洗煤厂集中自动化控制系统设计

摘要：为了提高洗煤厂工作效率，采用可编程序控制器构成具有一定自动化水平的工业生产线，结合洗煤厂特点，简述了可编程序控制器系统的开发过程、注意事项及应用实例，并对其进行了论证，以供参考。介绍了以三菱PLC和工控机构成的洗煤厂分布式集中控制系统，给出了设计要求、硬件配置及软件设计等，具有控制可靠，运行良好的特点。
关键词：洗煤厂；设计；工控机；PLC

    洗煤厂是煤炭深加工的主要场所之一，通过对原煤的洗选对增加煤炭生产企业的煤炭品种和提高企业的经济效益有重要作用。洗煤厂各部分的地理位置相对比较分散、测控点多、工艺要求复杂，对洗煤厂实行集中控制，可有效地提高企业的生产效率和控制煤品的质量。本文介绍的集中控制方案简洁明了，设备投资成本较低，有一定的推广价值。

1 PLC工作原理及功能
    PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强，使用方便，易于实现机电一体化的优点，因此，当被控制系统具有以下特点时，宜优先选用。
    (1)输入输出以开关量为主；
    (2)输入输出点数较多，一般应大于20点；
    (3)控制系统使用环境较差，可靠性要求高；
    (4)系统工艺流程复杂，用常规的继电器接触器控制难以实现；
    (5)系统工艺有可能改进或系统的控制要求有可能扩充。
    洗选生产工艺相对复杂，测控点多，即使是中小型洗煤厂车间的测控点，也超过20点，一条新型洗选生产线的测控点大约在3 000点左右，随规模大小、主机设备及工艺流程的不同而有所变化，测控点的类型以开关量点为主，洗煤厂用于电机顺序控制的测点数占所有测控点的80％以上，同时洗选工艺设备单机容量大，生产的协调性、快速性和连续性强，而环境条件恶劣，高温、高粉尘、大振动、强干扰等，洗选生产线所有这些特点，客观上要求采用高水平的自控系统，另一方面，中小洗煤厂由于缺乏高素质的自动化技术人员，主观上迫切需要设计容易、安装简单、调试周期短、现场检查维修方便、扩充改进容易的控制系统，而PLC控制系统正是适应和迎合了中小洗煤厂的需要，成为中小洗煤厂技术改造、提高自动化水平的优选控制系统方案。PLC控制系统与其他控制系统的比较见表1。

2 洗煤厂控制系统组成和工作原理
2．1 洗煤厂控制对象和设计要求
    洗煤厂主要包括三大部分功能：一是主洗厂房，是洗煤厂的核心部分用来对入洗原煤进行分筛选取，主要控制设备有原煤入洗皮带、高频筛、跳汰机、捞坑斗式提升机以及末煤、精煤和混煤刮板运输机等；二是泵站房，用来提供主洗厂房所需的水循环系统和煤泥的浓缩等，主要控制设备有滤液泵、煤泥泵和液位计等；三是装车房，用来对已洗煤进行装车控制，主要控制设备有配仓刮板机、给煤机、装车皮带、牵牛和称重计等。
    系统的设计要求有：上位机作为主站与三个PLC分站构成分布式集中控制系统，可对整个系统进行控制，并对运行状况进行监视。三个PLC从站分别用来控制主洗厂房、泵站和装车房的运行和对相关的运行信息进行采集。整个系统须逆向起动，顺向停车。当任一设备出现停机故障时，其上级的所有设备必须立即停止，而下级所有设备顺向延时停车，具有集中控制和单机控制功能，上位机应有清晰的工艺流程画面和相关的信号指示及信息显示。
2．2 洗煤厂控制工作原理
    现场的控制和运行状态信号经三个PLC从站进行数据采集和变换，通过RS 485网送到上位工控机进行显示，工控机根据系统的运行状态发出控制指令。由于三个PLC从站实际上是并联连接，因此它们之间的数据是通过上位机发出的指令进行传送的。
2．3 洗煤厂控制系统硬件组成
    FX2N是三菱FX系列PLC家族中最先进、性价比最高的一种，其突出优点是包容了标准特性，程序执行更快且全面补充和完善了通信功能，具有满足单个需要的大量特殊功能模块，最大控制点数高达256点，为自动化控制提供了最大的灵活性和控制能力。
    在网络和通信方面，FX2N系统采用世界上最流行的开放式网络CC-Link，Profibus和DeviceNet以及RS 232，RS 422或RS 485串行通信，可组成传输高达12 Mb／s的控制网络。
    采用三菱FX2N系列PLC及其串行通信转换接口FX-485PC-IF与研华工控上位机组成分布式集中控制系统，如图1所示。

    其设计要点为：由于上位机为RS 232通信接口，而PLC为RS 485接口，必须通过通信转换接口FX485PC-IF进行转换；由于上位机主站到最末的3号PLC从站的实际距离为400 m左右，而FX2N系列PLC的RS 485通信板所构成的网路最大传输距离为50 m，因此在每台PLC从站上要用三菱通信适配器FX-485-ADP替换RS 485通信板，使上位机主站到最末一级的PLC从站的实际通信距离达到500 m，以满足现场设计的要求。
    为增强系统的抗干扰能力，三个PLC从站对现场采集的数字量输入信号和PLC数字量输出信号均经过继电器隔离，模拟量信号的传输均采用屏蔽电缆；采用二台上位工控机，通过转换板使之互为备用，二台工控机运行相同的程序和画面。
2．4 洗煤厂控制系统软件设计
    系统软件主要由PLC编程软件和上位机监控软件两部分组成。PLC编程软件使用专门开发的用于FX系列的FX-PCS／Windows 9X编程环境，可用梯形图、指令表或时序功能图进行编程；监控软件采用三维科技的Force Control(力控)，此软件可方便地创建Windows操作系统下丰富的人机界面／监控与数据采集(HMI／SCADA)应用系统。
    现场侧点信号由三个PLC从站采集后，通过RS 485网络送至IPC进行显示；煤仓中的煤位、水池中的水位等调节量和报警设定值在IPC操作后，结果通过RS 485网络送至相应的PLC。
    IPC运行三维的Force Control软件，通过软件本身的实时数据(DB)和I／O驱动程序，建立起DB与I／O驱动程序的服务器／客户计算模式，I／O驱动程序完成过程I／O数据的采集与回送，三个PLC从站分别与三个I／O驱动程序相连。PLC之间的数据传递可通过创建脚本程序，并通过IPC发出指令来完成。
    系统采用三维科技的Force Control 2．0工控组态软件进行画面的显示设计。Force Control有三种获得数据的方法：使用系统本身提供的I／O驱动程序、用户开发动态数据库DLL和使用动态数据交换DDB。由于系统本身具有FX系列PLC的I／O驱动程序，因此，以使用I／O驱动程序最为方便。数据显示方法有：模拟表显示、棒图显示、趋势图显示和历史曲线显示等。根据工艺和操作要求进行画面的分类设计，如整个洗煤厂的运行状态图，主洗厂房、水泵站和装车房的分画面，以及故障报警画面等。

3 结语
    通过PLC应用实践，首先明确PLC控制系统要达到的目标。以提高生产率，增强控制的准确性为目的时，着重考虑与计算机的通信能力；其次，明确PC系统的结构方式，根据不同的控制对象选择相应的方式，比如对单台机床的控制选独立式即可；设备密集控制复杂的系统采用集中式为宜(如加热炉系统)；分布式系统则宜于设备分散、局部系统独立性较强的系统；再次，系统设计时硬件和软件应综合考虑，二者不要绝对分开，因为，软件本身的硬件更具有修改的便捷性，且就二者的相互适应性而言，软件的可塑性绝对高于硬件；最后，系统运行后已完善的控制软件要坚信其正确性和可靠性，系统故障时应从硬件及外部设备的检查入手，不应轻易修改程序。
    本文的洗煤厂集控系统，采用分布式集中控制的方法进行设计，具有可靠性高、使用方便、研制周期短和节约投资等特点。系统自投运以来，运行良好，对提高洗煤厂自动化水平和节约投资起到了良好的示范作用。