基于PLC的快速装车集控系统在选煤厂的应用与研究

2023-02-22王海坤

科学与信息化 2023年3期

王海坤

河北冀中邯峰矿业有限公司马头洗选厂河北邯郸 056045

引言

马头洗选厂是冀中邯峰矿业有限公司主力选煤厂，是我国“一五”期间由苏联援建的156项重点工程之一，1959年9月正式投产。自建成至今经过多次工艺升级和改造，现每年入洗能力在400万吨以上。该厂原有精煤装车系统需要至少两个人在异地操作，还需要协同作业，操作难度大，沟通成本高，信息传递不可靠，装车效率低。为实现精煤快速装车，2022年，该厂将原有装车模式改为集中控制，操作人数由两人减少为一人，异地操作改为一地一人集中操作；现场放仓设备运转视频信息由高清摄像头传输到操作室，实时监控设备运行状态；同时将平车、返装、牵引绞车等设备控制也融合到本集控系统中，大大提高了精煤装车效率，满足快速装车要求。

1 集控系统总体架构设计

本系统主要架构如下图框图所示，包含3个部分，一是放仓、绞车、平车器、返装、刮板机等设备启停控制和运行信号监控；二是现场布设高清工业视频摄像头，实现设备运行视频信号全覆盖，实时传输到操作室；三是保留原有衡器计量系统，简化操作，与改造后集控系统融合操作。

图1 集控系统架构图

2 硬件设计

2.1 自动控制系统硬件选型

本系统控制的设备有电磁吹风阀门、电液推杆、刮板机、绞车、平车器、返煤皮带等设备，设备种类多，控制点位多，合计输入点位57个、输出点位51个，还需要监控记录三台电机电流，考虑到与厂内其他自控系统兼容性，实现数据互联互通，选取西门子smart200系列PLC作为本系统中央处理单元，主模块选用CPU ST60标准型CPU模块，晶体管输出，24VDC供电，36输入/24输出，可扩展6个IO模块，集成PROFINET端口，自带以太网通信接口，便于信息交互；系统需要点位100余个，只选用主模块不能满足点位要求，本系统选用3个EMDT32数字量输入/输出模块扩展IO点位，每个数字量模块具有16路24VDC输入和16路24VDC输出，不仅满足点位要求，还留有余量作为备用；由于需要监控绞车、刮板机电流状态值，还增加了模拟量输入模块，型号EMAE04，具有四路输入能力，一路作为备用[1]。

设备电流信号采用开口式互感器采集，将交流电流信号直接转换为4～20mA信号。电流显示仪表采用安东LU-DP4型智能电流表，其运行可靠精度高，设置上输入、输出量程可调，可根据上下限设置报警输出，同时还可将传入信号以4～20mA形式输出，本系统中电流显示仪表不仅将传入的电流信号在操作台上显示，还将信号传输到PLC中，再传输到上位机中显示、存储，便于使用过程中的查询分析[2]。

2.2 视频监控设备选型

为与厂内工业监控协议兼容，选用海康威视摄像头录制视频，摄像头分辨率400万像素，焦距2.8mm，支持Smart265编码格式，有效减少视频传输体积，降低网络传输带宽要求，防尘防水，可监听现场声音，带有红外夜视功能，即使在夜间也能看清设备状态，采用POE网线供电，即插即用，一根网线既实现了电源供电又实现了数据传输，节省布线，减少故障点[3]。

交换机选用华为S200-24P4S-A2型千兆网络企业级交换机，该交换机具有24个10/100/1000BASE-T以太网端口，4个千兆SFP，采用交流电源供电，交换机支持POE功能，可直接给摄像头供电；其包转发率42Mpps，交换容量336Gbps，充分满足12个摄像头以及其他设备的分组交换要求；支持VLAN功能，可把控制、监控、称重等系统划分不同VLAN，保证数据传输安全，信息传输可靠[4]。

NVR选择海康威视DS-7932N-R4，运算速度快，性能高，专门为400W及以上视频监控应用和存储设计。其解码能力强，可同时支持16路1080P高清视频解码，支持最高10T的存储硬盘，延长录像时间，本系统配备两块4T监控级硬盘用于视频数据存储，支持4K超高清画面输出，显示效果更清晰，还支持萤石、Ehome、ISUP5.0以及GB28181多种视频协议，满足对下采集、本地存储、对上传输的要求[5]。

3 软件设计

软件采用模块化设计理念，各个模块功能上相互独立，设计架构清晰，便于程序的编写和管理；模块间的耦合性小，出现问题故障时可对单独一个模块分析改写；本系统软件部分分为绞车控制模块、刮板机控制模块、返装皮带控制模块、振动电机控制模块、平车器控制模块、电液推杆控制模块、电磁吹风控制模块7个模块，每个模块之间可单独编写程序和调试，大大简化了程序编写难度和调试难度。

为保证设备运行可靠，软件设计了闭锁保护，当设备出现故障停车PLC检测不到该设备运行信号时，及时发出上级设备停车指令，从而避免上级设备料物堆积，防止事故扩大；为保证操作准确性，设置了就地/集中操作模式，模式选择只能由岗位司机在操作室选择，当选择集中操作模式时，现场控制箱除急停按钮外不起作用，当转换到就地模式时现场操作箱才能启停设备，分模式操作明确了操作权限，保证了装车系统的安全性。

上位机组态界面包含系统所有操作按钮、显示仪表，可以在上位机实现装车全部操作；设计了报警提示，当设备出现故障时上位机弹出警告界面并且实现声光报警，提示操作人员及时处理；设计了历史数据查询功能，可以以曲线、图表的形式查询分析，满足不同的分析需求。

4 网络架构设计

本系统中PLC、上位机、称重系统、视频监控均支持TCP/IP标准协议，由于具有相同的物理接口和协议标准，故重新设计、改造网络架构，将监控网络、工控网络、称重系统设备通信网络整合并划分VLAN管理，提高系统防毒、抗入侵能力，可共用一个交换机实现数据传输交换，简化设备[6]。系统网络连接拓扑图如下图所示：

图2 网络拓扑图

华为S200-24P4S-A2交换机为核心交换机，smart200PLC和上位机连接到此交换机实现PLC与上位机的通讯，两台设备划分IP地址为192.168.8.0/24网段，上位机读取PLC内部寄存器状态信息显示到界面，PLC执行上位机发过来的指令；视频监控接入到本交换机分配地址为192.168.1.0/24网段，将摄像头采集数据传输到NVR，实现视频录制和大屏显示；称重系统分配地址为192.168.6.0/24网段，可以将过磅、偏载信息上传到上位机。此外，本交换机还与上级万兆环网交换机相连接，将装车系统与厂内工业控制、视频监控融合到一起，实现信息交互，打破了信息孤岛。

5 功能及特点

将装车由岗位司机现场操作改为远程集中操作，二楼放仓岗位与装车岗位合并，改善了作业环境，满足职业健康要求；并且减少岗位司机4人，减人提效；编辑了上位机组态画面，实现设备故障原因可追溯，减少了维护时间。

将装车控制、工业监控、过磅三个网络融合为一个网络，分网段管理，管理逻辑清晰，网络安全性高，并且可直接接入企业万兆工业环网，打破信息孤岛，不同系统之间可相互调用数据，同时可将数据传输到手机端，从而及时科学指导生产。

本系统所有按钮操作、上位机操作、电流表数值、衡器数据、监控画面等都可记录在服务器数据库中，逐渐形成设备运行状态大数据，可以对以上数据联动分析，每天可对装车节数、装车吨数、装车时间做详细统计，分析装车特点，改变装车方式，从而提高装车效率；此外运行数据也可以动态展示设备运行状态，结合历史数据即可分析出设备维护周期，从而提前检修设备，实现预防性检修，提高设备可靠性。