西门子6ES7231-0HC22-0XA8全年质保

 引言

在现代控制系统中,随着现代化管理水平的不断提高，plc和组态软件的有效结合在煤矿生产领域中得到越来越广泛的应用[1]。

组态软件是面向监控与数据采集的软件平台工具,具有丰富的设置项目,使用方式灵活,功能强大。本系统组态软件采用intouch。该组态软件是美国wonderware公司factorysuite套装软件的一个主要组成部分，它为以工厂和操作人员为中心的制造信息系统提供了可视化工具，为制造信息系统集成了操作人员所需的各种信息，在食品加工、半导体、石油和天然气、汽车、化工、医药、纸浆和造纸、运输及公共设施等行业都有着广泛应用[2]。

2 系统的基本组成和原理

本系统选用schneider自动化公司的modicon tsx micro系列的tsx 37-10 型plc。i/o模块分别选用tsx dmz 28dt；tsx aez 802；tsx dsz 08r5[3]。中间继电器选用欧姆龙24v直流继电器。上位机选用研华工控机。

基本原理框图如图1所示。

图1 基本原理框图

2.1 重力传感器

重力传感器放在主井的定量斗底部，承受定量斗的重量，工作原理为：将液体密封在重力传感器内，当定量斗装煤过程中重量增加时，液体压力也随之升高，压力传感器随液体压力的变化输出4-20ma的电流信号，经屏蔽电缆传送给plc的模数转换模块aez802，由plc处理数据并显示。

压力变送器与aez802输入端的连接如图2所示。

图2 压力变送器与aez802的连接

2.2 显示面板

显示面板由发光二极管，数码管等组成。用74ls373驱动发光二极管显示空仓和外围设备运行状态等，4511驱动数码管显示当前重量和累计提升次数等。

电路板上有地址线和数据线，连接到plc的28dt模块的晶体管输出点。部分电路原理图如图3所示，实际效果图如图4所示。

图3 部分电路原理图

图4 实际显示效果图

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2.3 台式隔爆箱

隔爆箱可任意安放在便于观察的位置，控制信号和外部信号（压力传感器的电流信号，箕斗到位信号等）通过防爆箱腔内七芯接线柱与plc的i/o端子连接，显示部分用整体防爆玻璃制做。

3 通讯部分

3.1 计算机对plc编程的通讯

系统编程软件采用pl7 micro软件，它提供了符合iec1131-3标准的指令表、梯形图和grafcet（顺序功能图）编程语言[4]。编程电缆选用usb接口的施耐德plc编程电缆tsxpcx3030，它带有主站 / 从站选择开关，可连接plc 的ter和aux 通信口，大通信距离可达2公里[3]。

3.2 上位机监控部分和plc之间的通讯

上位机和plc通讯模块选用sc-485来实现上位机的rs232接口到plc的rs485接口通讯规程之间的转换，以半双工方式工作,高传输速率为115.2kbps。plc通讯口加隔离保护模块bh485g来提高rs485网络系统的抗干扰能力、可靠性和安全性能，解决通讯口易损坏的问题。需要注意的是，因为plc做从机，所以ter通讯口的5，7两信号线要短接。485连接图如图5所示。

图5 485连接图

3.3 组态软件intouch与外界设备之间的通讯

图6 intouch与i/o设备通讯框架示意图

通过一个通讯接口——i/o服务器（i/o server）来实现组态软件intouch与外界设备之间的通讯。i/o服务器可以理解为能和外界设备通讯的程序，intouch只要能和i/o服务器通讯，就可以达到和外界设备通讯的目的，如图6所示。这样做的好处是避开了硬件协议等繁琐的细节，让使用intouch进行二次开发的人员可以把精力放在控制和数据处理上，有效地提高工作效率。目前wonderware公司已经与多家第三方开发公司合作，提供了各种i/o服务器，支持目前主流的通信协议。而二者的通讯是两个应用程序之间的数据交换，intouch使用dde、fastdde、netdde以及 wonderware suibbbink协议完成。在本系统中，使用的是modbus网络，所以需要安装modicon设备驱动程序mbe（modicon modbus ethernet），进行简单的topics配置后（打开wonderware factorysuite->io servers->modicon modbus ethernet进行配置），然后在intouch中，增加标记名，设置i/o数据类型，并设置访问名、节点名、应用程序名、主题名和项目名，就可以实现和modbus网络上的设备通讯了 [1]。

4 软件设计

4.1 plc程序

用指令表编写程序， 如图7所示。

图7 指令表程序示范图

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整个程序采用模块化结构，各部分子模块分工明确，具有代码效率高，维护方便等特点。主程序模块包括：重量计算，参数设置选择，外围设备控制，工作方式选择和故障检测。子程序模块包括：手动方式，自动方式，故障显示，重量显示和参数设置。

为了减少随机干扰对采集数据的影响，软件上采用了数字滤波[4]。

该系统实现如下功能：

（1）实现自动和手动两种工作方式。

自动方式下（为了防止超载的情况，在自动方式下设有防二次装煤功能，即箕斗到位后只允许装煤一次，提升以后才允许再次向箕斗装煤。）定量斗空仓以后闸门自动关闭，并且给煤机自动给煤。满仓后自动停止给煤机。待提升箕斗到位后并且允许装煤的情况下自动打开闸门卸煤，卸完成后自动打点并且自动关闭闸门。按照以上闭锁关系依次重复以上过程。当超载时，声光报警并强制退出自动工作方式。自动方式子程序简要流程图如图8所示。

手动方式下，各设备不受闭锁关系的限制，可以任意启动和停止。

（2）显示功能。包括plc模块故障状态和压力变送器故障状态显示等。还有现场设备运行指示灯，如给煤机运行指示，闸门开闭指示，箕斗到位指示等。同时可显示定量斗满仓，空仓，超载的状态，并且在超载的情况下声光报警。实时显示每次的提升重量并累计提升次数和煤的总重量。每一班次换班时可以将数据清零以便记录每班的产量向调度室汇报。

图8 自动方式简要流程图

（3）设置参数。现场可以通过设置按扭设置所需要的定重，空仓，超载以及传感器量程等参数值，为保障参数的安全性还可以设置操作密码。

4.2 组态软件

intouch通过一个三部分命名约定来标志在服务器程序中的数据元素，这包括应用程序名，主题名和项目名。为了从另一个应用程序中获得数据，客户机程序（intouch）通过制定这三项打开到服务器程序的一个通道。在intouch中，上位机的数据主要分为内存型和i/o型。其中内存型数据为intouch程序内部定义的变量，可直接访问；i/o型数据的来源一般为其它计算机结点或本机运行的其它程序，这类数据由intouch通过netdde或dde方式获得[1]。每一个i/o型变量必须与一个访问名相联系，访问名相当于一个i/o地址，包含了与其他i/o数据源通讯的信息，这些信息包括结点名，应用程序名和主题名。监控画面如图9所示。

图9 监控画面

组态程序主要实现如下功能：

（1）显示井下隔爆箱显示面板的显示内容和当前时间。

（2）指示上位机和plc的通讯是否正常，plc主机和各个i/o模块是否正常。

（3）允许设置井下现场控制参数，为了保证安全性，需要输入密码。自动统计年产量，月产量，每班次的产量，提供准确的产量报告。

5 结束语

本系统已于2006年2月在沈阳煤业(集团)有限责任公司林盛煤矿投入使用，系统运行稳定可靠，减少了维护成本，满足现场的需求。此外具有如下优点：

（1）采用重力传感器测重，信号强度大、线性度好、易于后续处理，可承受较大的侧向负荷而有效减小测量误差。

（2）用plc控制，可靠性好、工作稳定、测重精度高，，提高了煤矿的生产安全性和经济效益。

（3）采用先进的intouch组态软件,具有友好的人机界面，直观且便于操作和监控。

（4）自动化程度高。设有自动和手动两种工作方式，既提高了工作效率也使设备维护更加方便。

    在焦碳生产工艺过程中，需要将气煤、肥煤、焦煤、瘦煤四种煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦炉进行高温炼焦。配比的准确性以及配料系统的可靠性将直接影响焦碳产品的质量。因此，通过提高焦化配煤系统的可靠性、稳定性、准确性来提高焦碳的质量具有非常重要的社会效益和经济效益。

    目前，武钢焦化厂备煤车间担负着公司燃煤接卸、炼焦和输送的工作。原配煤设备共配置了14套，经过多年使用，已老化严重，该设备有如下缺陷:
系统调节精度差，影响配煤比的精度;主要附件电子秤可靠性差，且易损坏;

    抗干扰能力差;电子秤标定复杂，工作量大;调速性能差，设备运行可靠性差，现场维护工作量大;岗位工人的劳动强度大，环境差，无自动配料功能。

    因此，必须对配煤系统进行改进:用核子秤进行计量，设置上位机进行配料自动控制，建立配料模型，统计打印，下位机采用PLC进行电机、皮带顺序控制、料流计量、圆盘速度的控制。圆盘给媒机采用变频器驱动控制，确保系统配煤误差<2%。

2  系统结构

    在系统中我们将采用PLC可编程控制器加上核子秤配料系统，并在系统结构上采用主皮带配料方式(一条龙配料方式)，这样新的配料系统可不加小皮带，使该项目投资及用户日后的维护量达到小、少。该配煤系统可分为物料计量、微机操作、控制、变频调速四大部分。

2.1  控制系统组成
    PLC可编程控制器采用MODICON公司的产品，它的CPU模块为CPU11303、电源模块CPS11400、8通道模入模块ACI03000、4通道模出模块14ACO02000、开关量输入模块 DDI35300、继电器模块DRA84000、高速计数模块DRO84000，编程软件采用MODSOFT软件。 上位机为IPC研华工控机(包括显示器、打印机)，采用FIX组态软件编程。电机的变频器为日本安川G5A40111A。工作流程图如图1所示;控制系统原理图如图2所示。

2.2  上位机功能
    上位机采用先进可靠的研华工控机作为管理机，工艺流程动画显示美观大方，友好的操作界面简单易学，其功能如下:

图1     工作流程图

图2     控制系统原理图

⑴ 各种配煤操作界面、数据显示及打印管理，用户可方便的在上位机上进行各种数据的修改操作，运行数据的图形显示及打印各种报表;
⑵ 通过网卡与控制部分的配料模块和开关量控制模块相联，能够下载计量、控制、系统参数，以及核子秤命令、精度测试命令等，同时能够上传各模块当前状态和参数。

2.3  控制系统功能
    控制部分是由开关量控制模块和配料控制模块组成，核子秤内部控制模块之间的信号传输采用差分频率信号传输技术，具有极强的抗干扰能力和远传能力，从而保证了系统信道的可靠性和准确性，在反馈控制上采用新型的人工智能PID调节算法，无振荡，无超调。各模块功能如下:
⑴ 开关量输入模块
    该模块能实现系统总流量、配比、水分的选择，各种皮带启停信号的输入和配料模块启停信号输出，控制信号及大屏显示接口，连锁及配料控制和上位机的通讯，并留有备用选择器。
⑵ 配料控制模块
    配料控制模块能实现信号的采集、计算并与给定流量比较将误差量按照控制算法进行计算，转换成4~20mA模拟量信号，发送给变频调速器，调节电机转速从而改变当前下料量，确保精度。
从控制方案实施可见:新配料系统在上位机系统出现故障时，系统除打印报表功能无法实现外，其它控制部分均能正常工作，对整个配料系统无影响。由于在设计时将控制分散到控制模块而将管理集中在工控上位机中，因此系统不仅保证了高可靠性的控制功能，而且又具有良好的用户界面和管理功能，在硬件设计中考虑了配料控制模块的可维护性，用户只需要较少的微机及控制理论知识、维护经验，就能及时方便地确保整个自动配煤系统连续可靠的运行。

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2.4  报警功能
    当系统各测量单元出现故障时，工艺流程主画面将以警示色提醒用户，按下相关键后，可由CRT显示故障代码;当系统出现空仓或圆盘给料机堵料而无法下料时，工艺流程画面也以警示色提醒用户，同时出现声音报警，提醒用户及时处理。

2.5  其他功能
能对变频器进行自动/手动切换及机旁自动/手动选择。

3  控制原理

3.1  配比控制
    由于给煤量的大小取决于多种工艺参数和检测结果，所以给煤任务来自于上位机的配比计算，计算机采用配比数学摸型，它是根据配煤总量和各种煤所占的比例，及所含有的水份等参数，结合配比专家知识和现场经验，计算各种煤的流量设定值，作为进行指导和校正的手段。这里可输入各种煤的成份，检验结果等信息，制定配煤方案，下达配煤命令。

3.2  自动调节过程   
    它是通过取消小皮带，并在集料皮带下直接安装核子秤，可实时取得各种给煤流量反馈值的电压信号(0~30mV)，经变送器放大，并转换为4~20mA的电流信号，送至可编程控制器的A/D转换接口，经采样后，与上位机设定的各种配煤给定值进行比较，然后进行调节运算，其控制量经D/A转换接口送至变频调速器，以此来改变变频器的输出值，从而改变圆盘给煤机的转速，调整给煤量，使之与设定值相等，完成自动配煤过程，下煤量设定值的大小决定了圆盘转速，圆盘转速与下煤量成正比。

3.3  控制规则
(1) 若控制误差的值太大，则增加输出量，加强控制作用，实现快速跟踪调节;
(2) 若控制误差及其变化率均在允许范围内，则输出量不变，维持原控制作用;
(3) 若控制误差与其变化率的符号相反(如控制误差为正，而其值却在减少)，且误差变化率相对于误差较小，则要加强控制作用;
(4) 若控制误差与其变化率的符号相反，且误差变化率相对较大，则加入“微分控制”;
(5) 若控制误差与其变化率符号相反，且二者值相近时，维持原有控制;
(6) 若控制误差与其变化率符号相同，误差增大趋势，则采用“比例、积分、微分”控制，增强控制作用。

4  系统实现的功能

4.1  PLC实现的功能
    实现各配煤机的启动和停止;电机、皮带的顺序控制;配煤流量的瞬时、累计流量的计量;圆盘速度的自动控制,实现配料自动控制。
4.2  上位机功能
    它能与PLC之间实现数据、信号传输通讯;每个圆盘下煤量设置;每台秤的称量值显示;配煤称量系统画面监视;圆盘运行情况监视;故障显示及报警;可作为PLC的编程器使用;根据配料模型实现配比自动计算功能;历史趋势显示,可查看任意时间段的生产数据曲线,分析生产情况;生产报表;从动态数据库中提取数据,生成各种报表,进行打印。

5  核子秤计量部分

    根据焦化厂备煤车间现有的配煤计量设备PDS-7微机电子皮带秤已使用十多年，存在着设备老化，可靠性差等若干问题，直接影响着配煤比的精度。因此，这里应采用目前国际上比较流行的核子皮带秤，核子皮带秤与传统的电子皮带秤相比具有许多优点，其中主要的是不受皮带磨损、张力、振动、跑偏、冲击等因素影响，能长期稳定可靠地工作，值得一提的是它可在高温、多尘、强电磁干扰、强腐蚀等恶劣环境下可靠运行。

5.1  核子皮带秤工作原理简介
    核子皮带秤的工作原理如图3所示，放射源在上方稳定地放射出g射线，在支架构成的平面内呈扇形照射至输送机上，输送机上的物料吸收一部分g射线，其余的射线照射至g射线探测器上，因射源发出的g射线为一常数，因此探测器探测出的g射线的多少，可反映出输送机上物料的多少，由此再根据相关的计算公式便可计算出某一时刻输送机输送物料的流量。
此方案的特点是核子秤的测量信号没有经过运算处理直接送入PLC系统，PLC系统需将核子秤的测量信号0~5V，或者是频率信号加以转换，然后进行相应的运算处理，才能得出秤重值，它的主要优点是省掉了二次仪表，降低了费用。

图3     核子皮带秤的工作原理图

5.2   技术要求及防护要求
(1) 秤体采用不锈钢体，秤体的安装对皮带传输装置的运转水平不生产任何影响，不改变其结构;
(2) 每台核子秤的每次配煤精度优于1%;
(3) 本系统一机带14台核子秤的硬件配置方式，必须满足多物料、多品种配煤工艺，提供料选、配比等人机对话，自动切换等功能。具有统计配煤量、报表、打印、校准、故障诊断等功能;
(4) 工控机必须设有专用接地极且接地电阻<4W。

6  结束语

    本系统实现了14台圆盘配煤机的启停、联锁保护、称量及调节的自动控制，实现配煤生产自动化。控制方式采用自动和手动操作两重方式，在自动方式下，各配煤回路的设定及控制，配煤的在线更改等都由计算机自动完成;在手动方式下，根据核子秤测量的值手动调节圆盘转速，进行配煤控制、人工启停设备，在这两种方式下，都设有主要设备紧急停运按钮。通过改变变频器输入信号方式，可方便地进行手动/自动切换，切换冲击小，生产进行顺利。
该系统在实际生产中取得良好的经济和社会效益，能够满足各项经济技术指标，满足控制精度要求，具有广阔的应用前景