欧姆龙CS1系列PLC在唐山矿选煤厂综合自动化项目的应用 -.pdf

煤炭工程 2 0 1 1年第 9期 欧姆龙 C S 1系列 P L C在唐 山矿 选煤厂 综合 自动化项 目的应 用 屈 浩 北京东方亚邦自控系统工程有限公司，北京1 0 0 0 8 8 摘要 针对唐山矿选煤厂原有控制 系统存在的 问题 ，进行 了技 术改造方案的可行性分析． 详细介绍 了唐山矿选煤厂基 于 0 M R O N C S 1系列 P L C构成的光纤冗余环 网结构的新控制 系统 ，该 系统主要 包括集 中控制及监测 系统、主洗生产控制 系统、原煤生产控制 系统、浮选生产控制 系 统 、重介 密度 调 节控 制 系统 五 大部分 ，最后 介 绍 了改造方 案及 改造效 果 。 关键词 集 中控制 系统 ；O MR O N P L C；C O N T R O L L I N K；选煤厂综合 自动化 中图分类号 T D 6 7 9 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 9 - 0 1 2 2 - 0 3 1概述 唐山矿业分公司选煤厂隶属于开滦 集团 有限责任公 司唐 山矿业 分公 司 ，是 一座 矿井 型炼焦煤 选煤 厂 。全厂 集 中控制及监测系统是该厂综合 自动化建设的重要组成部分， 该系统的使用形成 了选煤厂集设备集中联锁控制、工艺过 程参数监视及控制信息传输及生产信息管理为一体的多功 能综合自动化控制体系，不仅能使选煤厂生产与管理系统 建立在一个高 度数字化 、信息化 的平 台上 ，又 能为该 厂实 现高产、高效、节能降耗提供有力保障。 2系统构成 唐山矿业 分公 司选煤 厂综 合 自动化改 造项 目内容共 分 为集中控制及监测系统、主洗生产控制系统、原煤生产 控制系统 、浮选 生产控 制 系统、重介 密度调 节控 制系统 五 大部分 。 根据唐 山矿选 煤厂 实际情 况 ，综合 自动化 项 目的生 产 集 中控制 系统确定 由上位监测管 理系统 、1 0 0 M 环形光纤 以 太网、C O N T R O L L E R L I N K网以及下位机 P L C控制系统等 组成，是一个以网络通讯为基础的集管理、监测、控制于 一 体的生产系统 。上位监测管理系统由三台工控计算机 组成 ，通过光纤以太 网和 P L C主站连 接通讯 。P L C站间 的 通讯采 用 0 MR 0 N专用 的通讯 网络 C O N T R O I L E R L I N K 网 实现。整个 P L C控制系统 采用 多地 分站加 本地 主站 的结 构 形式 ，在各个 车间配 电室设 置分 站 ，按照 相对独 立 的工 艺 划分设置控 制 区域 ，各 分站 间又 相互通 讯联 系 ，组成一 个 完整 的控制 网络 。系统控制通过上位 监测管理 系统 的监控／ 组态软件将相关 的控制命令和状态设置下传给下位 P L C ， 并由P L C完成设备控制。系统监控的设备主要是各车间的 参控设备，及各种传感器的模拟量信号通过 P L C采集并上 传给上位监测管理系统，包括转速、电流、料位、频率等。 2 ． 1上位监 测 管理 系统 硬件构成研华工业控制机、大屏幕显示器、不间断 U P S电源 、打印机等 。 软件 构 成WI N D O WS X P操 作 系 统、MI C R O S O F T O F F I C E 2 0 0 3 、监控组态软件 i F I X 4 ． 0等。 上位监控管理系统采用由研华工业控制机与美国G E公 司的i F I X 4 ． 0实时监控组态软件构成的平台。该平台分为 2 个操作员站和 1 个工程师站布置于中央控制室，能够完成 所需的 I ／ O信息获取、控制系统组态、图形监控、动态图 形显示、历史数据查询及调用、系统状态诊断等功能，同 时还具备系统报警显示查询，报表制作、生成数据库、状 态趋势显示、数据库的管理和维护等功能。该平 台提供标 准的 H MI 运行画面，使全厂整个生产情况能够在显示器上 实 时地 显示 出来 ，不 仅使 调度指 挥人 员能 够对控 制系统 进 行 观察 和操 作 ，还能 迅速 了解现 场的生 产情况 ，并 及 时作 出正确决策。必要时两个操作员站亦可承担工程师站功能。 2 ． 2 系统 网络构 成 整个控制系统由以太网和 C 0 N T R O L L E R L I N K网两层 网络组成 。以太 网是监 控层 网络 ，也 是管理 网，主要 由中 心交换机 、MO X A光纤 环 网模 块等组 成 。唐 山矿选煤 厂 的 网络监控层采用光纤 冗余 环 网结 构 ，环 网 的好 处是 网络上 任一节点出现故 障 ，都不 会影 响整个 网络 的通讯 ，使 得整 个洗煤厂生产监 控 系统具 有极 高的可 靠性 。上 位机用 8芯 双绞线与中心交换机相连接，交换机通过光纤分别与下位 分 站中设置 的 MO X A光纤 环网模块 连接 ，构成 网络的主干。 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 2 9 作者简介屈浩 1 9 7 0一 ，男，山东郓城人，高级工程师，工程硕士，现任北京东方亚邦 自控系统工程有限公司总 经理 ，主要从 事矿井及 选煤厂控制系统的设计及 系统集 成方 面的工作 。 1 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 9期 煤炭工程 再 与各个下 位分站的 以太 网通讯 模块 连 接构 成一 个 完整 的 以太 网环 网 ，这 样 上 位机 和 下位 机 就 实 现 了采用 T C P／ I P 通讯协议进行 l O O Mb p s 的高速通讯 。 c 0 N T R 0 L l J E R L I N K网是 控 制 层 网 络 ，也 是 生 产控 制 的执行 层 ，控 制 层 的 各 主 站 P L C和 各 自 分 站 问 都 采 用 C O N T R O L L E R L I N K通讯单 元进行数据通讯 。 2 ． 3 下位 P L C控 制 系统 唐 山矿 选 煤 厂 下 位 控 制 系 统采 用 日本 O MR O N 欧姆 龙 公司 C S 1系列 P L C做为控制 系统主机 。C S 1系列 P L C具 有模块 化 、可扩 展 的体 系结 构 等特 点 ，可用 于 生产 过程 中 的实时控制和过程控制、高速机器控制、基础建设应用、 变电站自动化应用等。唐 山矿选煤厂控制系统各个分站均 包括 电源 、C P U、I ＼O模 块 、C O N T R L L E R L I N K通 讯模块 、 E T N以太网通讯处理模块 及模 拟量输入／ 输 出模块等 ，其 中 原煤系统 的 P L C的 C P U采用 C S 1 DC P U 6 5 H型 ，主洗系统 和浮选 系统 的 P L C的 C P U采用 C S 1 HC P U 6 5 H型 J 。 全厂控制 系统的管 理 网络与 控制 网络 之 间的信 息交换 是双 向的 ，即上 位机通 过环 形光 纤 以太 网与控 制层 网络 中 每个下位 P L C主站相 连 ，采 集其所 需的 各种运 行参 数信 息 及实时数据 ，经过监控软件 的运算处理同时在显示器上显 示出来 ，并能自动或手动操作将各种指令下发给控制网络。 这样就 实 现 了 自动监 测 及 控 制 的 生产 过 程。控 制 网 络 中 P L C的各个分站按照硬件地址在 C O N T R O L L E R L I N K网络 中相互识别 ，这样系统就不会造成信号拥塞 j 。全厂控制 系统的网络结构及 P L C配置如图 l 所示。 图 1 唐 山矿选 煤厂控制 系统 网络 结构 及 P L C配置 图 2 ． 4下 位 编 程 软 件 下位 P L C的编程软 件 O MR O N C XP r o a mm e r 是一 种 基于 Wi n d o w s 操作系统的高性能组态、编程、测试和程序 维护工具 ，本控制 系统中采用 的是 L D逻辑梯形 图编 程语 言 编制的控制程序 。 2 ． 5 集 中控 制 系统 功 能 1 设备 控制选择 。每个设 备都有 连锁／ 解 锁 、投运／ 检 修 、远控／ 就地等几个工作状态 ，用上位 机可 以很方便 地对 设备 的这些状 态进行选择／ 设 置 。 2 系统流程 启／ 停 。集 控 系统 可 以选择 现有 的工 艺流 程按逆煤 流方向逐 台启 动设 备 ，如果 正 在启 动 的设备 发生 故障 ，则该设备的上游设备不再启动 ，进入流程续启状态， 直 到该设 备正常启 动后 流程 才继 续启 动 。当系统 工作完 成 后 ，需 要停止正在 工作 的流 程 ，则 按顺 煤流 方 向逐 台延 时 停 止设 备 。如果现场工艺 流程发生变 化 ，亦 可对启／ 停 车流 程进行重新调整／ 组态 。本集控 系统有 着很强 的适应性 。 3 预告及故障报警功能。当集控系统按流程启／ 停车 或启动／ 停止单台设备时，可 以进行 启车／ 停车信号预告 ， 以提醒现场工 作人 员 。当系统 中某 台设 备发 生故 障 ，除流 程 做出相应 的停机 动作 ，还 将 以图形 颜 色 、语音 形式 和报 警 信号方式分别 对调度 室 和现 场进行 报 警 ，提 醒相关 人员 进行处理 。 4 数据采 集 、 处 理及 显 示功 能 。 系统 能 实时准 确 检测／ 下转第 1 2 6页 1 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 9期 可行性探讨 此种方式 在 O B 1中只调用 了一次 通讯 程 序块，在单次循环中，不会再发生响应故障问题，通过另 外一个地址修改程序的调用，实现了多个地址的循环通讯， 但是 ，在实际应用 中 ，由于发 送程 序与接 收程 序并不是 同 步执行，存在一定的时间差，如果 ，切换通讯参数的时机 不对 ，可能会 造成 接收 的数 据并不 是此 时当前地 址要求 的 数据的情 况。同时 ，一 旦在 实际应用 中，如果 发生 某个 现 场从站发生故障，完全无法通讯时，程序运行轮询到该站 时，无法读取到收发的结束标志位 ，整个地址轮询过程就 会中断。因此，针对此种思路，设计 的优化算法 如图 4 所示 。 图4 优化算法流程图 根据算法流程所示 ，程序在循环时，均判断收发程序 结束 标 志 位 与 故 障 标 志 位 ，当 检 查 到 接 受 成 功 标 志 位 D O N E 时 ， 此 次 通 讯 已经 成 功完 成 ， 数 据 已经 正 确 存 储 ， 可以切 换从 站地 址 ，进行 下一从 站通讯 。如果 当累积 故障 标志位达到 1 O次时，即认为该地址从站物理故障 避免因 现场干扰等因素造成的单次故障信号影响 ，并切换从站地 址进行下一次通讯 ，保证整个通讯过程 的不 间断正确轮询 。 经过项 目实验证实，该优化算法运行可靠稳定，提高 了整个 Mo d b u s网络 的通 讯效 率 ，并 且 经过 几 次机 组 的大 修，T E M单元断网实践证明，程序能够正确判断故障从站， 并无中断其他在 网从站的通讯过程，所有通讯数据详实可 靠，能够证明该优化算法在项 目中的成功应用。 3 结语 通过软件 的优化 ，解决 了 S I E ME N S s 7系列 P L C在 面 对大量第三方 Mo d b u s 从站设备通讯时 的局 限性 ，在确保通 讯过程可靠的同时，也兼顾了通讯过程轮询的效率。项 目 中系统运行至今 ，通讯过程可靠，及时全面地采集了大量 现场数据。可见 ，利用该方式来解决 S I E M E N S s 7系列 P L C 与大量第 三方 Mo d b u s 从 站设备 间通讯 问题 是值得 推广 的。 在面对大量第三方厂家设备时，采用 Mo d b u s 协议通讯，能 够有效降低系统通讯接 口门槛 ，降低系统成本 ，适合在国 内大多数集成了多家第三方设备的项 目场合中推广应用。 参考 文献 [ 1 ] 陈铭．基 于 MO D B U S协议 的设 备 和 P L C实现 通信 的研 究 [ J ] ．湖南科 技学院院报 ，2 0 0 9，3 0 4 6 O～6 2 ． [ 2] S i e me n s A D C o m p a n y． S I MA T I C P r o g r a m mi n g w i t h S T E P 7 V 5 ． 4 [ Z] ．S i e me n s A D C o mp a n y ，2 0 0 6 ． [ 3 ] 祝木 田，师勇．MO D B U S协 议通 讯 的应 用 [ J ] ．微计 算机 信息 ，2 0 0 4 ， O 6 5～7 ． [ 4] 张炜 ，金 自明．采 用 MO D B U S协议 对火 电机组某 些系统 与 D C S 通讯的改造 [ J ] ．电力建设 ， 2 0 0 6 ， 0 3 ． [ 5 ] 薛海涛，卫星，陈晓平．数据采集系统中 M o d b u s 协议的实 现 [ J ] ．微计算机信息， 2 0 0 7 ， 2 8 。 责任 编辑赵巧 芝 上接 第 1 2 3页 显示电流、料位、液位、转速等模拟量数据，对关键设备 的运行进行记时统计，根据检测记录的数据，计算和统计 出各种 数据报表 。 3应 用总 结 基 于 O MR O N C S 1系列 P L C构成 的光纤冗 余环 网结构 的集中控制系统在唐山矿选煤厂的应用，大大提高了唐山 矿选煤厂生产系统的 自动化水平和管理水平，减轻了工人 的劳动强度。该系统可靠性强、故障率低，易于维护和管 理 ，自2 0 0 6年 5月投入运行 以来 ，为唐 山矿 选煤厂创 造 了 显著的经济效益和社会效益。其安全性及 管理决策 的便利 ， 间接 带来 的经 济效益更 是 巨大 的，为选煤 厂 自动化系统 打 1 2 6 开 了一个新的领域 。 参考文献 [ 1 ] 皮状行 ．可编程序控 制器 的系统设计 与应用 实例 [ M] ．北 京 机械工业 出版社 ，2 0 0 1 ． [ 2 ] 阳宪惠．现场 总线技术及其 应用 [ M] ．北 京 清华大学 出 版社 ，1 9 9 9 ． [ 3 ] 欧姆 龙 自动 化 中国 统 辖集 团． F A系 统 产 品综 合 手 册 [ z ] ．北京 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