煤氣生產(chǎn)是某燃氣分廠主要經(jīng)營項目之一。輸煤系統(tǒng)是確保煤氣生產(chǎn)安全可靠運行的支持系統(tǒng)。該輸煤系統(tǒng)由 14 臺振動給煤機、15 條輸煤皮帶、2 臺振動篩、2 臺粉碎機、2 個電磁鐵、1 套下煤機、1 臺出灰機、3 臺排水泵、6 個煤倉組成。該系統(tǒng)的主要任務(wù)是對來料進行運輸、粉碎、去 雜、篩選，將符合要求的原煤按時送入煤倉，保障生產(chǎn)用煤不間斷供應(yīng)。該輸煤系統(tǒng)原采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng) （下煤機和出灰機采用 S7-200控制系統(tǒng)），各部分現(xiàn)場獨立控制，各工位操作人員通過無線對講機現(xiàn)場溝通。由于輸送線路長，輸煤廊環(huán)境惡劣，設(shè)備數(shù)量多，以及無線對講干擾大等原因，該系統(tǒng)存在工作效率低，故障反饋實時性差，安全性差等問題。鑒于輸煤控制系統(tǒng)在煤氣生產(chǎn)過程中的重要作用，為提高生產(chǎn)效率，對該系統(tǒng)進行改造升級，在主控室新增一套自動控制和監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)遠程操作與監(jiān)控。該系統(tǒng)采用自動、手動兩種控制方式，兩種控制方式均具備連鎖功能，遵循特定順序啟停，獨立運行由點動功能控制。

 

 1 系統(tǒng)組成

1.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

      本次改造所需硬件系統(tǒng)包括：PLC 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、HMI 系統(tǒng)和工業(yè)電視系統(tǒng) （見圖 1）。 

（1） PLC 系統(tǒng)

      本系統(tǒng)采用 S7-300 系列的 315-2PN/DP PLC作為主站，采用 ET200M 接口模塊作為從站，采用PROFIBUS-DP 總線和 DP 耦合器連接主控 PLC、ET-200M、下煤機和出灰機的 S7-200PLC，通過過程映像區(qū)實現(xiàn)各 PLC 之間的數(shù)據(jù)交換。S7-300 是模塊化的中小型 PLC 系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)制造領(lǐng)域，其功能模塊可以滿足自動控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的模塊，當需要增加控制任務(wù)時，可通過附加模塊對 PLC 系統(tǒng)進行擴展。

 

（2） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

      數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由雷達物位計、液位計、拉線開關(guān)、跑偏開關(guān)等元件組成，其中雷達物位計用來測量料倉煤量，液位計用來測量污水坑水位，接近開關(guān)用來檢測皮帶跑偏、打滑和各設(shè)備的極限位置。雷達物位計選擇 ULM 系列產(chǎn)品，該雷達物位計采用 FMCW (調(diào)頻連續(xù)波) 測量原理，將微波傳輸時間轉(zhuǎn)換成頻率差的方式，通過測量頻率差代替直接測量時差來計算目標距離。經(jīng)過線性調(diào)制的微波信號通過天線連續(xù)發(fā)射微波，在被測物料表面產(chǎn)生反射波后由雷達天線系統(tǒng)所接收，發(fā)射信號和返回信號之間的頻率差正比于天線到物料表面的距離，以此計算出物位高度，并將數(shù)據(jù)通過模擬量接口傳給PLC （見圖 2）。 

（3） HMI 系統(tǒng)

      HMI 系統(tǒng)設(shè)置了一臺工業(yè)控制計算機，采用工業(yè)以太網(wǎng)方式與核心控制器 S7-300 通訊。IPC 放置在主操作臺上作為操作人員 HMI。WINCC 界面中包含各設(shè)備的啟停及點動控制、各設(shè)備的運行狀態(tài)、故障報警顯示、操作模式選擇等功能。 

 

（4） 工業(yè)電視系統(tǒng)

      本系統(tǒng)由防爆筒型網(wǎng)絡(luò)攝像機、硬盤錄像機、解碼器、交換機、液晶電視墻組成，在各主要工位安裝防爆筒型網(wǎng)絡(luò)攝像機，配合無線對講系統(tǒng)，使主控室可實時監(jiān)控，指揮現(xiàn)場操作人員進行巡視、生產(chǎn)、檢修等工作。

 

 

1.2 軟件系統(tǒng)

（1） PLC 編程軟件

      PLC 編程軟件采用 SINAMIC STEP7 V5.5 SP4版本。筆者用 STEP7 對系統(tǒng)進行硬件配置、通訊組態(tài)、編程、測試、診斷等。其中編程語言采用LAD (梯形圖) 與 STL (語句表) 相結(jié)合的形式，其中基本邏輯用 LAD 編寫，數(shù)學計算與數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換用 STL 編寫。

 

（2） HMI 編程軟件

      WinCC 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)能高效控制自動化過程，具有極強的開放性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，它用于組態(tài)用戶界面以操作機器和監(jiān)視設(shè)備狀態(tài) [2] （見 圖 3）。（3） iVMS-4200 Video Wall管理員使用 PC 機，通過 iVMS-4200 電視墻客戶端軟件 iVMS-4200 Video Wall (版本 v2.6.3.2) 管理和配置解碼器與硬盤錄像機。

1.3 網(wǎng)絡(luò)組成

      該系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)組成：工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP 網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機構(gòu)成星型拓撲結(jié)構(gòu)，用于 HMI 顯示系統(tǒng)與PLC 系統(tǒng)通訊。PROFIBUS-DP 網(wǎng)用于控制器 PLC和遠程分布式 I/O 之間的通訊

2 主要功能

      升級改造后的系統(tǒng)可實現(xiàn)本地手動控制、遠程手動控制和遠程自動控制，遠程手動/自動控制通過 HMI 開關(guān)進行選擇。在 HMI 中可控制各設(shè)備開關(guān)，顯示其工作狀態(tài)、報警指示等信息。工業(yè)電視系統(tǒng)能顯示、儲存、回放各工位現(xiàn)場情況。

2.1 本地手動控制

      在各工位都設(shè)有本地控制箱，可由現(xiàn)場操作人員手動控制設(shè)備的啟停、點動、報警等功能。在PLC 系統(tǒng)出現(xiàn)故障，等待維修期間，能保證正常生產(chǎn)。

2.2 遠程手動控制

      在 HMI 上選擇手動控制，用 HMI 開關(guān)按連鎖順序逐臺啟停各設(shè)備，也可單獨點動各設(shè)備，點動時各設(shè)備不受連鎖關(guān)系影響。此外，通過配合連鎖電路，也可實現(xiàn)急停功能。

2.3 遠程自動控制

      操作人員巡檢設(shè)備，確定設(shè)備具備啟動條件后，在主控室 HMI 上一鍵啟動，啟動后，下煤機自動走行到 1 號料倉，皮帶啟動前，響鈴提示，然后按設(shè)定啟動順序，從高序號到低序號間隔 5 s 逐級自動連續(xù)完成設(shè)備啟動。其中，震動給煤機只能在皮帶全部運行后，按實際用煤需求，手動啟動。輸煤過程中，下煤機在料倉滿倉時停止下煤，并自動走行到下一料倉，繼續(xù)下煤。其中震動給煤機先停止工作，然后在主控室 HMI 上一鍵停止，按設(shè)定停止順序，從低序號到高序號間隔 5 s 逐級自動連續(xù)完成設(shè)備停止。污水泵在污水坑水位報警時會自動啟停（見圖 4）。

 

2.4 視頻監(jiān)控

      采用 XE62 系列網(wǎng)絡(luò)攝像機進行視頻采集，通過DS-6900UD 高清解碼器解碼顯示，利用 DS -8632N 硬盤錄像機對圖像進行處理、儲存、檢索、備份，以及網(wǎng)絡(luò)傳遞和遠程控制。畫面投放到組合液晶屏電視墻上，可根據(jù)需要分屏顯示或單屏放大。利用 iVMS-4200 Video Wall (版本 v2.6.3.2) 軟件進行配置。

 

 3 結(jié) 語

      該系統(tǒng)的總體技術(shù)方案是以工業(yè)計算機 （IPC）系統(tǒng)、PLC 為控制系統(tǒng)核心，采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成遞階分布式體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有安裝配線簡單，維護方便的優(yōu)點。改造后的系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備運行的自動化管理和監(jiān)控，減輕了人力負擔，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和安全性，不但提高了工作效率，而且增加企業(yè)收益。投入使用后，運行狀態(tài)良好。