FCS在煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

于秋瑞，張美茹

（中煤西安設(shè)計工程有限責任公司，陜西西安710054）

1 概述

1.1 現(xiàn)狀

現(xiàn)有煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，大多數(shù)采用傳統(tǒng)的PLC集中控制，存在運算量大，系統(tǒng)控制精度低，操作不方便；所有的數(shù)字量與模擬量I／O點均從PLC柜內(nèi)接線，控制電纜用量大、布線錯綜復(fù)雜、故障率高，給現(xiàn)場維護檢修帶來了諸多不便等，這些因素嚴重影響了生產(chǎn)能力，尤其在煤炭需求緊張的情況下，影響到居民的生活水平，這已不適應(yīng)現(xiàn)代化煤礦企業(yè)安全、高效的生產(chǎn)任務(wù)和要求。

針對以上存在問題，在某新建的煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)中，采用了以FCS為主要的控制技術(shù)方法來滿足煤礦企業(yè)安全高效的生產(chǎn)任務(wù)和要求。

1.2 FCS 簡介及特點

根據(jù)國際電工委員會的IEC61158標準定義，現(xiàn)場總線是指安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備和監(jiān)控儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置和系統(tǒng)之間進行數(shù)字式、串行、多點、雙向通信的數(shù)據(jù)總線。而基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)被稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System），簡稱FCS。

FCS是以智能傳感器、開關(guān)、閥門、智能控制器（電動機保護器）、控制設(shè)備（如變頻器、軟起動器）、計算機數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的一門綜合技術(shù)。具有以下主要特點。

（1）總線式結(jié)構(gòu)性

一對傳輸總線可掛接多臺現(xiàn)場設(shè)備，雙向傳輸多個數(shù)字信號。這種結(jié)構(gòu)與一對一的單向模擬／數(shù)字信號傳輸結(jié)構(gòu)相比，布線簡單、安裝費用低、維護簡便。

（2）分散控制性

將控制功能放到作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的現(xiàn)場智能儀表和設(shè)備中，提高系統(tǒng)的靈活性、自治性和安全可靠性，減輕了PLC集中控制器的計算負擔。

（3）開放性、互操作性與互換性

FCS采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，是開放式的互聯(lián)網(wǎng)，對用戶是公開透明的。不同廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡(luò)，在同一控制系統(tǒng)中進行互操作，而互換性則意味著不同廠家的性能類似的設(shè)備可以實行相互替換，簡化系統(tǒng)的集成。

（4）信息組合、組態(tài)靈活性

通過數(shù)字化傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，F(xiàn)CS能獲取現(xiàn)場設(shè)備的各種狀態(tài)、診斷信息，實現(xiàn)實時實地的系統(tǒng)監(jiān)控和管理以及故障診斷。此外，F(xiàn)CS引入了功能模塊的概念，通過統(tǒng)一的組態(tài)方法，使系統(tǒng)組態(tài)簡單靈活，不同現(xiàn)場設(shè)備中的功能模塊可以構(gòu)成完整的控制回路。

（5）多種傳輸介質(zhì)和拓撲結(jié)構(gòu)

FCS由于采用數(shù)字通信方式，因此可以用多種傳輸介質(zhì)（普通電纜、雙絞線、光纜、紅外線，甚至電力傳輸線等）進行通信。根據(jù)控制系統(tǒng)中節(jié)點的空間分布情況，可應(yīng)用多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

2 工藝流程及其設(shè)備特點

該項目屬于煤炭資源整合礦井中的新建煤礦，礦井生產(chǎn)能力為 1.5Mt／a，其地面生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程示意圖

從工藝流程來看，井下的原煤通過101主斜井膠帶輸送機提升到驅(qū)動機房→201上原煤倉輸送皮帶→原煤倉→301上產(chǎn)品倉皮帶→震動篩選、刮板輸送→塊煤、末煤、矸石→裝車。

在這條生產(chǎn)線上，涉及到的監(jiān)控儀表有跑偏、速度、料位、煤塵粉塵、電機電流溫度、堆煤、煙霧、縱撕、膠帶張緊力，同時需要擴音電話實現(xiàn)膠帶輸送機沿線通話功能等；現(xiàn)場控制設(shè)備有膠帶輸送機、硫化器、除鐵器、甲帶給料機、破碎機、振動篩、配倉刮板機、裝車閘門（可逆運行）等。

該生產(chǎn)系統(tǒng)的主要特點是流程距離長、分布點的設(shè)備比較多、工藝設(shè)備的控制復(fù)雜；現(xiàn)場的粉塵大，環(huán)境惡劣。根據(jù)《煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范》的要求，地面生產(chǎn)系統(tǒng)的控制應(yīng)有兩種工作方式。

（1）集中閉鎖工作方式 起動時應(yīng)按逆煤流順序逐臺延時起動，延時時間應(yīng)保證躲過前臺電動機起動時的起動電流，工程設(shè)計中一般取3～5s。

（2）就地解鎖檢修工作方式 正常停止時應(yīng)按順煤流逐臺延時停車，延時的時間應(yīng)保證停止設(shè)備上的煤已全部轉(zhuǎn)運至下臺設(shè)備；故障時應(yīng)在最短時間內(nèi)全部停止或現(xiàn)場急停。

3 控制系統(tǒng)的優(yōu)化與拓撲

按照《煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范》14.2.1 的要求和結(jié)合本礦的實際情況，在該生產(chǎn)系統(tǒng)中，設(shè)計將動力設(shè)備電源電壓等級確定為兩種，即AC660V和AC10kV，減少了線路的損耗。為了給動力設(shè)備提供電源，需要在運煤系統(tǒng)狹長的上原煤倉棧橋和上產(chǎn)品倉棧橋的一側(cè)布置電纜橋架，該橋架既要敷設(shè)AC660V和AC10kV動力電纜，同時又要敷設(shè)控制電纜和通信電纜。然而，動力電纜周圍的電磁干擾信號必然影響到整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量，使得控制系統(tǒng)不能很好地工作，甚至于產(chǎn)生誤報警誤動作，達不到安全高效的生產(chǎn)要求。因此，設(shè)計中采用分散化的外圍設(shè)備Fieldbus-DP組成網(wǎng)絡(luò)，用光交換機來完成設(shè)備與控制器之間的信號傳輸。采用光纖作為信號的傳輸介質(zhì)，避免了電磁場對通信信號的干擾，真正達到阻斷干擾的效果，同時提高了信號的傳輸速率。

在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，電壓是AC660V用電設(shè)備的功率在45kW及以下的電機，其控制回路均采用數(shù)字化智能型控制與保護開關(guān)電器（以下簡稱KB0-T）的可編程控制和通訊功能模塊，共65臺套；由于該產(chǎn)品電機功率在45kW及以下時，是集斷路器、接觸器、熱繼電器于一體的智能化模塊開關(guān)，45kW以上則需要分離器件（由于技術(shù)上的原因），因此功率在45kW以上的電機，根據(jù)需要其控制回路采用PDM-810MR智能型電動機保護器或者軟起動器、變頻器的可編程控制和通訊功能模塊，共23臺套；電壓是AC10kV的101主斜井膠帶、201上原倉膠帶、301上產(chǎn)品倉膠帶，其控制回路采用變頻器的可編程控制和通訊功能模塊，共3臺套。在配電上盡量讓配電柜室臨近設(shè)備現(xiàn)場，以減少動力電纜的長度。通過上述KB0-T、PDM-810MR電動機保護器、軟起動器和變頻器的功能模塊，來實現(xiàn)遠距離自動控制的功能。這些設(shè)備的控制電路最后都應(yīng)與FCS的信號連接，以傳輸和交換整個生產(chǎn)系統(tǒng)中各個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息。

該系統(tǒng)軟件采用Win2000，用兩臺S7-400控制器作為主站，通過以太網(wǎng)交換機（ESM）連接到兩臺配有百兆以太網(wǎng)卡的工控機上，工控機選用WinCCV6.2＋SP3版軟件，兩臺控制器采用冗余型。利用主控制器自身帶有的Profibus-DP接口模件，將系統(tǒng)分為兩部分：1＃OLM接口連接驅(qū)動機房和上原煤倉系統(tǒng)（含倉下設(shè)備）的3＃OLM；2＃OLM接口連接產(chǎn)品倉上（含倉下設(shè)備）的4＃OLM，這樣可以組成兩個相對獨立的光纖環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓撲圖

其中，1＃OLM和2＃OLM兩只光電交換機在控制系統(tǒng)中起到光電轉(zhuǎn)換的目的，在控制柜內(nèi)實現(xiàn)光的轉(zhuǎn)換，起到防止電磁場干擾引入的作用。3＃OLM和4＃OLM光電交換機分別接有DP／ASi通信耦合器、KB0-T或電動機智能控制器。每個耦合器下又連接有KB0-T、電動機起動器、開關(guān)按鈕盒、軟起動器、變頻器和I／O模快等。由此該控制系統(tǒng)構(gòu)成了三層結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)。由于底層的控制器均采用通信的方式與主控制器進行數(shù)據(jù)交換，因此，從控制室的主控制器到現(xiàn)場的KB0-T、電動機智能控制器、開關(guān)按鈕盒、電動機起動器和I／O模塊之間只有通信線，而沒有控制線，真正體現(xiàn)了FCS在控制應(yīng)用中的優(yōu)勢特點。

4 編程組態(tài)軟件

該系統(tǒng)采用目前被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的中文版語言WINCCV6.2＋SP3自動化軟件，它為該系統(tǒng)提供控制技術(shù)、人機界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，含有實時數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)報表、實時曲線、歷史曲線、報表查詢等控件，為工程技術(shù)人員提供很好的二次開發(fā)平臺。

控制器采用S7-400控制器，通過以太網(wǎng)連接到兩臺安裝有以太網(wǎng)卡的工控機上。編程用STEP7V5.3中文版軟件，在系統(tǒng)組態(tài)中考慮到本控制系統(tǒng)點數(shù)較多，控制設(shè)備也很多，所以要先分配好各部分地址，編址后在系統(tǒng)中進行硬件組態(tài)。該系統(tǒng)中用到的設(shè)備有KB0-T、DM-810MR、軟起動器和變頻器的功能模塊、DP／ASi耦合器，以及在現(xiàn)場傳感器ASi總線中使用的設(shè)備有I／O數(shù)字量模塊、按鈕盒等。ASi總線主要運用于具有開關(guān)量特征的傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)，傳感器可以是各種原理的位置接近開關(guān)以及溫度、壓力、流量、液位開關(guān)等。執(zhí)行器可以是各種開關(guān)閥門、電／氣轉(zhuǎn)換器以及聲、光報警器，也可以是繼電器、接觸器、按鈕等低壓開關(guān)電器。當然ASi總線也可以連接模擬量設(shè)備，只是模擬信號的傳輸要占據(jù)多個傳輸周期。必須注意的是在連接主站和從站的兩芯電纜上除傳輸信號外，同時還提供工作電源。

在組態(tài)前，對KB0-T、PDM-810MR、軟起動器和變頻器要用相應(yīng)單獨軟件進行組態(tài)或者采用協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，而對ASi部分的組態(tài)比較容易，用地址設(shè)定工具把相應(yīng)設(shè)備地址設(shè)定后就可以了，設(shè)備正?；虺鲥e時在DP／ASi上都有相應(yīng)的顯示，便于調(diào)試人員觀察。硬件組態(tài)（以變頻器為例）如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)圖

在編程時，要注意對于相應(yīng)DP地址點的對應(yīng)關(guān)系，對于DP／ASi部分在STEP7中地址的對應(yīng)關(guān)系，由于系統(tǒng)中采用模擬量模塊，所以在程序中調(diào)用SFC58／59進行模擬量采集時要注意地址關(guān)系。其他部分邏輯控制就比較簡單了。

系統(tǒng)功能包含有調(diào)度管理、報警和事件管理、報表和人機界面等功能，從而組成了一套完整的FCS系統(tǒng)。各功能畫面設(shè)計采用下拉式菜單。

調(diào)度管理是整個煤礦的調(diào)度指揮中心，正常情況下操作人員在調(diào)度中心就可以通過局域網(wǎng)，完成對煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控和運行管理等任務(wù)。

報警和事件管理要求無論報警及其響應(yīng)和事件信息來自何處，它們均應(yīng)保存在相關(guān)的數(shù)據(jù)庫中，供系統(tǒng)隨時調(diào)用。系統(tǒng)具有濾波及判斷功能，以防止虛假報警和重復(fù)報警現(xiàn)象，一旦報警被證實，應(yīng)以最快的速度發(fā)布，并且報警信息能以多種方式發(fā)布，包括聲、光（閃爍）、中文語音提示，在報警打印機上實時打印，供操作人員及時檢查維護。

對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表，WINCC提供了集成的報表系統(tǒng)，可以方便地輸出WINCC數(shù)據(jù)到打印機進行打印，并且也可以利用報表專用軟件，根據(jù)生產(chǎn)需要編制實時的和歷史的數(shù)據(jù)報表及統(tǒng)計計算報表?？梢愿鶕?jù)操作人員的不同選擇，打印出不同歷史數(shù)據(jù)報表。

人機界面（HMI）采用TP177A系列人機界面，在標準的中文Win2000平臺上運行，支持多顯示器操作（在不同的顯示器上同時顯示不同的畫面），光標可在多臺顯示器屏幕上連續(xù)移動且不需要進行顯示器的切換。根據(jù)需要人機界面主要分為主畫面、程控畫面、分站畫面、報警趨勢和數(shù)據(jù)報表等。

5 結(jié)束語

在該礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)FCS控制中，設(shè)備選型除了高壓電機控制采用變頻器外，其余AC660V級的電動機控制器采用國產(chǎn)的KB0-T、PDM-810MR及國產(chǎn)軟起動器、變頻器，節(jié)約了投資成本；將以往PLC集中控制功能盡量分散到現(xiàn)場智能化控制開關(guān)和控制器，由這些控制開關(guān)和控制器完成各自現(xiàn)場設(shè)備的檢測、分析運算和控制，并把信息傳輸給PLC主控制器，大大減少了PLC的運算負擔；FCS總線采用光纜傳輸線，構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)，可節(jié)省大量控制線纜、金屬槽架、連接卡件。同時，由于所有的連接導(dǎo)線都變得簡單明了，系統(tǒng)設(shè)計、安裝、維護的工作量也隨之大大減少。另外，F(xiàn)CS總線還支持總線供電，即兩根導(dǎo)線在為多臺設(shè)備傳送數(shù)字信號的同時，還為這些設(shè)備傳送工作電源、操作電源?？梢钥吹剑捎肍CS具有節(jié)省硬件投資、安裝費用、節(jié)省大量的維護工作量，真正體現(xiàn)了FCS在煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)控制中很好的應(yīng)用價值。

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