基于PLC的煤炭機械化取制樣系統研究*

胡志偉，郝偉

(1.煤炭科學技術研究院有限公司檢測分院， 北京 100013；2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室， 北京 100013；3.國家能源神東質量技術檢測檢驗中心， 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

目前，我國對煤炭能源的需求量依舊日益增長，煤炭的質量好壞及售價的高低是由煤的類別、水分、灰分等性質所決定的。對煤質的檢測過程中，煤的取樣是一個重要的環節，取樣環節的影響占整個煤質檢測影響的80%[1]。機械化采樣較人工采樣精密度高，能保證足夠的子樣量，尤其對一些品質波動較多，粒度不均勻的煤種，優勢更為明顯。

隨著采樣機械設備技術的發展，大部分的煤種都能通過機械化取樣獲得樣品。電控部分用于完成對各個設備的控制，保證其功能性、安全性、可靠性和準確性。PLC作為整個電控部分的核心，用于檢測系統設備的運行狀態，控制處理在各種情況下設備的運行方式。本文根據煤炭機械化取制樣的工藝流程及控制需求，基于羅克韋爾PLC設計了一套集取制樣邏輯控制、信息數據采集、處理與傳遞、運行監控于一體的煤炭機械化取制樣自動控制系統。利用RSLogix5000編程軟件完成煤炭機械化取制樣控制梯形圖的設計，利用Factory Talk View SE組態軟件完成監控報警界面的設置，構建系統監控平臺。

1 羅克韋爾PLC控制系統

1.1 羅克韋爾ControLogix控制器

羅克韋爾研發的ControLogix控制器是一種綜合型的控制器，所能實現的控制供能幾乎覆蓋了工業控制系統的基本需求[3]。

1.2 羅克韋爾Factory Talk View SE組態軟件

Factory Talk View SE是高度集成的、基于組件的HMI人機界面監控軟件，用于監視和控制自動化設備和生產過程，安裝于控制室的自動化監控設備，由操作人員通過監控畫面，點擊鼠標進行啟?？刂苹蛘邊敌薷?、指令下達等操作。

2 控制系統結構

2.1 控制要求

1) 滿足煤炭采制樣工藝流程并實現在控制室對采制樣系統集中控制和數據集中處理以及監視、管理等所有控制要求[4]。

2) 系統設計在實用、可靠的基礎上，充分體現合理性和先進性。

3) 系統向操作人員提供簡單、方便的操作方式和完整的故障顯示及檢查方法，并具有防誤操作功能。

4) 系統具有良好的抗干擾功能，以確保信號傳輸的可靠性。

2.2 控制設備

煤炭機械化取樣系統中的設備主要包括初級采樣器、給料帶式輸送機、對輥破碎機，縮分帶式輸送機，切割器，錘式破碎機，旋轉縮分器，棄樣帶式輸送機，斗式提升機等設備[5]。由于煤炭機械化采樣系統的采樣周期較短一般在60～120 s，目前基本都是采用除初采機以外的設備按逆料流方向依次啟動完成后，等待采樣周期結束后的初采機動作，切割器動作隨初采機進行動作，完成對煤炭樣品的一次縮分，作業完成后系統停止按順煤流方向依次停止。

2.3 硬件結構

取樣控制系統一般分為兩層，一層為中央控制室內的2臺監控計算機，這2臺計算機互為備用的方式，中央控制室的相關人員通過計算機安裝的上位機界面完成煤炭機械化取制樣系統的參數設定、系統啟停、單體設備操作等控制，另一層為電氣設備室內的可編程控制器即PLC，其與各個現場設備的傳感器，相應配電柜抽屜內的控制元件及其它系統所需的信號相連。主要作用讀取各個傳感器的信號，配電柜內空開，接觸器及熱繼信號，操作臺信號及港口或煤礦上初采機所在主輸送帶的相關信號，輸出控制系統中各個設備的運行狀態，并將一些必要的信號傳達給控制室的操作人員，現場的維護人員及港口或煤礦的中央控制室的相關人員。

該系統采用羅克韋爾公司的PLC控制器ControlLogix5000系列，選用1756-L71 CPU, 1756系列的I/O模塊， 數字量輸入模塊要用于主帶式輸送機運行狀態、配電柜空氣開關、熱繼電器、接觸器狀態、設備機旁操作箱旋鈕狀態、制樣塔設備監測傳感器等數字信號的輸入，數字量輸出模塊主要用于系統內各設備的啟停、主帶式輸送機故障聯鎖、系統報警等控制信號輸入。通信模塊選用1756-ENBT/A,實現上位機和PLC之間的通信；機架A作為主機架,通過1756-CNB/E通信模塊實現與擴展機架(機架B)的ControlNet通信[6]；安裝機架 1756-A7 為模塊直接提供高速的通信通道，其硬件結構如圖1所示，機架A如圖2所示。

圖1 硬件結構圖

圖2 機架A

2.3 軟件應用

羅克韋爾軟件均運行在Windows操作環境下，設計人性化，功能強大，易于使用。煤炭取制樣系統程序編輯采用RSLogix5000，編寫控制程序，使系統按照既定的運行規則進行，保證系統運行的安全性、穩定性和準確性，上位機組態軟件選用FactoryTalk View SE，用于顯示系統內設備的運行狀態，系統設置的參數和運行參數，報警信息等[6]。

3 控制程序

3.1 PLC I/O分配

外部輸入變量：設備速度信號、空開/熱繼電器/接觸器信號、堵塞信號、主輸煤帶式輸送機運行信號等I/O變量。

外部輸出變量：流程設備控制信號、聯鎖輸出、報警提示等,數字量輸入模塊一和數字量輸出模塊一I/O表如圖3所示。

圖3 數字量輸入模塊一、輸出模塊一I/O表

3.2 控制程序邏輯流程

控制程序使用梯形圖語言編程，程序根據功能要求劃分為主程序塊、驅動輸出程序塊、故障報警程序塊、切割器程序塊、收集器程序塊等。

系統總體邏輯流程如圖4所示，系統開始后，設備按照逆料流方向從斗提機依次起車，間隔時間應大于該設備卸載物料所需要的時間。系統停止后，應按順料流方向逐臺設備依次停車，間隔時間應大于上一級設備卸載物料所需要的時間。系統運行中某一單體設備發生故障，該設備及其系統內上游設備立即停止運行，系統內下游設備按照順煤流方向依次停止運行。系統啟動后，采樣周期開始倒計時，在倒計時結束后，需要檢測主帶式輸送機的皮帶秤信號，保證初采機能取到一定質量的煤樣。若主帶式輸送機上流量太小，取到的煤樣質量小，無法滿足單個采樣量的要求；若主帶式輸送機上流量太大，取樣量會超過初采機所設計的最大容量，對初采機造成機械性損傷。在倒計時結束后，若主帶式輸送機流量不在設置的采樣范圍內，需要一直等待，直到持續監測到流量恢復正常范圍3 s，才能觸發初采機的動作。

圖4 系統控制邏輯流程

切割器第一次動作應取到物料的頭部。最后一次能取到在最大流量的情況初采機取到的物料尾部。樣品收集器有6個桶位，在完成設定的每桶樣量后，能自動轉到下一桶位。

3.3 關鍵設備的控制

初采機作為煤炭機械化取制樣系統中作為關鍵的設備，主要用于完成初級子樣的截取,初采機控制邏輯流程如圖5所示。在機械結構調整到合理的狀態下，其每次采樣的動作時間、長時間運行的動作穩定性、在出現緊急情況下的安全性，是該控制系統必須要考慮的。動作時間要嚴格按照計算所得的采樣周期運行；編程語言的邏輯性，所用PLC的CPU高性能，保證了系統長時間運行的穩定性；編程過程的思維縝密，確保了初采機運行的安全性。

圖5 初采機控制邏輯流程

4 上位機界面

上位機界面如圖6所示包含顯示、操作和報表打印等功能，能夠實現采制樣系統流程選擇、單體設備啟停、采樣信息設置、系統參數設置、設備狀態查詢、報警信息顯示、歷史數據查詢。

圖6 Factory Talk View SE組態界面

5 結論

RockwelPLC采用的是一種先進的模塊化系統，可以更高效地進行程序設計和系統構建，從而節省了項目實施成本。該系統采用了模塊化的設計，確保在調試和維護過程的方便，能夠有效地降低系統在后期維護方面的成本。該控制系統在建成后，通過了系統的偏移及精密度試驗，能夠滿足煤炭機械化采樣的要求，且已投用于國投京唐港、神東礦區等共20余套煤炭機械采樣項目中，系統能長期安全、準確、穩定地運行，創造了較好的收益，獲得了良好的口碑。