时发出警报。

胶带机需要启动时,在监控到皮带沿线各设备已经具备启动条件之后,系统首先必须进行皮带运行预警,预警提示现场的工作人员马上到达安全区域;否则,现场的施工人员就必须立刻到就近的拉绳开关位置,立刻拉下拉绳开关,系统就不会启动。该方式可确保人身设备安全。

3 PLC程控系统

3.1 输煤控制要求

输煤程控系统的设备启动和停止需要按照一定的顺序启动和停止,在编写程序是也必须按照这个要求编辑PLC程序,具体要求如下。

①输煤设备必须按照逆煤流方向启动、顺煤流方向停止,也就是说,启动时必须先启动上仓皮带,停机时先停止主斜井皮带。因为有煤逆启动可以有效地躲避启动峰值电流,而无煤时顺启可以有效地缩短空载时间,减少无效运行磨损以及节省电能等[5-6]。在程控启动过程当中,如果有任意一台设备不能按要求启动,则按照逆煤流方向以后的其他设备都不能启动,并且要发出报警提醒操作人员。在系统正常运行过程中,如果某设备由于故障发生了停机,则按照顺煤流方向,此设备以后的设备也要停机。

②系统中需要监控的设备的各种状态都必须能准确地传送到控制室的上位机,并能在上位画面中明确地显示出来。当设备发生故障时,上位机能发出声光报警,以便操作人员能及时地通知相关的人员进行处理。

③在系统停止过程当中,当上位机发出胶带机停机指令时,必须要延时处理(这个时间视皮带的长度而定)之后PLC才能输出停机指令,以保证皮带上没有剩余的煤。紧急停机方式适用于紧急情况下立即停止系统中所有的设备,防止造成不必要的损失,这种方式在正常情况下不宜使用。

④系统编程中的控制方式一定要分为自动、手动和就地控制方式。就地控制方式是在就地控制柜上操作,不经过PLC,一般不作为正常的设备运行控制方式。手动方式是一种在上位机操作画面中进行远程操作的控制方式,它可以是设备单个启停的解锁手动,也可以是按照一定条件联锁的手动方式。自动方式需要在PLC编程时按照整个系统的工艺控制要求编写程序,设备按照一定顺序依次启动、运行、停止。一般情况下,系统都在自动方式下运行。

3.2 甲侧皮带机逻辑连锁关系

现以甲侧皮带为例说明其连锁关系,乙侧皮带的启停类似。当皮带启动时,启动条件为2#甲皮带已运行且1#甲三通A通,或者2#乙皮带已运行且1#甲三通B通。当1#甲叶轮给煤机A、B都已停止时,停止皮带。另外,当某些设备发生故障或者发生以下任一情况时,皮带也必须停止。

①2#甲皮带已停止且1#甲三通的A通或者B通;

②1#甲皮带机打滑(延时30 s)、跑偏(延时10 s)、拉绳或者撕裂;

③1#甲皮带电动机温度超温;

④1#甲皮带三通堵煤且2 s后信号依然存在;⑤1#甲三通的A通信号消失或B通信号消失;

以上任一一个情况产生都会停止皮带,这种条件叫做连锁停止条件。

3.3 其他设备

三通挡板的控制一般是要求在主设备运行之前导到位,当挡板信号消失时,对应的皮带输送机就需要停止。另外,当三通挡板在导通时发生故障或者过力矩,对应的皮带输送机也不能启动。

三工位的控制是当3#皮带堆煤时要伸长到长位,取煤时根据4#皮带决定是伸长或缩短到中位或者短位。当三工位的长、中、短位同时发出或者过力矩信号发出后,三工位需要停止。

除铁器、入炉采样装置、除杂物装置和链码校验仪等设备的控制一般是对应的皮带输送机启动后启动,当本设备故障或对应的皮带输送机停止时停止。

3.4 特别设置

为了使输煤程控系统良好地运行,根据我们在实际调试的经验,还需要设置一些特殊的功能画面或者按钮。

①打滑解锁

在输煤系统实际运行过程中,尤其到冬季,由于北方的天气非常寒冷,皮带输送机在刚启动时皮带很容易打滑,所以在程序编写时就有必要把皮带打滑信号延时5 s(这个时间根据现场的实际情况确定)后输出。另外,当打滑信号传感器故障或者打滑信号无法消失时,我们就很有必要增加一个打滑的解锁按钮,暂时解除打滑信号。当皮带运行正常后,解除打滑解锁信号。

②挡板解锁

在调试过程中,我们发现皮带三通挡板和滚轴筛筛面挡板运行一段时间后会松动,导致挡板位置信号的消失,以至于影响系统的正常上煤。所以,有必要设置挡板解锁按钮,临时解除程序中挡板位置信号,使得系统正常运行。

③跑偏解锁和拉绳解锁

跑偏解锁按钮和拉绳解锁按钮是当跑偏的传感器故障或者安装位置不正确时使用,每一个跑偏信号和拉绳信号需要设置一个跑偏解锁和拉绳解锁。

3.5 其他问题

为了保证整个输煤程控系统可靠运行,我们除了采用上位机和PLC双机热备外,还必须考虑采取一些能使系统更可靠的措施。具体措施如下。

①I/O模块(如DI、DO、AI和AO等模块)要有20%的备用通道;I/O远程子站采用冗余总线;以太网采用冗余的网络;程控系统的电源引入采用两路独立的电源,两路电源能自动切换。

②考虑到现场环境的复杂性,所有的DI信号用中间继电器隔离,AI信号用专用信号隔离器隔离。因为输煤现场环境恶劣,有必要增加它的抗干扰能力。由于远距离传输产生了较高的感应电压,误传信号的同时也可能损坏PLC构建模块,所以在设备和PLC模块传输时可以采用继电器隔离,有效地减少干扰信号[7]。

③输煤系统运行环境十分恶劣,电气接线和继电器经常由于湿热的高粉尘环境发生故障,在高压动力传送数据时也会因为较高的感应电压误传信号。所以应当尽量缩短电缆敷设的距离,尽量减少使用多信号来干扰输煤控制系统的稳定运行[7]。

3.6 上位机管理

输煤程控系统用上位计算机实现控制室集中监控,控制人员通过人机操作界面直观地进行历史数据的采集以及远程终端输煤设备的控制,同时可以将采集和处理的信息进行打印和输出,方便日后的研究与参考[8]。这些功能的实现都是通过组态软件来实现的,输煤程控系统中组态软件选用IFIX 5.0。IFIX可以精确地监视、控制生产过程,并优化生产设备和企业资源管理[9-10]。上位机的应用不再需要传统的操作盘和模拟屏,这大大节省了控制室的空间。另外,显示画面的直观性和灵活的可修改性,提高了整个系统的适应性。

4 结束语

PLC自动控制系统在煤炭输煤系统中的应用,对提高输煤系统的可靠性、稳定性、操作运行的简便性有着重要意义;同时对减少岗位人员的劳动强度,提高输煤过程的运行管理、节能管理和降低维护成本等同样具有非常重要的意义。整个输煤系统运行稳定、可靠,维护方便,在陕西榆林某煤矿得到了很好的应用。

[1] 朱宝山.基于PLC火电站输煤系统设计[D].成都:电子科技大学,2012.

[2] 刘洋,钟伟峰.DCS集散控制系统在祁南煤矿中的应用[J].煤炭技术,2011,30(6):60-61.

[3] 王彦军,庞之浩,方忠厚.基于PLC的煤矿输煤控制系统设计[J]河南科学,2012,30(5):597-599.

[4] 柏正祥.西门子S7-300 PLC与WinCC6.0组态技术在输煤自动控制系统中的应用[J].电气应用,2013(7):64-66.

[5] 李宏川,李诗峰,王晶芝.PLC控制系统在干法烟气脱硫系统中的应用[J].自动化仪表,2010,31(6):48-50.

[6] 关玉琴.基于PLC的煤矿输煤设备控制研究[J].煤炭技术, 2013,32(4):1-3.

[7] 施俏春.PLC控制系统在煤炭化工自动化中的应用探析[J].煤炭技术,2012(12):233-235.

[8] 杨春生.煤矿液压机械系统的故障诊断[J].煤炭技术,2011(6): 26-27.

[9] 杨新丽,杜斌.IFIX自动化物流监控系统的设计及实现[J].自动化仪表,2013,34(9):26-29.

[10] 詹成军,丘纪燕.PLC在电厂输煤系统中的应用[J].机械工程与自动化,2006(5):119-121.

Application of PLC in Coal Handling System of Yulin Coalmine

Considering the particularity of the coal handling system,such as numerous and dispersed equipment with complex linkage relationship,and harsh operational environment,etc.,to effectively solve these problems,PLC is adopted for the coal handling system.In order to improve the reliability of the system,the dual redundant network method is used;and the online monitoring is realized with IFIX configuration software in host computer.The practice shows that this method improves the reliability of the system;ensures the belt conveyors working orderly and stably,and enhances the operating efficiency,reduces operation and maintenance costs.

PLC Coal handling Programmable control system Redundant Configuration software

TP273

A

陕西省西安市科技基金资助项目(编号:CX1259(2))。

修改稿收到日期:2014-04-18。

李娟(1978-),女,2007年毕业于西安科技大学控制理论与控制工程专业,获硕士学位,讲师;主要从事电厂热工仪表检修、热工自动控制及集散控制方面的研究。