馬文超

河南理工大學(xué)，河南焦作 454000

河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南新鄭 451100

基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的煤礦篩選系統(tǒng)集控設(shè)計(jì)與研究

馬文超

河南理工大學(xué)，河南焦作 454000

河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南新鄭 451100

本文分析了趙家寨煤礦篩選系統(tǒng)集中控制的設(shè)計(jì)原理及實(shí)施過程，對(duì)集中控制系統(tǒng)的軟件及硬件配置進(jìn)行了技術(shù)探討和實(shí)踐應(yīng)用，具有良好的推廣價(jià)值。

現(xiàn)場總線；煤礦；篩選系統(tǒng)；集中控制

1 趙家寨煤礦及篩選系統(tǒng)簡介

河南趙家寨煤礦年產(chǎn)原煤300萬噸，井田面積48.96km2，可采儲(chǔ)量2.23億噸。該礦篩分系統(tǒng)流程如下：原煤由箕斗提升至井口卸載位置，卸入受煤倉，通過倉下給煤機(jī)運(yùn)入原煤膠帶運(yùn)輸機(jī)至準(zhǔn)備車間。原煤經(jīng)過除鐵后，進(jìn)入兩臺(tái)50mm三段螺旋篩進(jìn)行分級(jí)，50mm篩上品進(jìn)入兩條手選膠帶運(yùn)輸機(jī)，手選揀煤，矸石進(jìn)入四部排矸皮帶進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。揀出的大塊煤由大塊煤上倉膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)至大塊煤汽車倉地銷，倉容400t。兩臺(tái)螺旋篩篩下品分別進(jìn)入兩臺(tái)二級(jí)螺旋篩進(jìn)行分級(jí)，二級(jí)螺旋篩篩下末煤直接經(jīng)混煤上倉膠帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)入裝車倉，13～50mm小塊煤由小塊煤轉(zhuǎn)載膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)至小塊煤裝車倉，倉下設(shè)液動(dòng)扇形閘門，裝汽車地銷。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1硬件設(shè)計(jì)部分

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況可將地面篩選系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三部分：原煤篩選系統(tǒng)、排矸控制系統(tǒng)和返煤裝車控制系統(tǒng)。三個(gè)子系統(tǒng)通過地面生產(chǎn)集控系統(tǒng)并接入綜合自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)就地和綜合集控中心遠(yuǎn)方監(jiān)測監(jiān)控。電控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

在篩選系統(tǒng)設(shè)備室建立系統(tǒng)集控室，在篩選系統(tǒng)集控室設(shè)置操作臺(tái)，并配有上位機(jī)集控系統(tǒng)。在篩選集控車間安裝集控操作臺(tái)、1臺(tái)工控機(jī)、工業(yè)液晶顯示器1臺(tái)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)視頻監(jiān)控1套、語音網(wǎng)關(guān)，通過視頻、語音和控制三位一體，實(shí)現(xiàn)新篩分系統(tǒng)自動(dòng)控制，并通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳礦綜合集控中心實(shí)現(xiàn)地面篩分系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該系統(tǒng)采用多臺(tái)PLC組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過中央集控室上位機(jī)控制和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，完成系統(tǒng)對(duì)整個(gè)篩分過程的遙控、遙測，遙信、遙調(diào)，遙視，最終構(gòu)成一個(gè)完善的篩選系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)組成的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2軟件設(shè)計(jì)部分

PLC的軟件設(shè)計(jì)主要完成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制和相應(yīng)的故障處理、應(yīng)急處理，同時(shí)響應(yīng)人機(jī)交互指令，為上位機(jī)提供皮帶運(yùn)行中實(shí)時(shí)的狀態(tài)信號(hào)參數(shù)。PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序的設(shè)計(jì)、各功能塊程序的設(shè)計(jì)、故障程序和通信程序的設(shè)計(jì)、PLC的I/O地址分配、模擬量的輸入輸出分配等部分。主程序和各個(gè)功能塊程序的設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)所有被控設(shè)備的順序啟停，單部設(shè)備的啟動(dòng)停止，遠(yuǎn)程/就地切換等功能。故障檢測保護(hù)程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，通過讀取各個(gè)傳感器狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)故障的發(fā)現(xiàn)及采取必要的措施。通信程序包括從站和主站之間的PROFIBUS現(xiàn)場總線通信程序和主站與上位機(jī)之間的以太網(wǎng)通信程序。在PLC設(shè)計(jì)之初，應(yīng)該對(duì)所需的輸入、輸出點(diǎn)有一個(gè)大概的了解，同時(shí)保證選用的PLC型號(hào)要留有一定的富余量。

根據(jù)篩選廠篩分系統(tǒng)的工藝流程，設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)了主程序和各個(gè)功能模塊的功能。主站S7-300PLC負(fù)責(zé)接收分站ET-200上傳的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分散控制集中管理。

3 項(xiàng)目實(shí)施的運(yùn)行情況及改造效益

3.1項(xiàng)目的運(yùn)行情況

項(xiàng)目實(shí)施周期8個(gè)月。項(xiàng)目投入運(yùn)行以來，效果良好，完全實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)原煤篩選系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控，實(shí)現(xiàn)原煤篩選系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制。在運(yùn)行的過程中，根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況和工人的操作習(xí)慣，后期也做了部分的改動(dòng)?？傮w而言，雖然項(xiàng)目后期還有大量工作需要做，但是項(xiàng)目的運(yùn)行基本達(dá)到預(yù)期效果。

3.2項(xiàng)目改造效益

3.2.1社會(huì)效益

1）提高礦井安全生產(chǎn)管理水平，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)狀態(tài)的遙感、遙調(diào)、遙信、遙測和遠(yuǎn)程診斷，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)度協(xié)調(diào)工作。

2）礦井安全保障。提高了自動(dòng)化水平和安全生產(chǎn)水平，可向礦井管理系統(tǒng)提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的各種安全、生產(chǎn)信息，發(fā)揮綜合監(jiān)控和協(xié)調(diào)作用，正常情況下確保礦井的安全生產(chǎn)，事故情況下，可以為搶險(xiǎn)工作提供必要的指導(dǎo)。

3）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全信息集中監(jiān)測；實(shí)現(xiàn)無人值守或少人值守，達(dá)到減人增效的目的。

4）提高企業(yè)自動(dòng)化管理水平，提升了企業(yè)綜合形象。

3.2.2經(jīng)濟(jì)效益

1）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化減人。原煤篩選系統(tǒng)集控，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)崗位無人值守和減崗減員的目的，每班可減少出勤人員10人，按照月4200元工資算，每年節(jié)省成本151.2萬元。改造前原煤篩選系統(tǒng)每班需出勤22人，改造完成后12人就能滿足正常生產(chǎn)。

2）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化增效。原煤篩選系統(tǒng)集控中心投入運(yùn)行后，設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，故障自動(dòng)報(bào)警，發(fā)現(xiàn)、處理故障時(shí)間比以往大大縮短，平均每班影響時(shí)間僅為10min，而且切換生產(chǎn)路徑、配倉時(shí)間只需30秒，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)流量、煤位測量。按照每班減少故障影響10min計(jì)算，每年累計(jì)減少事故影響時(shí)間約180小時(shí)，增加經(jīng)濟(jì)效益230萬元。

2）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程反解。

已知機(jī)器人的平動(dòng)盤中心點(diǎn)坐標(biāo)位置，反過來推算每根軸的旋轉(zhuǎn)角度機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)已知Lt、Lb、L1、L2、（X，Y），我們通過列舉方程式求解得出θ1、θ2。最后在程序里建立相應(yīng)的變量，編寫相應(yīng)梯形圖或者ST語言程序?qū)崿F(xiàn)這個(gè)反解算式。這樣，對(duì)相應(yīng)變量輸入預(yù)計(jì)坐標(biāo)后，就能實(shí)時(shí)得到電機(jī)應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度了。反解算法功能塊如圖5所示。

反解功能塊采用分步計(jì)算的原理，整合各功能在一個(gè)功能塊中，包括：（1）根據(jù)兩點(diǎn)坐標(biāo)算出兩點(diǎn)距離；（2）通過構(gòu)建三角形的數(shù)學(xué)方法在多個(gè)三角形中依次解出角度θ1、θ2。

正反解算法靈活運(yùn)用Sysmac Studio環(huán)境中的ST語言和LD語言編寫，分步式的編程思路邏輯性強(qiáng)，能夠?yàn)楹笃诔绦蛘{(diào)試以及修改提供極大便利。

4 結(jié)論

本文以歐姆龍NJ501-1500PLC為控制器核心，深入研究了在Sysmac Studio環(huán)境中實(shí)現(xiàn)Delta并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制的算法以及編程、調(diào)試，并使用NS系列觸摸式可編程終端進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控。

［1］劉彥伯.一種Delta型并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.科技信息，2011（21）.

［2］王月芹.基于歐姆龍NJ控制器機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013（3）.

［3］徐世許.機(jī)器自動(dòng)化控制器原理與應(yīng)用［Z］.機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

TP3

A

1674-6708（2015）147-0158-02