基于PLC的煤炭机械化取制样系统研究*

胡志伟，郝伟

(1.煤炭科学技术研究院有限公司检测分院， 北京 100013；2．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室， 北京 100013；3.国家能源神东质量技术检测检验中心， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引言

目前，我国对煤炭能源的需求量依旧日益增长，煤炭的质量好坏及售价的高低是由煤的类别、水分、灰分等性质所决定的。对煤质的检测过程中，煤的取样是一个重要的环节，取样环节的影响占整个煤质检测影响的80%[1]。机械化采样较人工采样精密度高，能保证足够的子样量，尤其对一些品质波动较多，粒度不均匀的煤种，优势更为明显。

随着采样机械设备技术的发展，大部分的煤种都能通过机械化取样获得样品。电控部分用于完成对各个设备的控制，保证其功能性、安全性、可靠性和准确性。PLC作为整个电控部分的核心，用于检测系统设备的运行状态，控制处理在各种情况下设备的运行方式。本文根据煤炭机械化取制样的工艺流程及控制需求，基于罗克韦尔PLC设计了一套集取制样逻辑控制、信息数据采集、处理与传递、运行监控于一体的煤炭机械化取制样自动控制系统。利用RSLogix5000编程软件完成煤炭机械化取制样控制梯形图的设计，利用Factory Talk View SE组态软件完成监控报警界面的设置，构建系统监控平台。

1 罗克韦尔PLC控制系统

1.1 罗克韦尔ControLogix控制器

罗克韦尔研发的ControLogix控制器是一种综合型的控制器，所能实现的控制供能几乎覆盖了工业控制系统的基本需求[3]。

1.2 罗克韦尔Factory Talk View SE组态软件

Factory Talk View SE是高度集成的、基于组件的HMI人机界面监控软件，用于监视和控制自动化设备和生产过程，安装于控制室的自动化监控设备，由操作人员通过监控画面，点击鼠标进行启停控制或者参数修改、指令下达等操作。

2 控制系统结构

2.1 控制要求

1) 满足煤炭采制样工艺流程并实现在控制室对采制样系统集中控制和数据集中处理以及监视、管理等所有控制要求[4]。

2) 系统设计在实用、可靠的基础上，充分体现合理性和先进性。

3) 系统向操作人员提供简单、方便的操作方式和完整的故障显示及检查方法，并具有防误操作功能。

4) 系统具有良好的抗干扰功能，以确保信号传输的可靠性。

2.2 控制设备

煤炭机械化取样系统中的设备主要包括初级采样器、给料带式输送机、对辊破碎机，缩分带式输送机，切割器，锤式破碎机，旋转缩分器，弃样带式输送机，斗式提升机等设备[5]。由于煤炭机械化采样系统的采样周期较短一般在60～120 s，目前基本都是采用除初采机以外的设备按逆料流方向依次启动完成后，等待采样周期结束后的初采机动作，切割器动作随初采机进行动作，完成对煤炭样品的一次缩分，作业完成后系统停止按顺煤流方向依次停止。

2.3 硬件结构

取样控制系统一般分为两层，一层为中央控制室内的2台监控计算机，这2台计算机互为备用的方式，中央控制室的相关人员通过计算机安装的上位机界面完成煤炭机械化取制样系统的参数设定、系统启停、单体设备操作等控制，另一层为电气设备室内的可编程控制器即PLC，其与各个现场设备的传感器，相应配电柜抽屉内的控制元件及其它系统所需的信号相连。主要作用读取各个传感器的信号，配电柜内空开，接触器及热继信号，操作台信号及港口或煤矿上初采机所在主输送带的相关信号，输出控制系统中各个设备的运行状态，并将一些必要的信号传达给控制室的操作人员，现场的维护人员及港口或煤矿的中央控制室的相关人员。

该系统采用罗克韦尔公司的PLC控制器ControlLogix5000系列，选用1756-L71 CPU, 1756系列的I/O模块， 数字量输入模块要用于主带式输送机运行状态、配电柜空气开关、热继电器、接触器状态、设备机旁操作箱旋钮状态、制样塔设备监测传感器等数字信号的输入，数字量输出模块主要用于系统内各设备的启停、主带式输送机故障联锁、系统报警等控制信号输入。通信模块选用1756-ENBT/A,实现上位机和PLC之间的通信；机架A作为主机架,通过1756-CNB/E通信模块实现与扩展机架(机架B)的ControlNet通信[6]；安装机架 1756-A7 为模块直接提供高速的通信通道，其硬件结构如图1所示，机架A如图2所示。

图1 硬件结构图

图2 机架A

2.3 软件应用

罗克韦尔软件均运行在Windows操作环境下，设计人性化，功能强大，易于使用。煤炭取制样系统程序编辑采用RSLogix5000，编写控制程序，使系统按照既定的运行规则进行，保证系统运行的安全性、稳定性和准确性，上位机组态软件选用FactoryTalk View SE，用于显示系统内设备的运行状态，系统设置的参数和运行参数，报警信息等[6]。

3 控制程序

3.1 PLC I/O分配

外部输入变量：设备速度信号、空开/热继电器/接触器信号、堵塞信号、主输煤带式输送机运行信号等I/O变量。

外部输出变量：流程设备控制信号、联锁输出、报警提示等,数字量输入模块一和数字量输出模块一I/O表如图3所示。

图3 数字量输入模块一、输出模块一I/O表

3.2 控制程序逻辑流程

控制程序使用梯形图语言编程，程序根据功能要求划分为主程序块、驱动输出程序块、故障报警程序块、切割器程序块、收集器程序块等。

系统总体逻辑流程如图4所示，系统开始后，设备按照逆料流方向从斗提机依次起车，间隔时间应大于该设备卸载物料所需要的时间。系统停止后，应按顺料流方向逐台设备依次停车，间隔时间应大于上一级设备卸载物料所需要的时间。系统运行中某一单体设备发生故障，该设备及其系统内上游设备立即停止运行，系统内下游设备按照顺煤流方向依次停止运行。系统启动后，采样周期开始倒计时，在倒计时结束后，需要检测主带式输送机的皮带秤信号，保证初采机能取到一定质量的煤样。若主带式输送机上流量太小，取到的煤样质量小，无法满足单个采样量的要求；若主带式输送机上流量太大，取样量会超过初采机所设计的最大容量，对初采机造成机械性损伤。在倒计时结束后，若主带式输送机流量不在设置的采样范围内，需要一直等待，直到持续监测到流量恢复正常范围3 s，才能触发初采机的动作。

图4 系统控制逻辑流程

切割器第一次动作应取到物料的头部。最后一次能取到在最大流量的情况初采机取到的物料尾部。样品收集器有6个桶位，在完成设定的每桶样量后，能自动转到下一桶位。

3.3 关键设备的控制

初采机作为煤炭机械化取制样系统中作为关键的设备，主要用于完成初级子样的截取,初采机控制逻辑流程如图5所示。在机械结构调整到合理的状态下，其每次采样的动作时间、长时间运行的动作稳定性、在出现紧急情况下的安全性，是该控制系统必须要考虑的。动作时间要严格按照计算所得的采样周期运行；编程语言的逻辑性，所用PLC的CPU高性能，保证了系统长时间运行的稳定性；编程过程的思维缜密，确保了初采机运行的安全性。

图5 初采机控制逻辑流程

4 上位机界面

上位机界面如图6所示包含显示、操作和报表打印等功能，能够实现采制样系统流程选择、单体设备启停、采样信息设置、系统参数设置、设备状态查询、报警信息显示、历史数据查询。

图6 Factory Talk View SE组态界面

5 结论

RockwelPLC采用的是一种先进的模块化系统，可以更高效地进行程序设计和系统构建，从而节省了项目实施成本。该系统采用了模块化的设计，确保在调试和维护过程的方便，能够有效地降低系统在后期维护方面的成本。该控制系统在建成后，通过了系统的偏移及精密度试验，能够满足煤炭机械化采样的要求，且已投用于国投京唐港、神东矿区等共20余套煤炭机械采样项目中，系统能长期安全、准确、稳定地运行，创造了较好的收益，获得了良好的口碑。