选煤厂自动冲洗控制系统

张海涛， 李丙林， 徐 勇， 刘克平＊

（1.长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 130012；2.国网宜都市供电公司，湖北 宜昌 443300）

0 引 言

在煤炭传输过程中，需要频繁地对斜胶带进行冲洗，冲洗时间的控制将直接影响到传输效率。在某煤矿选煤厂自动冲洗控制系统中，下位机选用西门子S7－300PLC，微型计算机作为上位机，装载了功能强大的WinCC组态软件。系统中S7－300PLC与WinCC之间支持Profibus－DP通讯、MPI通讯、Profinet通讯，从实际工程的实时性和经济性方面进行考虑，本系统采用工业以太网的通讯方式，可以在WinCC监控画面上实现设备的实时可视化监控［1］。

1 方案论证

1.1 控制器的选择

在本研究中下位机采用西门子S7－300PLC而不采用单片机的原因如下：

1）语言区别。目前PLC广泛使用梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本，单片机应用指令符号语言。单片机靠人脑按照控制要求编写程序，而PLC可以先输入控制要求，然后自动生成实时控制程序，效率极高。

2）功能区别。PLC具有丰富的立即可用功能：开关量逻辑控制、闭环过程控制、运动控制、数据处理、通信联网，包含大量的独立定时器、计数器，可直接与现场的实际设备相连接，开发有各种各样的功能模块供编程人员调用。单片机只是单一的处理器，如果不能用单片机开发出PLC，则只能作为专用控制器使用。

3）选用区别。当使用数量少或控制逻辑比较繁琐时，使用单片机开发专用控制器性价比较差，当使用数量多、控制逻辑比较简单、控制逻辑基本不变、通讯网络单一时可以选用单片机专用控制器。

1.2 组态软件的选择

微型计算机作为其上位机，装载了功能全面的WinCC组态软件。中英文结合的工控组态软件WinCC具有简单灵活的可视化操作界面、良好的并行处理性能、丰富的多媒体画面以及良好的可维护性等优点。WinCC通过通信驱动程序从可编程序控制器获取通信数据，对通信数据进行加工处理后，以图形的方式形象地显示在组态监控画面上，同时，根据组态要求以及操作员的指示将控制数据传送到现场执行设备，控制执行机构的运行，并调整其运行参数。

2 系统介绍

自动冲洗控制系统目前已投入使用，不仅提高了工作效率，也可保证可靠性和稳定性，实现了传输系统中斜胶带的全自动冲洗。系统控制要求如下：

1）该控制系统分为自动和手动两种运行方式。当切换到自动状态时，喷头依次喷水2min，循环运行；当切换到手动状态时，可以对喷头进行单独控制。

2）画面要有动态效果，且由静态到动态转换时需有空间感。

3）有故障显示报表并能对具体喷头故障进行打印。

4）应有就地／集控状态显示，就地时集控不可控只显示。

5）PLC程序和WinCC画面需要设置权限保护。

6）应配有日期和时钟数字显示窗口。

针对以上控制要求，该项目采用PLC与WinCC组态相结合技术，建立了自动冲洗控制系统。组态监控系统、PLC电气控制系统与设备的关系如图1所示。

图1 控制系统关系示意图

采用PLC构建的电气控制系统一方面与设备相连，完成设备运行的所有控制信号采集、运算处理和向设备输出驱动控制信号，控制设备运行；另一方面PLC同时将设备运行的状态信号传送到上位机，通过由组态软件构建的监控系统，实现设备的实时可视化监控［2］。

3 系统设计方案

3.1 下位机

下位机采用西门子S7－300PLC，其构建的电气控制系统一方面与设备相连，完成设备运行的所有控制信号采集、运算处理和向设备输出驱动控制信号，控制设备运行；另一方面PLC同时将设备运行的状态信号通过以太网的方式传送给上位机，通过由WinCC组态软件构建的监控系统，实现设备的实时可视化监控［3］。

1）中央处理单元。中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，它用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器，在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果更换有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。

2）PLC控制程序。本系统中需有就地／集控状态切换，就地时集控不可控。集控时分为自动和手动两种工作方式，当切换到自动状态时，喷头依次喷水2min，循环运行；当切换到手动状态时，可以对喷头进行单独控制。

3.2 上位机

WinCC是一套基于Windows平台的，用于自动控制系统的监控层，提供了监控层的软件平台和开发环境，通过灵活的组态方式，可使用户快速构建工业自动控制系统监控功能。可以在一台计算机上同时完成数据采集、信号数据处理、数据图形显示、人机对话、实时数据的存储、历史数据的查询、实时通信等多个任务［4］。

1）系统界面。为了更好地实现对自动冲洗控制系统的优化运行，监控系统设计为由权限登录界面、图形编辑器界面、故障打印画面、具体故障查询画面、运行系统界面等组成。自动冲洗监控界面如图2所示。

图2 自动冲洗监控界面

2）密码登陆与注销。除了为登录或注销过程而组态的热键之外，WinCC还提供了函数PWRTLogin（）用于密码登录，函数PWRTLogout（）来执行密码注销。用于密码登录和注销的函数是WinCC应用程序函数。打开“用户管理器”，新建用户“family”，进行用户权限设定。登录与注销密码设定如图3所示。

图3 登录与注销密码设定

3）在WinCC里调用STEP7的变量。在WinCC里调用STEP7中变量的前提条件是WinCC项目文件必须集成在STEP7项目中。在建立新的STEP7项目后，选择“InsertNew Object”，此时系统会在STEP7项目文件里建立一个WinCC项目文件，可以通过在项目名称上点击右键，选择“OpenObject”打开并编辑这个WinCC项目。同时，在STEP7项目文件中插入一个OS站，把它改名为已有的WinCC项目名称，在STEP7项目里删除因仅插入OS站而产生的WinCC项目文件，在项目复制器里用“Save as”把已有的WinCC项目文件存储到STEP7项目路径下。在WinCC里调用STEP7的变量如图4所示。

图4 在WinCC里调用STEP7的变量

3.3 Profinet通讯

控制系统中S7－300与WinCC之间的通讯可分为profibus DP通讯、MPI通讯、Profinet通讯［5］，从工程应用的实时性和性价比方面进行考虑，本系统采用工业以太网的通讯方式。PLC与WinCC之间采用工业以太网通信时网线必须是交叉连接。在硬件组态中设置CPU下的PN－IO属性，要求PLC网络地址与计算机网络地址处于同一个网段内；在WinCC中添加SIMATIC S7－300Protocol Suite.chn驱动程序，打开连接参数对话框，将WinCC的连接地址设为PLC的网络地址。添加新的驱动程序如图5所示［6－7］。

图5 添加新的驱动程序

4 结 语

实际使用证明，通过PLC与WinCC组态相结合技术实现选煤厂斜胶带走廊自动冲洗控制系统，可以方便、安全、稳定地实现对整个冲洗过程的监控。PLC与WinCC之间采用Profinet通信，其通信数据的实时性、安全性、稳定性均可达到最优化。基于该方案的自动冲洗控制系统因其操作灵活、性能稳定、维修方便而受到用户好评。

［1］ 许洪华，杨春生.现场总线与工业以太网技术［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［2］ 李丙林，宋殿斌，刘克平.PLC和触摸屏在耐压试验监控系统中的应用［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2011，32（4）：394－398.

［3］ 廖常初.S7－300／400PLC应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］ 李方圆.人机界面设计与应用［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［5］ 甘永梅，刘晓娟，晁武杰，等.现场总线技术及应用［M］.2版.北京：机械工业出版社，2008.

［6］ 李丙林.正压浓相气力输灰的PLC监控系统［J］.电气时代，2011（11）：104－106.

［7］ 杨方兴，岳剑锋，王锋，等.多PLC控制系统的组态策略［J］.天津工业大学学报，2013（6）：68－71.