基于PLC 的自动输煤系统的改造升级

煤气生产是某燃气分厂主要经营项目之一。输煤系统是确保煤气生产安全可靠运行的支持系统。该输煤系统由14 台振动给煤机、15 条输煤皮带、2 台振动筛、2 台粉碎机、2 个电磁铁、1 套下煤机、1 台出灰机、3 台排水泵、6 个煤仓组成。该系统的主要任务是对来料进行运输、粉碎、去杂、筛选，将符合要求的原煤按时送入煤仓，保障生产用煤不间断供应。该输煤系统原采用继电器-接触器控制系统（下煤机和出灰机采用S7-200控制系统），各部分现场独立控制，各工位操作人员通过无线对讲机现场沟通。由于输送线路长，输煤廊环境恶劣，设备数量多，以及无线对讲干扰大等原因，该系统存在工作效率低，故障反馈实时性差，安全性差等问题。鉴于输煤控制系统在煤气生产过程中的重要作用，为提高生产效率，对该系统进行改造升级，在主控室新增一套自动控制和监控系统，以实现远程操作与监控。该系统采用自动、手动两种控制方式，两种控制方式均具备连锁功能，遵循特定顺序启停，独立运行由点动功能控制。

1 系统组成

1.1 硬件系统构成

本次改造所需硬件系统包括：PLC 系统、数据采集系统、HMI 系统和工业电视系统（见图1）。

（1） PLC 系统

本系统采用S7-300 系列的315-2PN/DP PLC作为主站，采用ET200M 接口模块作为从站，采用PROFIBUS-DP 总线和DP 耦合器连接主控PLC、ET-200M、下煤机和出灰机的S7-200PLC，通过过程映像区实现各PLC 之间的数据交换。S7-300 是模块化的中小型PLC 系统，广泛应用于各种生产制造领域，其功能模块可以满足自动控制任务，用户可以根据实际应用选择合适的模块，当需要增加控制任务时，可通过附加模块对PLC 系统进行扩展 [1]。

图1 系统结构图

（2） 数据采集系统

数据采集系统由雷达物位计、液位计、拉线开关、跑偏开关等元件组成，其中雷达物位计用来测量料仓煤量，液位计用来测量污水坑水位，接近开关用来检测皮带跑偏、打滑和各设备的极限位置。雷达物位计选择ULM 系列产品，该雷达物位计采用FMCW (调频连续波) 测量原理，将微波传输时间转换成频率差的方式，通过测量频率差代替直接测量时差来计算目标距离。经过线性调制的微波信号通过天线连续发射微波，在被测物料表面产生反射波后由雷达天线系统所接收，发射信号和返回信号之间的频率差正比于天线到物料表面的距离，以此计算出物位高度，并将数据通过模拟量接口传给PLC（见图2）。

（3） HMI 系统

HMI 系统设置了一台工业控制计算机，采用工业以太网方式与核心控制器S7-300 通讯。IPC 放置在主操作台上作为操作人员HMI。WINCC 界面中包含各设备的启停及点动控制、各设备的运行状态、故障报警显示、操作模式选择等功能。

（4） 工业电视系统

本系统由防爆筒型网络摄像机、硬盘录像机、解码器、交换机、液晶电视墙组成，在各主要工位安装防爆筒型网络摄像机，配合无线对讲系统，使主控室可实时监控，指挥现场操作人员进行巡视、生产、检修等工作。

1.2 软件系统

（1） PLC 编程软件

PLC 编程软件采用SINAMIC STEP7 V5.5 SP4版本。笔者用STEP7 对系统进行硬件配置、通讯组态、编程、测试、诊断等。其中编程语言采用LAD (梯形图) 与STL (语句表) 相结合的形式，其中基本逻辑用LAD 编写，数学计算与数据类型转换用STL 编写。

图2 程序编写

（2） HMI 编程软件

WinCC 数据采集与控制系统能高效控制自动化过程，具有极强的开放性和系统稳定性，它用于组态用户界面以操作机器和监视设备状态 [2] （见图3）。

（3） iVMS-4200 Video Wall

管理员使用PC 机，通过iVMS-4200 电视墙客户端软件iVMS-4200 Video Wall (版本v2.6.3.2) 管理和配置解码器与硬盘录像机。

1.3 网络组成

该系统由两层网络组成：工业以太网和PROFIBUS-DP 网。工业以太网利用工业以太网交换机构成星型拓扑结构，用于HMI 显示系统与PLC 系统通讯。PROFIBUS-DP 网用于控制器PLC和远程分布式I/O 之间的通讯。

图3 控制画面

2 主要功能

升级改造后的系统可实现本地手动控制、远程手动控制和远程自动控制，远程手动/自动控制通过HMI 开关进行选择。在HMI 中可控制各设备开关，显示其工作状态、报警指示等信息。工业电视系统能显示、储存、回放各工位现场情况。

2.1 本地手动控制

在各工位都设有本地控制箱，可由现场操作人员手动控制设备的启停、点动、报警等功能。在PLC 系统出现故障，等待维修期间，能保证正常生产。

2.2 远程手动控制

在HMI 上选择手动控制，用HMI 开关按连锁顺序逐台启停各设备，也可单独点动各设备，点动时各设备不受连锁关系影响。此外，通过配合连锁电路，也可实现急停功能。

2.3 远程自动控制

操作人员巡检设备，确定设备具备启动条件后，在主控室HMI 上一键启动，启动后，下煤机自动走行到1 号料仓，皮带启动前，响铃提示，然后按设定启动顺序，从高序号到低序号间隔5 s 逐级自动连续完成设备启动。其中，震动给煤机只能在皮带全部运行后，按实际用煤需求，手动启动。输煤过程中，下煤机在料仓满仓时停止下煤，并自动走行到下一料仓，继续下煤。其中震动给煤机先停止工作，然后在主控室HMI 上一键停止，按设定停止顺序，从低序号到高序号间隔5 s 逐级自动连续完成设备停止。污水泵在污水坑水位报警时会自动启停（见图4）。

2.4 视频监控

采用XE62 系列网络摄像机进行视频采集，通过DS-6900UD 高清解码器解码显示，利用DS-8632N 硬盘录像机对图像进行处理、储存、检索、备份，以及网络传递和远程控制。画面投放到组合液晶屏电视墙上，可根据需要分屏显示或单屏放大。利用iVMS-4200 Video Wall (版本v2.6.3.2) 软件进行配置。

3 结 语

图4 自动输煤流程图

该系统的总体技术方案是以工业计算机（IPC）系统、PLC 为控制系统核心，采用网络系统构成递阶分布式体系结构，该结构具有安装配线简单，维护方便的优点。改造后的系统实现了设备运行的自动化管理和监控，减轻了人力负担，提高了系统的可靠性、可控性和安全性，不但提高了工作效率，而且增加企业收益。投入使用后，运行状态良好。