全集成自动化软、硬件在矿山企业的应用和思考

邱永红

（白银有色集团股份有限公司深部矿业公司，甘肃 白银730900）

虽然智能化、自动化在现代矿业生产中的应用已不是新生事物，但在我国绝大多数矿山，尤其是已经开发十几年以上的老矿山，要实现智能化、自动化生产还是任重道远，这些企业面临的困难无非是基础设施距离实现自动化差距大，系统改造需要较长时间和大量经费。对于这些老矿山而言，只能选取单个系统实现自动化，然后以点带面，再逐个系统实现自动化，然后全网合并，从而实现真正意义上的智能化、自动化。本文以矿山高位水池上水的远程集控自动化为实例，阐明如何利用全集成自动化软、硬件系统来实现智能化、自动化的目的。

1 布局和组网

图1 高位水池上水控制系统硬件连接图

在监视控制与数据采集系统中，上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC/主机，其屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是指直接控制设备、获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机，它连续读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。本实例是一个高位水池上水的控制系统，涉及高位水池、加压泵房、大楼泵房三地，相距较远，且高位水池位于山顶，故除在三地均架设无线网桥外，于半山腰尚增设一处无线网桥作为中继。同时为避免长距离敷设电源，采用太阳能电池板为半山腰无线网桥供电。其余控制设备、采集设备就近连接，见图1。

2 开发流程

博途是西门子公司发布的一款全新的全集成自动化软件。它是业内首个采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，几乎适用于所有自动化任务。借助该全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。

打开软件后，在博途视图中，其开发流程大致分为五步：

（1）设备和网络：组态设备。

（2）PLC编程：创建PLC程序。

（3）运动控制&技术：组态工艺对象。

（4）可视化：组态HMI画面。

（5）在线与诊断。

2.1 组态设备

设置自动化系统需要对各硬件组件进行组态、分配参数和互连。可在设备和网络视图中执行这些操作。自动化系统启动时，CPU会比较软件的预设组态与系统的实际组态。如此将检测可能的错误并直接进行报告。

2.1.1 添加S7-1200 CPU，用于创建PLC程序

在项目树中，双击“添加新设备”，单击“控制器”，双击“SIMATIC S7-1200”将其展开，双击“CPU”将其展开，双击“CPU 1212C DC/DC/Rly”将其展开，单击“6ES7 212-1HE40-0XB0”，版本依实际选择为V4.2，确定。双击其以太网接口，在IP协议中，更改IP地址为PLC实际的IP地址。

2.1.2 添加PC工作站，用于组态HMI画面

在项目树中，双击“添加新设备”，单击“PC系统”，双击“SIMATIC HMI应用软件”将其展开，单击“WinCC RT Advanced”，版本依实际选择为15.0.0.0，确定。在硬件目录中，双击“通讯模块”将其展开，双击“PROFINE T/E thernet”将其展开，单击“常规IE”，将其拖曳到右侧的蓝色方框中。双击其以太网接口，在IP协议中，更改IP地址为主机实际的IP地址。

获取主机实际的IP地址的方法如下：

在任务栏单击网络图标，单击“打开网络和共享中心”，单击“本地连接，单击“详细信息”，在IPv4地址一栏中，可看到主机实际的IP地址。

2.1.3 连接S7-1200 CPU和PC工作站

在项目树中，双击“设备和网络”，拖曳连接两者的以太网接口。

2.2 创建PLC程序

在项目树中，双击“PLC_1[CPU 1212C DC/DC/Rly]”将其展开，双击“程序块”将其展开，双击“Main[OB1]”，利用指令编辑高位水池上水控制的梯形图。

其中基本指令包括：位逻辑运算、定时器操作、比较操作、数学函数、移动操作、转换操作等11类。仅以“延时接通”指令为例进行介绍，见图2。

当输入IN的逻辑运算结果(RLO)从“0”变为“1”（信号上升沿）时，启动该指令。指令启动时，预设的时间PT即开始计时。超出时间PT之后，输出Q的信号状态将变为“1”。只要启动输入仍为“1”，输出Q就保持置位。启动输入的信号状态从“1”变为“0”时，将复位输出Q。在启动输入检测到新的信号上升沿时，该定时器功能将再次启动。可以在ET输出查询当前的时间值。该定时器值从T#0s开始，在达到持续时间值PT后结束。只要输入IN的信号状态变为“0”，输出ET就复位。每次调用“延时接通”指令，必须将其分配给存储指令数据的IEC定时器。

图2 延时接通指令的工作原理

下面，以程序段7为例进行说明，见图3。

支路1～3是与出水压力有关的工况。在电机运行和联锁投用的状态时，支路1表示，当出水压力值在0.45Mpa～0.5Mpa之间波动时，等待40秒，若其仍不能恢复正常则停机；支路2表示，当出水压力值小于0.5Mpa或者大于1.1Mpa时，等待40秒，若其仍不能恢复正常则停机；支路3表示，当出水压力值小于0.4Mpa时，仅等待1秒，然后停机。

支路4是与电机电流有关的工况。在电机运行和联锁投用的状态时，若电机电流值小于40A或大于99A，仅等待1秒，然后停机。

支路5、6是与电机轴承温度有关的工况。在电机运行和联锁投用的状态时，若前轴承温度值大于80℃或者后轴承温度值大于75℃，立即停机。

另外，虽然采集了电机振动值、液位值和流量值，但仅在人机画面中做显示之用，未参与联锁跳停控制，后期可根据现场需要，随时加入。

图3 联锁跳停控制

2.3 组态工艺对象

这是博途的运动控制功能，可帮助用户控制步进电机和伺服电机。由于本实例不涉及，仅此提出，读者可自行研究。

2.4 组态HMI画面

在WinCC中，可以创建操作员用来控制和监视机器设备和工厂的画面。创建画面时，为用户在显示过程、创建设备图像和定义过程值方面提供支持。

在项目树中，双击“HMI_RT_1[WinCC RT Advanced]”将其展开，双击“运行系统设置”，将屏幕分辨率设置为1920×1080，双击“画面”将其展开，双击“添加新画面”，利用工具箱中的基本对象、元素和控件等编辑运行系统人机界面。见图4。

图4 运行系统人机界面

2.5 在线与诊断

2.5.1 配置PG/PC接口

如果通过不同子网连接项目的设备，则会将合适的网络访问分配到每个PG/PC接口，以建立到目标系统的在线连接。

单击“开始”，单击“控制面板”，查看方式为图标时，单击“设置PG/PC接口（32位）”，在“为使用的接口分配参数（P）”中，选择“主机网卡型号.TCPIP.1”，确定。

2.5.2 使用S7-PLCSIM进行设备仿真

可使用博途软件，在仿真环境下运行和测试项目的硬件和软件，而无需附加硬件。用户可以在一个图形用户界面来监视和更改组态。

在项目树中，单击“PLC_1[CPU 1212C DC/DC/Rly]”，单击工具栏的“开始仿真”按钮，单击“确定”，单击“下载”，单击“装载”，单击“无动作”，选择“启动模块”，单击“完成”。

在项目树中，单击“HMI_RT_1[WinCC RT Advanced]”，单击工具栏的“开始仿真”按钮，后续操作同上。

此时，弹出仿真的运行系统人机界面，见图4。用户可在其中进行模拟操作，以验证和测试项目的功能。

3 应用思考

3.1 视频监控的问题

本实例中，因现场不需要视频监控，没有采购摄像头。但组态画面时，仍利用控件中的摄像头视图预留了位置，可在以后扩展；并预留了视频监控的切换按钮，以节省主机资源。

另外，若因许可证等不可预知的原因，不能使用摄像头视图时，可以采购支持浏览器访问的网络摄像头，在WINCC画面里调用HTML浏览器，不失为一种可行的方法。

3.2 远控设备参与集成的问题

随着远程控制设备的普及，利用互联网、APP和手机，即可进行开关量的远程操作，对于一些简单设备的操作，甚至自动化控制，省去了组网的麻烦和费用。

3.3 多台设备组网的问题

在已组网的范围内，应积极考虑用一台主机对多台小型设备集中控制，以充分利用软、硬件资源。

4 结语

本次高位水池远程集控自动化上水系统投用以来，运行效果良好，在减少人员、降低维护量和提高劳动效率方面有较大意义。特别是矿山井下供风、排水、通风等生产辅助系统较多，且分布分散，若按岗设员，势必有很大的人力成本。采用远程集控自动化系统后，可以集中监视和控制，配以点检定修，在自动化率、设备完好率上会有很大提升。在互联网、大数据和人工智能时代，全集成自动化软、硬件的应用已遍地开花。相关领域的专业工程技术人员，有必要掌握和应用好这一技术。受专业知识和经验所限，本文涉及的内容尚属浅显，抛砖引玉，挂一漏万，希望能起到打开思路、找到途径的作用。